開放式Wi-Fi無線通訊系統在井下的超融合應用

田 騫

（陜西陜煤韓城礦業有限公司桑樹坪二號井，陜西 韓城 715407）

0 引言

礦山安全是煤炭行業管理的難題，也是全社會安全生產中的重中之重。我國煤炭儲存環境復雜，地質條件較差，開采成本高；缺乏及時有效的預警系統；百萬噸死亡率依然較高，安全問題十分突出，礦山生產迫切需要提升開采和監管方式。物聯網是物物相聯的互聯網，以互聯網為支撐，以協議為保障打破了原有礦業開采中物理設施和信息基礎設施分離的積弊，及時通過網絡把各種信息傳遞給地面工作人員，進行信息交換，使人員、機器、設備融為一個整體，為大規模無人化作業和安全生產提供了系統性保障［1-3］。

1 礦山信息化發展現狀及形勢

我國從2008年后逐漸提出建設信息化礦井，以信息化帶動煤炭工業化，走新型工業化道路，建設新型現代化礦井，是二十一世紀煤炭企業提高礦井安全程度、實現高產高效、增強核心競爭力的必然途徑，是煤炭科技發展的方向。伴隨著信息技術的成熟與發展、煤炭市場的持續好轉、企業經濟效益的大幅提高，全國各大煤礦企業以“創建國內一流信息化礦井”為目標，拉開了信息化自動化建設的序幕。

隨后，各個生產礦井陸續建設了瓦斯監測、工業環網、人員定位、井下視頻監控、應急廣播、無線通訊、無軌膠輪車監控、瓦斯鉆場視頻監控、各種工業自動化控制等系統，甚至于目前比較先進的無人巡檢視頻監控信息系統，有些高效智能礦井還使用智能機器人作為輔助。然而，系統繁多且大都不同時建設（除新建礦井外），每種系統各自獨立、線纜繁多、故障率高發、維護人員疲于應付，各系統該發揮功能時反而達不到想要效果；加之這些信息系統的數據不能共享、信息量單一，與實現智慧礦山的目標相距甚遠［4-6］。

2 桑樹坪二號井信息化建設概述

2.1 信息化建設發展現狀

桑樹坪二號井自2015年6月后陸續建設了安全監測系統、有線調度通信系統、無線通信系統、人員定位系統、應急廣播系統、視頻監控系統、工業傳輸環網、主煤流集控、水泵房自動控制、局扇監控等子系統。這些系統廠家不同、數據協議不同、設備線纜獨立重復，維護不便，隨著系統的增加和時間的推移，系統的維護量和維護成本呈幾何倍數的增長，且系統數據利用率不高，投入產出比相對低下。系統之間成為信息“孤島”難以聯動，缺乏統一的調度指揮平臺，很難實現數據共享融合聯通的智慧化礦山。

2.2 信息化建設過程

桑樹坪二號井近期增設了無軌膠輪車監控系統，按照總體規劃和本著硬件共享、底層互通、傳輸共用、平臺互動的子系統深度融合理念，將礦井上述系統逐步向“一站”多系統接入、“一線”多系統連接、“一網”綜合傳輸、“一平臺”混合應用的高效融合智慧化礦山靠近，從而為大數據分析提供了可能。

現有的無線融合基站，自帶有Wi-Fi通訊、精確定位、百兆光纜網絡傳輸等模塊，可以實現手機通信、人員精確定位、車輛精確定位與測速、車載調度通信、無線視頻、應急廣播等系統的接入，甚至于安全監測監控系統和調度電話的接入［7-9］。多個系統，一站式解決，也就是常說的“一站”；分站提供以太網接口，通過以太網線纜直接接入環網，多個系統，一線傳輸，也就是常說的“一線”；所有的分站，統一通過規劃的工業環網到地面，也就是常說的“一網”。以互聯網為支撐，以協議為保障，利用多種傳感器和自動識別設備，融合精確定位系統、紅外感應、無線射頻技術，智能地識別和定位關聯物品，實現遠程監控和管理。Wi-Fi式無線通訊技術成熟可靠，其最大優點就是傳輸速度較高，可以達到11 Mbps。另外它的有效距離也很長，在開放性區域，通訊距離可達305 m，在封閉性區域，通訊距離為76～122 m，方便與現有的有線以太網絡整合，組網的成本更低。基于Wi-Fi信號的車載調度系統，車輛與調度號固定對應，無法更改，保證調度、通信無障礙，提升了車輛的使用效率，提高了車輛的運行安全，同時結合人員精確定位的技術方案，實現車輛的精確定位與測速。同時也與已有的各種802.11的DSSS設備兼容屬于開放式信號，可以為今后各個系統傳輸數據掃除協議壁壘，達成數據共享。

