張傳江，殷 鵬，姚 磊，周 泉，張明泉，張朝平

(1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽省淮北市，235006;2.上海山源電子科技股份有限公司，上海市松江區(qū)，201600)

1 研發(fā)背景

近年來(lái)，隨著淮北礦業(yè)集團(tuán)自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)的不斷深入，煤礦井下自動(dòng)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)視頻等系統(tǒng)數(shù)據(jù)大量增加，因此井下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問(wèn)題日益凸顯；同時(shí)，因淮北礦區(qū)井下存在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巷道多、截面小、作業(yè)地點(diǎn)分散等特點(diǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)管理難度大、調(diào)度指揮效率低，從而制約了智能化礦山建設(shè)。為了提升煤礦綜合管控水平，提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)新一代信息化技術(shù)與煤礦傳統(tǒng)裝備融合，淮北礦業(yè)集團(tuán)提出煤礦物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與單兵智能裝備研發(fā)與應(yīng)用的科研課題，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破。

(1)針對(duì)目前淮北礦區(qū)煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸量大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多網(wǎng)重復(fù)建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、終端無(wú)法管理等問(wèn)題，利用無(wú)線Wi-Fi、網(wǎng)絡(luò)工程等技術(shù)，研制適用于井下復(fù)雜工況的Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)綜合基站，結(jié)合萬(wàn)兆工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)，形成井上下“一張網(wǎng)”，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位、工業(yè)視頻、生產(chǎn)控制等系統(tǒng)提供統(tǒng)一、快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，為智能礦井建設(shè)提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

(2)針對(duì)煤礦已建成的應(yīng)急廣播、人員定位、調(diào)度電話等多個(gè)信息化系統(tǒng)，存在系統(tǒng)間相互獨(dú)立、人員投入多、管理困難等問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)編程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等技術(shù)，開(kāi)發(fā)面向煤礦的融合調(diào)度平臺(tái)，集成調(diào)度通信、人員定位、應(yīng)急廣播等功能，提高作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度指揮能力，為智能礦山建設(shè)提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

(3)針對(duì)煤礦井下作業(yè)地點(diǎn)多、人員分散、調(diào)度管理困難等問(wèn)題，利用智能數(shù)據(jù)通信、模具制造、電路設(shè)計(jì)等技術(shù)，研發(fā)礦用本安型智能礦燈、智能手機(jī)等單兵智能裝備，結(jié)合井上下“一張網(wǎng)”及融合調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井上下人員音視頻通信、錄像、拍照等功能，提高調(diào)度應(yīng)急指揮水平、增強(qiáng)作業(yè)人員協(xié)同工作能力、提高生產(chǎn)效率，拓寬安全監(jiān)察手段。

(4)深入研究分析Wi-Fi底層協(xié)議、Wi-Fi定位技術(shù)，利用數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計(jì)等技術(shù)，研發(fā)基于Wi-Fi的人員定位算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信與定位的融合，達(dá)到“有通訊就有定位”的目標(biāo)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)融合智能調(diào)度，煤礦物聯(lián)網(wǎng)單兵智能裝備系統(tǒng)采用“以人為本”的調(diào)度理念，將所有調(diào)度終端作為尋找到人的技術(shù)保障手段，系統(tǒng)通過(guò)人員位置信息查找周邊語(yǔ)音設(shè)備信息，包括周邊攜帶語(yǔ)音設(shè)備的其他人，大幅提高調(diào)度指揮效率。煤礦物聯(lián)網(wǎng)單兵智能裝備系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦物聯(lián)網(wǎng)單兵智能裝備系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 軟件部分

煤礦物聯(lián)網(wǎng)單兵智能裝備系統(tǒng)軟件部分主要包括融合調(diào)度平臺(tái)、Wi-Fi定位算法、VOIP音視頻通信3個(gè)方面。

(1)融合調(diào)度平臺(tái)。該平臺(tái)基于主流的IP技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，C/S與B/S模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)調(diào)度電話、擴(kuò)播、無(wú)線通信、人員定位等多系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護(hù)[1-2]。

