張慧文

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727306)

0 引言

近年來，黃陵礦業(yè)二號煤礦始終堅持“科技強企”的戰(zhàn)略，通過大力推廣應用新技術、新工藝、新設備，著力解決制約安全生產的技術難題，把煤炭行業(yè)前沿科技成果轉化為促進企業(yè)安全、高效、綠色發(fā)展的有效生產力，助推企業(yè)高質量發(fā)展。鑒于2020年3月，國家發(fā)展和改革委員會等8部委共同下發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，指出“煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐”，黃陵二號煤礦根據這一文件精神，逐步推進智慧礦山和智能化礦山的建設。

煤礦“新基建”是指以5G、數據中心、人工智能、工業(yè)互聯網等新技術在煤礦應用所必需進行的數字基礎設施建設。煤礦“新基建”并非僅指過去概念上的新通信設備、通信線路等信息基礎設施，還應擴大至大數據分析、物聯網、云計算、高速工業(yè)以太環(huán)網平臺，以及先進數字智能終端、礦用機器人等各類智能裝備[1]。

黃陵二號煤礦大采高智能化無人開采技術成功應用，實現智能工作面開采，但是存在傳輸方式仍為有線傳輸，數據傳輸時延高，且?guī)捰邢?；人員定位系統采用“四統一”的信息系統解決方案，但區(qū)域定位技術不能顯示準確的人員位置信息；無軌膠輪車利用人員定位系統實現車輛區(qū)域定位，無語音調度通信，與集團公司和省煤監(jiān)局檢查要求不符等諸多缺陷[2-3]。作為一級標準化礦井，該礦結合自身發(fā)展需要，在考慮國際國內最領先技術的同時兼顧設備功能最大化利用，按照統一規(guī)劃，統一實施的原則，建設一套能夠融合有線、無線、廣播及人員車輛安全監(jiān)測與精確定位、智能礦燈系統的融合通訊系統，在解決存在問題的同時，也為該煤礦的智慧礦山建設打好堅實的基礎。

1 系統概述

1.1 建設目標

基于黃陵二號煤礦實際情況，首先要建設一套5G專用環(huán)網，使之主干傳輸寬帶達10萬兆、單點上傳帶寬大于1 000兆[4]；然后以專網規(guī)劃為依托，部署5G基站和融合基站，實現高精度人員定位、高精度車輛安全監(jiān)控調度、智能礦燈管理、4K攝像儀的高清視頻回傳；其次井下所有覆蓋的區(qū)域都能通過5G、4G或WiFi基站與地面實現數據傳輸，做到井上井下互通互聯[5]。

實現在211工作面、420工作面、215掘進面、305掘進面覆蓋5G信號，依托5G網絡傳輸解決智能化采掘工作面數據傳輸，滿足地面對井下的5G遠程控制和采掘工作面全部高清視頻的5G超大帶寬上傳。

實現在井下膠帶巷、輔運巷覆蓋4G+WiFi+UWB信號，為井下人員的精確定位，車輛的精確定位、智能礦燈管理系統、語音通信及數據上傳提供網絡通道。利用原有的“四統一”系統，整合和改造原有的RFID區(qū)域定位系統，實現對人員和車輛的精確定位、測速管控、行車安全監(jiān)測管控、語音調度通訊、預警提醒、智能紅綠燈、人員及車輛的軌跡查詢等。要求滿足靜態(tài)的定位精度在0.3 m以內，動態(tài)精度在1 m以內，檢測距離超過500 m[6]。通過智能定位礦燈，內置人員標識卡模塊和語音通話模塊，實現人員定位、語音通信及數據上傳等功能，實現井下特殊崗位及重點人員生命體征監(jiān)測。

除此之外，整合現有的有線調度系統、廣播系統，將各系統之間數據打通，實現統一調度、統一管理。開放系統對接接口、協議，為煤礦的各信息系統提供基礎通道支撐[7-8]。

1.2 建設內容

1.2.1 建設一套10萬兆的全光工業(yè)核心主干環(huán)網

在黃陵二號煤礦的整體智能化設計方案中，井下融合各種系統基站建設需提前規(guī)劃，因此設計采用支持分組切片技術的SPN設備組建井下的傳輸網絡，主干采用48芯光纜傳輸，實現10萬兆環(huán)網的網絡建設，為5G、WiFi 6等網絡以及各類端到端應用的建設提供高可靠、硬隔離、低延時、高帶寬的傳輸網絡[9]。新網絡建成后，必須還能融合原有的網絡系統，在地面與原有的工業(yè)網實現互聯互通，確保新建網絡與原有系統之間的兼容性和可靠性。主干網的拓撲圖如圖1所示。

圖1 主干網拓撲圖

1.2.2 建設5G+4G+WiFi+UWB無線融合系統

在211工作面、420工作面、215掘進面、305掘進面需要建設5G+UWB無線網絡覆蓋，數據通過5G實現高可靠、高速率、低延時上傳，采用4G實現語音調度功能；實現智能化采掘工作面端到端的5G遠程控制及4K高清視頻的上傳[10]。

在輔助運輸大巷、膠帶大巷、211、213、215、303、305、420工作面、機電硐室的建設4G+WiFi+UWB融合網絡覆蓋；利用UWB技術，實現人員車輛的精確定位、測速、超速告警等功能；后期可支持擴容WiFi 6、NB-IoT等無線網絡，解決智能物聯網及萬物互聯問題[11]。

