煤礦井下4G通信系統的設計與應用

李超

摘 要：為滿足煤礦井下復雜條件下的無線通信需求，設計了一套煤礦井下4G通信系統，首先介紹了平煤八礦工業環網結構和通信系統現狀，然后詳細介紹了系統的設計方案。經實際應用表明：該系統實現了基于4G的移動通信、調度、控制及信息采集功能，對保障礦井安全生產及智能化建設具有重要意義。

關鍵詞：4G通信;無線通信;智能化;安全生產;工業環網

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0048-03

Abstract： In order to ensure the wireless communication requirements under complex conditions in coal mines， a set of underground 4G communication systems in coal mines were designed. First， the industrial ring network structure and current status of communication systems in Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.， Ltd. No. 8 Mine were introduced， and then the system design scheme was introduced in detail. The practical application shows that the system realizes the functions of mobile communication， scheduling， control and information collection based on 4G， which is of great significance to the safety production and intelligent construction of coal mine.

Keywords： 4G communication;wireless communication;intelligence;safe production;industrial ring network

煤礦井下地質條件復雜多樣，瓦斯、煤塵、水、火、頂板等自然災害嚴重，管理工作極其復雜、繁重，因此，努力提升安全生產技術水平，一直是煤礦企業追求的主要目標。井下通信系統是保障礦井安全生產管理必不可少的設施，主要包括有線通信、泄漏通信、小靈通通信和無線對講通信系統[1]。其中，有線通信只能在固定地點;泄漏通信距離短，需要單獨組建網絡，只能應用于機車調度通信;小靈通通信和無線對講通信系統的設備構成復雜，需要單獨布線，并且受頻段限制，不能進入采掘工作面。針對這些問題，本文結合平頂山天安煤業股份有限公司八礦（以下簡稱“平煤股份八礦”）的實際情況，設計了一套適用于煤礦井下環境的4G通信系統。

1 平煤股份八礦工業環網結構

平煤股份八礦已建成井上、井下萬兆工業以太環網，采用主干網萬兆、分支網千兆，大環套小環的環網拓撲結構，如圖1所示。其中，井下安裝了5臺萬兆工業交換機和8臺千兆工業交換機，地面中心機房安裝了2臺萬兆工業核心交換機，地面煤樓、新副井、主井共安裝了3臺千兆工業交換機，構成一個統一的礦井通信傳輸系統，為4G通信系統建設提供了網絡傳輸基礎。

2 平煤股份八礦通信系統現狀

平煤股份八礦已建成數字程控電話系統、小靈通系統、擴音電話系統。在調度室安裝有數字程控電話調度通信系統，該系統配有兩臺程控電話調度通信平臺，用于指揮日常的生產活動。小靈通系統采用微蜂窩技術，將用戶端以無線的方式接入程控電話網，可在無線網絡覆蓋范圍內自由移動使用，隨時隨地接聽，是程控電話的有效延伸和補充。井下擴音電話系統主要分布在軌道斜巷、主煤流皮帶巷、掘進巷道、采煤工作面、大巷人車等候點、上下井口等地點，實現應急擴播和井上、井下對講。由于已經建立的各通信系統建設廠家不同、建設時間不同，導致各自相互獨立，線路重復鋪設，系統可靠性極差，系統維護量大且不能滿足現有業務需要，系統集成的綜合效益低下。

3 通信系統設計方案

通信系統設計的核心思想是在保證基本4G通信功能的前提下，實現4G系統與現有程控電話、小靈通、擴音電話系統之間的互聯互通，并通過安全生產信息共享平臺移動終端應用軟件將現有視頻監控系統、皮帶集控系統、泵房排水自動化系統等自動化子系統進行融合，實現各自動化系統之間的互聯互通。同時，在移動終端可以實時顯示各系統的運行工況，接收各類故障報警等信息，實現井上、井下集控數據、音頻、視頻與其他系統的聯動監控，從而實現移動遠程集中控制。

3.1 系統總體架構設計

系統以4G無線通信網絡和TCP/IP通信協議為基本架構[2]，以井上、井下工業環網作為整個系統的主干傳輸通道，形成有線主干和無線終端相連接的方式，覆蓋地面工業廣場、大巷、斜巷、采煤工作面等主要工作場所。系統包括地面和井下兩部分：地面設備主要有4G核心網絡設備、綜合業務交換調度機、網絡管理系統、地面用4G基站等;井下設備主要有礦用本安型4G基站及配套電源、本安手機等。4G核心網絡設備與井下本安型基站之間采用萬兆以太網傳輸，基站可以就近接入工業以太環網。系統總體架構如圖2所示。

3.2 系統主要設備功能設計

3.2.1 地面設備設計。由上述內容可知，地面設備主要有4G核心網絡設備、綜合業務交換調度機、網絡管理系統、地面用4G基站等。現對每個設備進行詳細分析。

4G核心網設備安裝在地面調度室機房，接入萬兆核心交換機，實現無線手機用戶的交換調度、與外部語音數據網絡的互聯互通等功能。

綜合業務交換機具備冗余功能，主機和副機具備相同的靜態數據，保持基礎靜態數據一致，同時副機具備數據自動增量同步功能。

網絡管理服務器是檢視網絡上所有節點如何執行命令的計算機，通過工業網絡與其他設備相連接，是系統的操作和維護面板，提供系統的性能、安全、配置、告警、軟件和網絡健康等管理功能。