(2)Wi-Fi定位算法。通過(guò)Wi-Fi定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在Wi-Fi無(wú)線基站和智能終端上不借助第三方定位技術(shù)進(jìn)行自主定位，達(dá)到“有通信就有定位”的目標(biāo)，簡(jiǎn)化井下設(shè)備配置，降低系統(tǒng)建設(shè)成本[3]。

(3)VOIP音視頻通信。采用基于標(biāo)準(zhǔn)的SIP音視頻通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺(tái)、智能礦燈、本安智能手機(jī)、廣播等設(shè)備音視頻對(duì)講[4]。

2.2 硬件部分

煤礦物聯(lián)網(wǎng)單兵智能裝備系統(tǒng)硬件部分主要包括物聯(lián)網(wǎng)綜合基站和智能終端。

(1)物聯(lián)網(wǎng)綜合基站。該基站作為井下萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)補(bǔ)充，形成礦井“一張網(wǎng)”平臺(tái)，為自動(dòng)化控制、人員定位、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、Wi-Fi通信、無(wú)線視頻、物聯(lián)網(wǎng)終端等煤礦井下各監(jiān)控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互通道[5]。

(2)智能終端。在不改變礦燈產(chǎn)品形態(tài)的基礎(chǔ)上，集成智能處理芯片、攝像頭、通話裝置等模塊，在礦燈上實(shí)現(xiàn)音視頻通話、人員定位、語(yǔ)音報(bào)警等功能。

3 系統(tǒng)功能

煤礦一直存在著井下調(diào)度和井下人員溝通困難的情況，部分緊急情況很難及時(shí)傳達(dá)給目標(biāo)的井下工人。傳統(tǒng)的煤礦單兵裝備往往功能簡(jiǎn)單、應(yīng)對(duì)場(chǎng)景單一，無(wú)法同時(shí)應(yīng)對(duì)多種應(yīng)急情況。而煤礦物聯(lián)網(wǎng)單兵智能裝備可以實(shí)現(xiàn)一鍵呼叫調(diào)度，及時(shí)地與調(diào)度人員進(jìn)行信息交換，遇到通話無(wú)法準(zhǔn)確描述的信息，還可以和調(diào)度人員進(jìn)行視頻通話，通過(guò)視頻方式進(jìn)行信息傳遞。在非緊急情況下的信息傳遞，單兵智能裝備還可以進(jìn)行高清拍照和錄像，對(duì)需要記錄的設(shè)備信息進(jìn)行圖片視頻存檔，或是對(duì)“三違”操作進(jìn)行留證。

3.1 融合調(diào)度平臺(tái)

融合調(diào)度平臺(tái)集成有/無(wú)線調(diào)度通信、人員定位、應(yīng)急廣播、網(wǎng)絡(luò)管理、智能終端管理、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合統(tǒng)一、互聯(lián)互通，通過(guò)授權(quán)可在集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下任何一臺(tái)電腦上安裝使用，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)/基層多級(jí)的分級(jí)調(diào)度管理[6-7]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)綜合基站

通過(guò)對(duì)比Wi-Fi、4G/5G等無(wú)線通信技術(shù)，Wi-Fi設(shè)備具備價(jià)格低、協(xié)議通用性強(qiáng)、升級(jí)費(fèi)用低的特點(diǎn)，結(jié)合淮北礦區(qū)井下地質(zhì)條件復(fù)雜以及巷道距離短、截面小、拐彎多的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線覆蓋，通過(guò)對(duì)三極化基站天線的研究設(shè)計(jì)和協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一是解決復(fù)雜工礦環(huán)境下Wi-Fi無(wú)線傳輸距離短、穩(wěn)定性不足的問(wèn)題(單基站無(wú)線信號(hào)覆蓋半徑最大可達(dá)到200 m)；二是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸跨基站無(wú)線漫游等功能，避免移動(dòng)用戶在不同的基站之間切換時(shí)，造成網(wǎng)絡(luò)通信中斷的情況；三是實(shí)現(xiàn)Wi-Fi數(shù)據(jù)終端用戶并發(fā)接入及傳輸，單基站接入數(shù)據(jù)終端用戶最大可達(dá)64個(gè)，帶寬最大150 M，定位終端不低于1 024個(gè)；四是采用低功耗、本安化的集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能高度集成，具備有線以太環(huán)網(wǎng)、Wi-Fi、CAN、RS485、I/O等多種功能及接口[8-9]。