1.2.3 車輛管理系統及智能單兵系統

車輛安全監(jiān)控調度系統的建設，實現車輛的精確定位、測速、超速告警、行車安全監(jiān)控、行車智能導航、“滴滴”叫車、智能紅綠燈管控、車載語音調度等功能，并實現車輛在GIS地圖上實時查看車輛的運行位置及運行速度等參數。

智能單兵系統建設，實現智能單兵系統的一鍵調度、組群對講、移動廣播、可視通話、執(zhí)法記錄等功能，以滿足陜煤股份下發(fā)的《煤礦“四員兩長”管理考核指導意見》的要求。

1.2.4 建設超融合調度通信平臺

融合各系統，實現井下有線調度系統、應急廣播、人員定位、車輛調度、無線通信、智能礦燈系統的統一管理、統一調度。融合現有區(qū)域定位入井人員信息“四統一”管理系統，實現以UWB精確定位技術為基礎的管理系統。為目前的安全生產信息共享平臺、省局的安全監(jiān)控管理平臺、監(jiān)測監(jiān)控系統及以后的信息系統提供數據接口、協議。

2 系統建設

2.1 建設框架

智慧礦山建設的整體框架示意如圖2所示，框圖展示了地面設備和功能模塊的組成，以及井下主干網絡和子系統功能模塊的組成設備。

圖2 智慧礦山集成各系統框架示意

2.2 工作面5G通信系統

以黃陵二號煤礦211、420工作面，215、305掘進面為建設背景，地面與運營商合作與公網對接。在地面部署1套5G的MEC核心網，包括2臺網絡交換設備。在井下部署11臺SPN設備、4臺BBU、4臺RHUB和10臺RRU基站。以“4G/5G全覆蓋”的基本思路，在420、211工作面各部署5G RRU基站3個，215、305掘進面各部署5G RRU基站2個，并開通4G/5G網絡授權。

在工作面回兩側各部署1臺5G基站實現工作面切面5G信號的覆蓋，實現采煤機信號(包括機載高清視頻、傳感中心、參數控制)通過5G網絡傳輸至地面控制室和列車控制室；地面遠程操作臺和采煤機順槽控制箱體內配置礦用無線轉發(fā)器(5G CPE)和智能控制模塊，實現地面控制室(列車控制室)與采煤機等設備的5G通信交互。以綜采工作面的5G通信系統部署示意如圖3所示。

圖3 綜采工作面5G通信系統部署示意

2.3 人員車輛精準定位系統

定位系統選擇基于UWB的精確定位技術，具備500 m以上遠距離測量、測量精度高，巡檢周期短，工業(yè)以太網光纖通信，以及符合AQ 6210—2007煤礦人員管理系統技術要求的所有功能。

人員及車輛精確定位系統通過將讀卡分站設置在井下關鍵地點，讀卡分站采集到標識卡位置信息，通過接入主干環(huán)網，上傳到地面計算機[12]。攜帶標識卡或者頭戴智能礦燈的人員經過巷道的讀卡分站識別監(jiān)測點時，標識卡發(fā)射出來的信號立即被天線捕獲，并通過系統網絡的信息交換，將此人通過的路段、時間等信息傳輸至井上安全監(jiān)控中心處理。如若進入到電子圍欄限制區(qū)域，或者標識卡信息無效，系統會立即彈出報警彈窗，并發(fā)出語音報警，監(jiān)控中心值班員收到信息后，將即刻根據應急預案的程序采取相應的措施。

2.4 智能礦燈管理系統

智能礦燈作為一款單兵裝備集語音、拍照、視頻、精確定位、藍牙、無線等功能于一體，在具備豐富功能的同時可以開發(fā)人員唯一性檢測功能，保證礦燈與人員的強連接，并可通過礦燈的藍牙連接手環(huán)，將手環(huán)數據的上傳，實現井下人員的動態(tài)健康管理，經過開發(fā)與井口的唯一性檢測系統配合，可實現人員生命體征與出入井閘機的聯動，進而控制體征不正常的人員下井。依托智能礦燈的精確定位與遠程視頻監(jiān)控等功能，經過開發(fā)可實現人員行為的管理。

2.5 綜合調度通信系統

結合原有的有線調度通信系統、應急廣播系統等，并依托于“一張圖”地理信息系統、5G通信技術和精確的定位數據，再升級成為智能融合調度通信平臺，可提供人員所在區(qū)域內相關設備的信息，如固定本安電話、單兵智能物聯終端、廣播設備、視頻監(jiān)控設備、其他機電設備狀態(tài)信息等，并且可以一鍵調用區(qū)域設備[13]。通過瀏覽器的方式以數字和圖形的方式進行顯示。利用融合調度軟件可有效的將各個子系統進行融合或聯動，實現統一調度監(jiān)管和應急聯動，并采用云維護實現系統的遠程實時維護。

3 結語

黃陵礦業(yè)二號煤礦以10萬兆工業(yè)環(huán)網為引領的數字化、網絡化、智能化礦山建設，通過與5G、4G、WiFi 6、UWB融合通信，形成了礦井數據立體化高速傳輸模式，將井下信息傳輸提升到“高鐵速度”，再將礦井各生產子系統按統一標準接入“智慧礦山管控平臺”，所有數據存入統一數據庫，通過“一張圖”，達到數據的綜合展示，實現了智能調度、智能生產、智能安全、智能決策等一系列應用，促進礦井人少化、無人化開采，由此把自己打造成為全國煤炭行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的典范。