曹童杰，王忠新，李丕范，譚皓予

（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048）

0 引 言

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)中最重要的資源之一，作為能源生產(chǎn)的核心，在我國快速發(fā)展的重要階段，煤炭的需求量不斷提升，煤礦安全事故卻頻發(fā)，對我國的綜合水平發(fā)展造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-3]。因此，如何利用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)提高資源提取率和保障人員安全成為了亟待解決的問題，也成為了煤炭現(xiàn)代化提出的要求[4]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，近3年我國煤礦發(fā)生生產(chǎn)安全事故649起、死亡1 047人，究其原因，很大一部分是由于井下工作人員操作不標(biāo)準(zhǔn)、值守疏忽、安全隱患沒有及時發(fā)現(xiàn)、告警信息沒有及時回傳以及人員無法實時準(zhǔn)確定位延誤救援等問題導(dǎo)致的[5，6]。《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，“所有礦井必須裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員位置監(jiān)測系統(tǒng)、有線調(diào)度通信系統(tǒng)”，這些系統(tǒng)均是為了提升煤礦井下的智能化水平，保障人員生命安全[7]。裝備這些系統(tǒng)主要要考慮2個方面：網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用平臺[8]。在網(wǎng)絡(luò)方面，傳統(tǒng)的井下網(wǎng)絡(luò)以3G、4G、Wi-Fi覆蓋為主，但由于其在帶寬、容量、時延和可靠性等方面有局限性，存在覆蓋不足、時延抖動不滿足等問題，已不能滿足煤礦智能化發(fā)展的需求。2020年，工信部下發(fā)《工業(yè)和信息化部關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》，全力推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、應(yīng)用推廣、技術(shù)發(fā)展和安全保障，越來越多的煤礦企業(yè)開始打造自己的5G專網(wǎng)，并不斷進(jìn)行5G賦能礦山的探索，為煤礦智能化建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)[9]。在平臺方面，基于煤礦網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和趨勢，應(yīng)著力打造適用于煤礦井下的專用平臺，打破“煙囪式”平臺局面，集成5G通信、音視頻通話、實時定位、環(huán)境狀態(tài)感知、人員狀態(tài)監(jiān)測等功能，形成“一平臺多應(yīng)用”局面。本文以5G礦用智能安全管控平臺為例，介紹了該平臺的功能及設(shè)計，結(jié)合安全帽，并基于5G通信在礦井下帶來的優(yōu)勢，分析了它的實用性[10]。

1 5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下的必要性

隨著煤礦智能化、信息化發(fā)展，井下智能設(shè)備呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，實時數(shù)據(jù)達(dá)到GB/s級，對傳統(tǒng)的井下網(wǎng)絡(luò)造成巨大壓力[11]。5G具有大帶寬、低時延、廣連接能力，不僅是1項新的通信技術(shù)，更是1個開放的信息交換和處理系統(tǒng)[12]。作為新一代無線通信技術(shù)，5G的特性能為煤礦智能化提供高質(zhì)量的通信保障，為井下環(huán)境數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、高清音視頻通話、實時人員定位、人員安全監(jiān)測等方面提供重要的技術(shù)支撐，降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費用，節(jié)約人工成本，提升經(jīng)濟(jì)效益，保障人員安全[13]。

2 智能安全管控平臺功能及設(shè)計

井下人員需要實時佩戴多種防護(hù)設(shè)備，如安全帽、定位卡、手電筒等。傳統(tǒng)的防護(hù)設(shè)備僅能起到被動防御的作用或只具有單一的功能，設(shè)備過多導(dǎo)致攜帶負(fù)擔(dān)過大，還容易出現(xiàn)“煙囪化”“信息孤島”現(xiàn)象[14,15]。5G礦用智能安全管控平臺很好地解決了這個問題，它在傳統(tǒng)安全帽上集成了5G通信模組、主控模塊、電源模塊、SOS模塊、照明模塊、廣播模塊、撞擊/靜默/跌倒檢測模塊、生命體征監(jiān)測模塊、溫度傳感器、氣體傳感器、定位裝置等，提供了井下工作人員在生產(chǎn)過程中所需的絕大部分功能，是1種高智能化和高度集成的平臺。圖1為5G礦用智能安全管控平臺的架構(gòu)設(shè)計。