采煤和掘進工作面是煤礦生產過程中處于動態變化的環境，除放置了大量生產性設備以外，現場還必須放置許多輔助安全信息系統設備。工作面作為一個高危生產環境，本身就存在設備多、人員多、環境危的特點，是煤礦安全生產管理的核心所在。多系統融合“一站式”就是為了解決大多數礦井因所建設的系統在工作面獨立工作所造成的效率不高、聯動性不強等問題，積極采用現代化礦井通信技術來解決安全生產管理中的“死角”、保證人員安全及生產安全；通過現代化融合通信技術，為現場的安全指揮及時性減少時間上的延遲，避免事故的突發性。再結合礦井目前現狀需求分析，本項技術應用研究可以大大提高煤礦安全生產程度及工作效率、降低煤礦工人勞動強度。根據最新技術水平、煤礦特殊工作環境和管理模式，通過將井下各系統的本安或者隔爆分站進行硬件上的融合，能夠解決目前安裝設備多、走線復雜、維護成本高、多系統關聯的緊迫需求，使其具備多個井下分站才能完成的功能融為一體。同時在地面上對不同平臺進行融合，實現不同系統之間的協同應用，提高煤礦生產及應急指揮效率，便于工作人員根據需要快速進行調度、協調指揮，這樣將產生不可估量的間接和直接經濟效益。

3 經濟效益分析

3.1 節約資金

本次井下共計融合了無線通信、車載通信、人員定位、車輛調度、無線數字視頻、Wi-Fi網絡數傳等6個系統總投資145萬元，分別是無線通訊基站45萬元，150部智能防爆手機30萬元，無軌膠輪車監控系統70萬元（含18臺融合精確人員定位基站）。未考慮后期全部升級為精確人員定位還需55萬元。無線通訊基站和智能防爆手機是為井下無死角“雙重預控”系統而投入，無軌膠輪車監控系統是本次必須建設的。然而分別建設這些系統估算約553萬元，無軌膠輪車監控系統93萬元（本次還利用了其他系統的部分設備節省23萬元），“雙重預控”系統（服務器軟硬件、智能手機及APP）60萬元，井下無死角全覆蓋無線通訊系統115萬元，全礦井1 m精度人員定位系統200萬元，鉆場視頻監控（有線）系統70萬元。這樣算下來可節省資金353萬元，產生的直接經濟效益由此可見一斑。

3.2 節約人力成本

按照每條采掘巷道1 000 m計算，系統建設成功后巷道中的設備從原來的10臺減少到5臺，線纜由3根減少到1根電源線。如果再加上應急廣播系統和調度通訊系統的設備維護量，按照“一井一面四掘進”共需專職維護人員6名。采用集中供電和集中網管的方式，快速定位系統故障，降低了故障排查難度也使維護人員減少到2人，每年可節約人力成本24萬元。

3.3 系統安全可靠

融合通信系統采用多頻無線，覆蓋了全部的膠運、輔運大巷以及掘進工作面、綜采工作面、硐室等場所。通過網絡把各種信息及時傳遞給地面工作人員以進行信息交換，使人員、機器、設備融為一個整體，為將來大規模無人化作業和安全生產提供了基礎。就目前而言，基于全井無線信號覆蓋的人員定位系統實現了大容量（1 500張）、高速不漏卡（60 km/s，200張卡）、抗干擾能力強（不受信號強度制約）、穩定性好、精確定位（1.0 m）等優點，為井下人員求救報警、緊急撤離提供了強力保障，為井下人員的生命安全貼上一張保護符。實現“無人則安，少人則安”，從本質上達到了防范和遏制重特大事故的目的。

3.4 消滅信息孤島

融合通信系統消滅了系統間的信息孤島，實現了物理底層和上層應用的雙重結合。就調度而言，提升了調度指揮效率，尤其是區域應急指揮水平；就融合平臺而言，關鍵信息快速掌握；就聯動告警平臺而言，實現了系統間的智能互動，自動發布。此外，解決了等距多網絡的全覆蓋，人員、車輛的精確定位，設備及電源，線纜合一等關鍵技術難題；為礦山的信息化、智能化、自動化建設奠定了堅實的基礎。

4 結語

結合煤炭行業信息化的發展趨勢，根據礦井的情況提出信息融合與一體化管理的理念，以開放式Wi-Fi無線通訊為基礎，對現有的無線通信系統、人員定位系統、車輛管理系統、視頻監控系統以及后臺管理進行了技術底層融合升級改造，實現了無線通信、人員定位、車輛調度、視頻監控的一體化信號傳輸。初步實現底層硬件設備的共享、共用，解決了井下信息化設備多、線纜多、維護量大的問題，提升了設備的利用率，也為后續井下所有設備的萬物互聯提供了經驗。通過進一步的改造和技術升級就可輕松將廣播系統的聲音傳遞到有線和無線通信系統中并進行雙向通話，同時能將所有的有線和無線終端（手機、固話）作為廣播系統的發布終端。將來再隨著軟件技術的不斷更新升級，在地面上通過融合的調度指揮平臺、智能化綜合系統應用平臺，對礦井進行綜合數據聯動分析以及調度指揮，可全面地展現煤礦生產、安全、物資、設備等全方位信息，實現上層應用的互通，消滅信息孤島，發揮系統的集約效應，進而為科學、及時的生產經營決策提供依據。