3.3 井下單兵智能裝備

智能礦燈在硬件上集成Wi-Fi、藍(lán)牙、麥克、喇叭、快捷鍵，功能上支持“軟件定義”，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用及時(shí)調(diào)整。智能礦燈結(jié)合井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音視頻實(shí)時(shí)通話、拍照、錄像、定位等功能。

(1)定位功能。與Wi-Fi基站聯(lián)合定位，將檢測(cè)的Wi-Fi基站的信號(hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間等信息傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器進(jìn)行精確定位計(jì)算。

(2)群組對(duì)講。將井下人員分成若干組，同一組內(nèi)的人員能夠利用智能礦燈進(jìn)行對(duì)講，地面調(diào)度臺(tái)能夠動(dòng)態(tài)變更人員分組。分組對(duì)講分為有主對(duì)講和無(wú)主對(duì)講這2模式，有主對(duì)講是井下網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度服務(wù)器在正常連接的情況下，地面人員通過(guò)手機(jī)、調(diào)度電話等直接撥打群組號(hào)碼，參與群組對(duì)講，方便工作指示和指導(dǎo)；在井下網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接中斷情況下，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入無(wú)主對(duì)講模式，在局部網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，按下礦燈對(duì)講鍵可發(fā)起組內(nèi)對(duì)講，無(wú)主對(duì)講功能既增加了對(duì)講的可靠性，也增加了靈活性，特別是能夠適應(yīng)臨時(shí)工作場(chǎng)所的對(duì)講溝通。

(3)Sip通話。智能礦燈具備一鍵呼叫調(diào)度功能，通過(guò)調(diào)度接聽(tīng)、轉(zhuǎn)接等功能，可實(shí)現(xiàn)井下人員與其他人員的聯(lián)絡(luò)；Sip通話需在調(diào)度服務(wù)器(Sip服務(wù)器)參與下實(shí)現(xiàn)，調(diào)度服務(wù)器設(shè)計(jì)為軟交換服務(wù)器，通過(guò)在已注冊(cè)的Sip終端之間建立軟會(huì)話連接，實(shí)現(xiàn)終端之間的通話；同時(shí)，調(diào)度服務(wù)器通過(guò)E1數(shù)字中繼器與程控交換機(jī)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)有線電話、手機(jī)、應(yīng)急廣播等與智能礦燈互聯(lián)互通。

(4)拍照上傳。智能礦燈支持一鍵拍照，照片本地存儲(chǔ)，有網(wǎng)絡(luò)時(shí)自動(dòng)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，并且支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳。

(5)錄像上傳。智能礦燈支持一鍵錄像，錄像時(shí)間支持軟件設(shè)定，錄像文件本地存儲(chǔ)，有網(wǎng)絡(luò)時(shí)自動(dòng)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，并且支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳。

(6)語(yǔ)音廣播。智能礦燈收到調(diào)度發(fā)來(lái)的語(yǔ)音或預(yù)案語(yǔ)音時(shí)，能夠直接播報(bào)，實(shí)現(xiàn)通知快速傳達(dá)，達(dá)到高效應(yīng)急聯(lián)絡(luò)的目的。

(7)遠(yuǎn)程操作。一是地面調(diào)度能夠隨時(shí)控制井下智能礦燈進(jìn)行錄音、錄像，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，有效解決井下人員無(wú)回應(yīng)情況；二是通過(guò)軟件定義智能礦燈功能，滿足不同崗位、不同區(qū)域、不同人群應(yīng)用需求。

(8)藍(lán)牙傳輸。主要用于連接藍(lán)牙外設(shè)，能夠用于連接具有藍(lán)牙功能的甲烷檢測(cè)報(bào)警儀、藍(lán)牙智能手環(huán)等，智能礦燈同時(shí)可以建立多連接，連接多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，采用分時(shí)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的模式，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、中繼傳輸。