多媒體調度機采用先進的軟硬件技術、電信級的設計，保證了設備的高可靠性。為調度室值班人員提供可視化交互界面，支持主分調度臺模式，可為分調度臺分配權限，實現調度指揮的統一管理和分級調度。

地面信息傳輸接口主要包括主控傳輸板、基帶處理板、電源與環境監控單位等功能單板，提供4G基站與核心網設備的物理連接，處理數據傳輸協議。

3.2.2 井下設備設計。由上述內容可知，井下設備主要有礦用本安型4G基站及配套電源、本安手機等。現對每個設備進行詳細分析。

基站集成BBU+RRU功能，滿足礦用本安設計要求，支持與井下工業以太網交換機連接;信號覆蓋半徑為300～500 m;基站安裝位置及數量根據人員密度、話務量等具體情況采用分區設計，在長且直的主巷道安裝基站;在巷道的拐彎位置、坡度的拐點以及石門位置附近可以通過增加天線的方式，實現對4個方向的信號全覆蓋。

手機采用本安型礦用4G三防手機，支持對講專用按鍵，可適配多平臺集群調用系統，用于集群調度應用。支持專網內移動電話的互通、內網移動電話與固定電話的互通、專網與公網的互通;具有中繼匯接功能;提供開放的接口，可擴展與礦山業務相關的移動互聯網應用功能。

開發了智能礦山及安全生產信息共享一體化平臺移動終端應用軟件，利用4G更高的數據帶寬，實現話音、視頻通話;視頻監控;多媒體調度;多方語音、視頻會議;數據傳輸;井下移動安全生產管理。

3.3 系統主要技術參數設計

技術制式：4G LTE;工作頻段：1.8 G（1 785～1 805 MHz）;具有寬帶集群（B-TurnC）產業聯盟頒發的寬帶集群B-trunc產品認證證書;基本業務需求：語音、專業數字集群業務為主，數據業務為輔[3-5]。

3.3.1 4G核心網設備。核心網需要支持ATCA架構;具有容災備份能力，兩套相同的核心網可組建主備功能的網絡，業務倒換的中斷時間≤5 min;最大基站用戶數不低于100;最大用戶數不低于8 000;最大并發群組數不低于512;最大并發語音數不低于1 024個;數據轉發帶寬不低于2 Gbps;網管系統要求能夠在圖形化拓撲界面上顯示網元的狀態，能夠測量網絡性能和統計數據，能夠向標準Office應用程序輸出QoS數據，要求支持基站自動發現功能并且歸入管理網元，要求支持在線監控系統性能狀態;能夠管理終端型號、放置位置等信息，監視終端在線狀態;嵌入硬盤支持RAID1冗余配置，磁盤陣列支持RAID5+熱點冗余配置。

3.3.2 地面用射頻拉遠單元。提供相應的工信部型號核準證;所投LTE射頻單元，需要提供工信部無線電管理局核發的無線電發射設備型號核準證;RRU單級拉遠距離≥10 km;最低覆蓋半徑≥2 km;天線增益≥15 dBi;天線發射角度≥120°;設備MTBF>100 000 h;4通道RRU;基站級聯：最大不低于6級級聯;工作電壓為直流48 V;提供24個千兆光口，2～4個模塊接口，支持光口、電口。

3.3.3 礦用隔爆兼本安型基站。提供相應的工信部型號核準證;所投LTE射頻單元，需提供工信部無線電管理局核發的無線電發射設備型號核準證;RRU單級拉遠距離≥10 km;天線增益≥15 dBi;直線覆蓋半徑不小于800 m;設備MTBF>100 000 h;雙通道RRU;基站級聯：最大不低于6級級聯，且各基站之間切換穩定平穩。工作電壓為直流48 V;提供24個千兆光口，2～4個模塊接口，支持光口、電口。

3.3.4 礦用本安型手機。防震等級：IP67;內存不小于4 G+64 G;Android 操作系統不低于6.0;屏幕不低于127 mm;藍牙4.1;支持快速充電功能;支持GPS和北斗導航功能;前置攝像頭不低于800萬像素，后置攝像頭像素不低于1 200萬像素。重力感應器，光感應器，支持802.11b/g/n無線通信協議;專用PTT對講鍵;支持1 447～1 467 MHz，1 785～1 805 MHz。

4 結語

該系統已在平煤股份八礦進行應用，實現了井上、井下4G信號全覆蓋，能滿足礦井的采煤、掘進、調度、安全、機電、運輸、監測、排水、通風等井下各個生產環節的通信聯絡需求，并且支持語音、視頻、數據三大業務的全面承載，為建設現代化安全、高效礦井提供有力支撐，在煤炭行業具有一定的推廣應用價值。

參考文獻：

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