圖1 5G礦用智能安全管控平臺的架構(gòu)設(shè)計

5G礦用智能安全管控平臺包括數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)中心從核心模塊接收數(shù)據(jù)，并傳到數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊中，數(shù)據(jù)分析模塊會對采集到的信息進(jìn)行分析，如是否發(fā)生異常情況，氣體濃度是否超過閾值，并將結(jié)果回傳至核心模塊和控制終端，控制終端可以隨時查看數(shù)據(jù)信息或發(fā)出控制指令。其典型功能模塊包括如下部分。

2.1 核心模塊

核心模塊包括平臺的一些系統(tǒng)關(guān)鍵模塊：電源模塊、主控模塊、5G通信模塊。這部分是安全管控平臺的“大腦”和“心臟”，提供動力，匯聚和交互信息，主要包括音視頻接收模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、人員狀態(tài)模塊、緊急呼叫模塊和控制終端的信息，并反饋指令和信息至終端設(shè)備。

2.2 音視頻模塊

音視頻模塊主要由集成在安全帽上和平臺側(cè)的超清攝像頭、揚聲器、收音器、解編碼器等裝置組成。攝像頭和收音器將采集到的圖像和聲音數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄幗獯a模塊，再經(jīng)視頻流處理后通過5G通信模塊上傳至安全管控平臺，因此平臺側(cè)和端側(cè)可以進(jìn)行音視頻通話。

2.3 定位模塊

定位模塊主要考慮5G+超寬帶（Ultra Wide Band，UWB)單元，通過5G通信模塊將實時位置信息從UWB基站和5G分布式基站回傳到安全管控平臺。

2.4 人員狀態(tài)模塊

人員狀態(tài)模塊主要通過靜默、撞擊、跌倒、脫帽、生命體征傳感器實時監(jiān)測井下工作人員的狀態(tài)。如脫帽檢測，通過放置在終端裝置內(nèi)部的壓力應(yīng)變片的變化情況來檢測工作人員是否正確佩戴安全帽，當(dāng)檢測到違規(guī)佩戴或未佩戴，會發(fā)出告警信息，同時將警報通過5G通信模塊回傳到安全管控平臺，提示平臺端監(jiān)控人員。

2.5 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

環(huán)境數(shù)據(jù)采集包括氣體檢測模塊（瓦斯氣體、一氧化碳、硫化氫、氧氣等）、溫濕度檢測模塊、近電感應(yīng)模塊和粉塵濃度檢測模塊；分別采用MQ2瓦斯氣體傳感器、ZE07-CO一氧化碳傳感器、JXMH2S硫化氫傳感器、JXM-O2氧氣傳感器、HTU21D溫濕度傳感器、LN500近電感應(yīng)器和SDS198粉塵濃度傳感器。傳感器的輸出端與核心模塊相連并將數(shù)據(jù)回傳至安全管控平臺，當(dāng)發(fā)生異常情況，如氣體濃度超過閾值時，發(fā)出警報。

2.6 其他模塊

其他模塊主要包括照明模塊、廣播模塊和SOS模塊。照明模塊位于安全帽設(shè)備前端，廣播模塊位于側(cè)面，與核心模塊的輸出端相連；照明模塊根據(jù)環(huán)境光線手動或自動啟閉照明；廣播模塊由后臺人員操作，向現(xiàn)場工作人員下達(dá)廣播或當(dāng)環(huán)境監(jiān)測值達(dá)到閾值時自動開啟語音播報功能提醒現(xiàn)場工作人員；SOS模塊與核心模塊的輸入端相連，并把報警信息上傳至安全管控平臺，用于突發(fā)事件時現(xiàn)場工作人員向后臺人員求助。