(9)休眠與喚醒。智能礦燈在打開(kāi)狀態(tài)下，若長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作指令，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅保留照明、Wi-Fi定位及接收信息功能，減小功耗；在休眠狀態(tài)下按任意按鍵一次，設(shè)備立即被喚醒。

4 關(guān)鍵技術(shù)及其創(chuàng)新

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 Wi-Fi定位模式與算法設(shè)計(jì)[10]

通過(guò)深入研究Wi-Fi底層傳輸協(xié)議(802.11x)，利用Wi-Fi探針、信號(hào)處理等技術(shù)，通過(guò)Wi-Fi底層傳輸協(xié)議中的信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間(ToF)信息，開(kāi)發(fā)完善Wi-Fi定位算法，實(shí)現(xiàn)人員連續(xù)定位。

Wi-Fi探針是基于Wi-Fi探測(cè)技術(shù)識(shí)別附近已開(kāi)啟的Wi-Fi設(shè)備。移動(dòng)終端接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，發(fā)出數(shù)據(jù)幀(Frame)，其中包含探針數(shù)據(jù)包(Probe request)，數(shù)據(jù)包中具有該終端之前接入過(guò)的SSID名稱以及終端的MAC地址信息，Wi-Fi探針截獲數(shù)據(jù)幀后，分析探針數(shù)據(jù)中的MAC層和物理層信息。

接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI(Receive Signal Strength Indicator)是指已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)功率，通過(guò)檢測(cè)接收節(jié)點(diǎn)的接收功率以及信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)與基站間的距離，結(jié)合信息傳播造成的損耗，經(jīng)過(guò)信號(hào)傳播衰減模型計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)間的距離，確定被測(cè)目標(biāo)位置。

由于井下巷道尺寸、粗糙度、側(cè)壁傾斜度以及四周材料的介電常數(shù)不同，電波在巷道傳播特性較為復(fù)雜，定位精度較差，且存在位置跳變現(xiàn)象，需研究建立基于其它定位原理的數(shù)學(xué)模型配合，提高定位精度，實(shí)現(xiàn)人員連續(xù)定位；通過(guò)對(duì)基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)、時(shí)間差(TDOA)以及卡爾曼濾波、高斯濾波、小波濾波等算法的多次試驗(yàn)比對(duì)，利用卡爾曼濾波和基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)算法配合RSSI算法效果較好，對(duì)時(shí)間的誤差要求較小，定位穩(wěn)定。

信號(hào)到達(dá)時(shí)間差算法是通過(guò)測(cè)量不同基站接收被測(cè)目標(biāo)所發(fā)信號(hào)的時(shí)間差或同一基站接收同一被測(cè)目標(biāo)所發(fā)不同速度信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)算各基站與被測(cè)目標(biāo)距離。

結(jié)合以上技術(shù)，Wi-Fi基站不斷地掃描探測(cè)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的Wi-Fi終端，實(shí)現(xiàn)終端探測(cè)，類似RFID區(qū)域定位；利用Wi-Fi基站的探測(cè)特性快速探測(cè)Wi-Fi終端，通過(guò)RSSI算法、卡爾曼濾波、TDOA算法進(jìn)行距離計(jì)算，實(shí)現(xiàn)人員的連續(xù)定位，達(dá)到通信與定位融合，簡(jiǎn)化井下設(shè)備配置，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

4.1.2 智能裝備模具以及通信部件的設(shè)計(jì)

為了提高作業(yè)人員工具集成度，保障智能化裝備在煤礦井下得到更好的管理和應(yīng)用，突破礦燈傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將智能芯片、喇叭、麥克、按鍵、攝像頭等部件集成至礦燈燈頭部位，利用三維機(jī)械建模，經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)、打磨、完善，研制出智能礦燈燈頭模具，實(shí)現(xiàn)部件的高度集成，同時(shí)滿足防水、防塵、抗撞擊要求；通過(guò)元件選型、本安電路設(shè)計(jì)、測(cè)試，研發(fā)出能夠安裝在礦燈內(nèi)部的集成電路，集成ARM9處理器，具有穩(wěn)定強(qiáng)勁的無(wú)線信號(hào)、CODEC語(yǔ)音編解碼、MIC接口、音頻輸出功放電路等功能，同時(shí)滿足ia級(jí)本安、抗電壓波動(dòng)以及低功耗要求，實(shí)現(xiàn)礦燈部件高度集成、低功耗、本安，為智能礦燈的成功研制打下基礎(chǔ)。

4.1.3 IP語(yǔ)音通話以及回音抑制與降噪技術(shù)

利用標(biāo)準(zhǔn)的SIP音視頻通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)調(diào)度融合通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能礦燈、本安智能手機(jī)、應(yīng)急廣播等設(shè)備音視頻互通，提高調(diào)度效率和礦井安全管理水平；利用回音抑制、降噪技術(shù)，優(yōu)化語(yǔ)音通信算法，加強(qiáng)回音抑制，有效解決因麥克、喇叭相距較近，易產(chǎn)生嘯叫的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺(tái)與礦燈音視頻全雙工對(duì)講，做到距礦燈0.5 m處，喇叭播放聲音80 db，且系統(tǒng)無(wú)嘯叫，同時(shí)根據(jù)井下不同地點(diǎn)噪音，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整，降低底噪。

4.1.4 實(shí)時(shí)視頻編解碼、碼率幀率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了保證視頻圖像在低速率的無(wú)線信道上穩(wěn)定傳輸且視覺(jué)質(zhì)量不降低，利用實(shí)時(shí)視頻編解碼、碼率幀率自適應(yīng)技術(shù)，優(yōu)化底層算法，根據(jù)井下應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際情況，通過(guò)模擬算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行估算。根據(jù)估算帶寬對(duì)實(shí)時(shí)視頻編解碼、碼率幀率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使實(shí)際的編碼輸出速率與信道速率相匹配，最大限度地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，獲得盡可能高的重建視頻圖像質(zhì)量。

井下單兵智能裝備能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況對(duì)實(shí)時(shí)視頻編解碼、碼率幀率進(jìn)行處理，在網(wǎng)絡(luò)狀況一般時(shí)，維持常用的的狀況，不做特殊復(fù)雜的處理；網(wǎng)絡(luò)狀況不好時(shí)，采用降低碼率方案，如降低源頭幀率、降低目標(biāo)分辨率、降低幅度，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況決定，確定是否采用連續(xù)階梯降碼率。

4.1.5 網(wǎng)絡(luò)漫游技術(shù)

為了避免智能裝備在不同AP(無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn))之間切換時(shí)通信中斷，利用信號(hào)掃描、滑動(dòng)濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能礦燈自動(dòng)判斷各基站信號(hào)強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)漫游算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速切換基站，保障在跨基站移動(dòng)中數(shù)據(jù)通信不中斷，實(shí)現(xiàn)方式為：假設(shè)終端STA連接在AP1基站上，能同時(shí)檢測(cè)到AP1的RSSI1和AP2基站的RSSI2。當(dāng)RSSI1≥-70 db時(shí)，保持連接在AP1基站；當(dāng)RSSI1<-70 db時(shí)，檢測(cè)AP2的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)RSSI2<-60 db時(shí)，仍連接在AP1基站上，當(dāng)RSSI2≥-60 db時(shí)，立刻連接AP2，同時(shí)斷開(kāi)AP1。

4.1.6 節(jié)電技術(shù)

在智能礦燈工作時(shí)，為了提高設(shè)備的電池使用效率，通過(guò)軟件算法判斷，在智能裝備“空閑”或者“非滿負(fù)荷”時(shí)，控制智能礦燈進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)具備隨時(shí)喚醒功能，最大限度地降低設(shè)備功耗，滿足煤礦井下對(duì)礦燈使用時(shí)長(zhǎng)的需求。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)復(fù)雜工礦條件下高可靠無(wú)線傳輸?；幢钡V區(qū)井下巷道大多距離短、截面小、設(shè)備多，工礦環(huán)境復(fù)雜，在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中會(huì)發(fā)生多徑效應(yīng)及電磁噪聲干擾等問(wèn)題，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)三極化基站天線的研究設(shè)計(jì)，解決復(fù)雜工礦環(huán)境下Wi-Fi無(wú)線傳輸距離短、穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸跨基站無(wú)線漫游等功能。