3 5G礦用安全管控平臺的實用性分析

基于5G在煤礦井下的優(yōu)勢，5G礦用智能安全管控平臺也有著廣闊的前景。

（1）音視頻模塊。音視頻系統(tǒng)主要用于實時采集和傳輸井下人員工作及環(huán)境情況，目前礦井下常用的是固定式攝像機(jī)，只能安裝在特定位置，覆蓋范圍較小，不能對生產(chǎn)工作情況進(jìn)行全面監(jiān)控；且井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，粉塵覆蓋會極大影響攝像頭的清晰度和照射范圍，維護(hù)起來費時費力，從一定程度上阻礙了礦山智能化發(fā)展。智能安全帽上的攝像頭、收音器和安全管控平臺之間通過5G相連，既能利用5G的大帶寬，捕捉傳統(tǒng)固定式攝像頭不能拍攝到的畫面，又能與固定式攝像頭聯(lián)動，實時了解井下工作人員的狀態(tài)和工作情況；雙向語音通話解決了井上井下協(xié)作的空間困難，提高了井下工作效率。

（2）定位模塊。傳統(tǒng)的井下人員定位技術(shù)多為藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB，但在定位精度、傳輸距離等方面都有一定的局限性。采用5G+UWB定位技術(shù)，能利用UWB基站能耗低、抗干擾性強(qiáng)的特性，又能利用5G低時延和廣連接的特性將定位信息回傳至云平臺，克服了單一技術(shù)的短板，解決了井下人員實時定位問題。

（3）其他模塊。安全帽上的環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、人員狀態(tài)監(jiān)測模塊、廣播模塊、SOS模塊等，不僅能通過5G礦用智能安全管控平臺對作業(yè)人員進(jìn)行實時監(jiān)控提醒，提高工作效率，規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)，還能實時監(jiān)控人員身體和意外情況，有效保障人員安全。

5G礦用智能安全管控平臺可以看作是安全帽的井上指揮后臺系統(tǒng)。重點立足本質(zhì)安全“人、機(jī)、 環(huán)、管”4要素中的“人”，通過實時音視頻通話、定位、環(huán)境信息采集、人員狀態(tài)監(jiān)控等功能，動態(tài)跟蹤人員行為，辨識異常情況，及時發(fā)出告警信息；后臺指揮人員可以隨時掌握生產(chǎn)現(xiàn)場動態(tài)，當(dāng)發(fā)生安全事故時，根據(jù)采集到的信息，開展應(yīng)急行動，協(xié)助救援，最大程度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[16]。

4 結(jié) 論

煤礦安全始終是我國安全生產(chǎn)的重中之重。隨著5G網(wǎng)絡(luò)和煤礦井下智能化的建設(shè)，智能化平臺和終端設(shè)備被廣泛應(yīng)用，為了解決井上井下人員信息交互不及時不順暢、井下工作人員安全生產(chǎn)防護(hù)力度不夠等問題，本文提出了一種5G礦用智能安全管控平臺并分析了它的實用性。針對目前井下生產(chǎn)遇到的困難和安全問題，本文利用5G和物聯(lián)網(wǎng)賦能傳統(tǒng)安全帽，并結(jié)合5G礦用智能安全管控平臺，融入了音視頻通話、實時定位、環(huán)境感知、人員狀態(tài)感知、緊急呼救等功能，平臺具有高度的集成性和智能性，在煤礦智能化安全領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文分析了5G礦用智能安全管控平臺的業(yè)務(wù)模塊和架構(gòu)設(shè)計，并通過其在井下的功能論證了它的實用性。隨著5G在井下的覆蓋率不斷提升，5G礦用智能安全管控平臺也會越來越普及，并真正投入生產(chǎn)使用，提高生產(chǎn)效率，減少安全事故，助力煤礦行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和智能化發(fā)展。