(2)小型化、多功能、實(shí)用性裝備設(shè)計(jì)。一是采用低功耗、本安化的集成設(shè)計(jì)，將有線以太環(huán)網(wǎng)、Wi-Fi、CAN、RS485、I/O等硬件設(shè)備集成至小型化礦用本安型基站中，打通井下各系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入通道“最后一米”；二是在不改變礦燈產(chǎn)品形態(tài)的基礎(chǔ)上，集成超低功耗智能處理芯片、攝像頭、通話裝置等模塊，在礦燈上實(shí)現(xiàn)音視頻通信、人員定位、語(yǔ)音報(bào)警等功能，并通過(guò)藍(lán)牙模塊為瓦檢儀、智能手環(huán)等裝備提供數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”。

(3)多種算法及協(xié)議深度優(yōu)化設(shè)計(jì)。一是實(shí)現(xiàn)Wi-Fi數(shù)據(jù)終端用戶并發(fā)接入及傳輸；二是實(shí)現(xiàn)基于Wi-Fi協(xié)議的連續(xù)、精準(zhǔn)人員定位；三是在井下惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低帶寬、高質(zhì)量、穩(wěn)定的IP音視頻通話。

(4)通用、融合、共享的平臺(tái)開(kāi)發(fā)。一是實(shí)現(xiàn)在一個(gè)平臺(tái)上對(duì)語(yǔ)音調(diào)度、定位、通信、應(yīng)急廣播等多個(gè)系統(tǒng)一體化調(diào)度管理；二是無(wú)需專用調(diào)度臺(tái)，實(shí)現(xiàn)局/礦兩級(jí)分級(jí)調(diào)度管理。

5 應(yīng)用效果

2020年12月，該研究成果在淮北礦業(yè)集團(tuán)信湖礦、袁店一礦全面應(yīng)用，通過(guò)在井下部署無(wú)線綜合基站、開(kāi)發(fā)融合通信平臺(tái)以及研制智能礦燈、智能手機(jī)等智能裝備，取得了一定成效。

5.1 社會(huì)效益

(1)該項(xiàng)目研究是煤炭行業(yè)主動(dòng)應(yīng)用信息化先進(jìn)技術(shù)的具體表現(xiàn)，符合國(guó)家提出的數(shù)字化發(fā)展創(chuàng)新理念，具有很高的示范價(jià)值，為煤礦智能化建設(shè)提供一些可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

(2)融合平臺(tái)及智能終端的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，顯著提高調(diào)度指揮及應(yīng)急救援能力，不僅能夠提升井下人員安全防護(hù)水平，而且拓展了安全監(jiān)管的渠道和范圍，提高安全生產(chǎn)保障能力。

(3)該研究成果成功應(yīng)用后，規(guī)范井下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，打通煤礦井下數(shù)據(jù)通信“最后一米”，提升礦井生產(chǎn)調(diào)度管理效率和水平，提高生產(chǎn)效率，技術(shù)人員能夠遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)職工排除設(shè)備故障，提升職工協(xié)同工作能力，為智能化礦山建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

(1)提高工作效率產(chǎn)生效益。項(xiàng)目應(yīng)用提高調(diào)度指揮效率，增強(qiáng)井下職工協(xié)同工作能力，部分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。該研究成果應(yīng)用期間，累計(jì)減少人力成本共計(jì)200萬(wàn)元。

(2)節(jié)約成本。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)煤礦井下“有線+無(wú)線”網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸通道，避免各系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用及維護(hù)成本；融合調(diào)度平臺(tái)的應(yīng)用，避免開(kāi)發(fā)人員定位、調(diào)度管理等多系統(tǒng)的建設(shè)投資；該研究成果節(jié)約投資成本共計(jì)320萬(wàn)元。