黃陵二號煤礦多網融合通信系統設計

曹哲哲,王江龍

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷延伸,安全問題日益嚴重。目前許多煤礦存在通信技術不完善、應急設備資源配置不完善、技術落后的問題[1-3]。這些問題導致通信不暢。隨著計算機功能的提高,人工智能得到了快速發展[4-6]。近些年,人工智能技術被應用到包括煤礦行業的各個領域。然而受到通訊技術的限制,人工智能技術在煤礦井下的發展受到了制約。人工智能等AI技術十分依賴通信技術,落后的通信技術影響人工智能作用的發揮[7-10]。隨著通訊技術迅速發展,通訊在各種場合中得到應用并取得較大成功[11-13]。以黃陵煤礦為背景,介紹多網融合通信系統在煤礦的應用情況。

1 系統建設目標

1.1 解決的難題

系統主要解決“高清視頻回傳、數據量大、時延較高”、傳統的“數據承載能力低下”“地面與井下之間調度難”“傳統技術下井下人員/車輛位置信息獲取難”、井下無線傳輸網絡的冗余連接這5大問題,并促進井下交通“從人工走向智能”的形態轉換。

5G技術的大帶寬、低延時和廣連接能夠解決煤礦智能化開采中的數據同步傳輸、遠程實時控制和多傳感器集中接入的難題,云計算、AI和工業互聯網的結合能夠充分調動計算資源,高效挖掘和利用數據,綜合智能優化決策,實現煤炭智能化開采各系統的協調高效運行,推進煤礦智能化建設服務,從而達到工作面減人增效的目的。

在分組傳送網中,業務類型主要包括TDM業務和以太網業務。通過PWE3(端到端偽線仿真)實現TDM等業務的綜合承載,在PSN(分組交換網)中為多種業務提供透明傳輸通道。在通道中,用戶業務相互隔離,傳輸過程中業務屬性不發生改變。

PWE3集成原有的接入模式和現有的IP骨干網,減少CAPEX和OPEX。系統支持FlexE技術,該技術是在IEEE802.3的協議棧的RS(Regenerator Section)和PCS(Physical Coding Sublayer)層之間增加一個FlexE Shim層,將業務邏輯層和物理層隔開,通過綁定多條PHY鏈路來傳輸大流量的以太網業務,這樣邏輯層面可以實現鏈路捆綁、子速率、通道化等功能,同時可以方便實現網絡切片。

系統支持基于靈活以太網的網絡切片(Network Slicing)技術,傳輸網絡切片利用網絡拓撲資源(如內部資源的鏈路,節點,端口和網元)虛擬化,按需組織,形成多個虛擬網絡VNet(即切片網絡)。整體結構分為客戶租戶層,業務層,虛擬網絡層和物理網絡層。虛擬網絡(VNet)具有類似物理網絡的特點,包括獨立的管理平面,控制平面和轉發平面。每個虛擬網絡(VNet)可以獨立支持各種服務,例如EPL/EVPL,EPLAN/EVPLAN和其他部署。該服務在虛擬網絡上承載,物理網絡不知道該服務——實現物理網絡資源的解耦。

系統實現礦井的集群調度功能。4G無線通信系統不僅能支持專業的語音、視頻和數據集群等調度業務,而且能將視頻數據實時的進行回傳和分發,并且能夠實現會議、錄音、強插、監聽、一鍵緊急呼叫等功能。

系統包括人員/車輛位置信息監測功能為行業內最新一代的UWB精確定位技術,核心是UWB(ULTRA-WIDE BAND)超帶寬無線沖激脈沖調制技術。UWB作為一種新興的無線技術,憑借眾多優勢得到廣泛關注,是因為UWB采用納秒級窄脈沖進行信息的傳輸,主要應用于短距離通信領域。針對傳統無線技術在通信過程中存在的種種問題,如信道窄、容量小、易受干擾等,超寬帶技術開發了一個具有超大容量的新型無線信道。基于以上技術支持,UWB具有超高信號帶寬、對信道衰落高度免疫、時間分辨率極高、穿透力強、功耗小、測距精度高、系統成本低等諸多優點,使其對復雜環境的適應性更強,相比于其他無線定位技術更適合應用于煤礦井下限員作業特殊封閉區域的精確定位,更能夠給煤礦井下高精度定位系統的實現帶來新的發展機遇。

系統利用井下先進的WiFi無線傳輸通信技術,將地面超融合調度通信平臺、礦用本安手機以及礦方其他的終端設備通過無線的方式進行緊密的連接,井下建設的融合型分站KT552-F內包含WiFi無線通信功能板卡,只需要安裝若干個融合分站。

為了減少井下運輸事故的發生,提高井下運輸的效率,同時滿足煤礦的安全生產需求,車輛輔助運輸管理系統基于UWB精確定位及4G無線通信技術的智能車輛輔助運輸管理系統。該系統根據井下車輛的位置、運行狀態進行用車調度,紅綠燈區間閉鎖控制,同時車內后續可擴展安裝智能車載終端和對應的前后車載攝像頭,以采集車前/車后的視頻信息。

1.2 系統目標

建設一套基于“5G+4G+WiFi”多網融合通信及UWB精確定位系統,覆蓋井下必要巷道和區域,其中2個綜采工作面和2個掘進工作面采用5G無線通信網絡,其他區域采用4G+WiFi無線通信網絡。建設一套10萬兆工業環網,作為整體系統的中樞“硬核”傳輸通道;建設一套無軌膠輪車管理系統;本項目所需的軟硬件、傳輸線纜等采購、施工、安裝、調試。

整個系統建設完成后,將實現以下建設目標:井下重點區域覆蓋5G信號,其余必要的巷道覆蓋4G、WiFi和UWB信號,與地面平臺實現數據傳輸,做到井上、下各系統互聯互通。2個綜采工作面和2個掘進工作面覆蓋5G信號,實現端到端的5G遠程控制;工作面實現5G超大帶寬上傳及工作面4G通信、UWB精確定位等功能。井下膠帶大巷、輔運大巷及關鍵硐室4G+WiFi+UWB信號的全覆蓋,實現井下人員、車輛的精確定位、語音通信等功能,并且靜態的定位精度在0.3 m以內,動態精度在1 m以內。井下特殊崗位人員運動狀態、生命體征實時監測。整合現有的有線調度系統、廣播系統,各系統之間數據互聯互通,實現統一調度,并且開放系統數據接口和協議。

2 整體設計概述

系統包括:一套5G無線通信系統、一套4G無線通信系統、一套UWB精確定位系統、一套10萬兆全光網絡F5G環網系統、一套車輛輔運管理系統、一套視頻監控系統和一套超融合集中管控系統。系統架構示意如圖1所示。

圖1 系統整體示意

2.1 整體設計理念

系統基于“4+3+N”的系統框架,以及“多網多融合”的智能化礦山的設計理念。

“4+3+N”的系統架構之“4”個上層平臺:十萬兆環網網絡平臺、5G大數據傳輸平臺、統一通信調度平臺和智能綜合管理平臺。

“4+3+N”的系統架構之“3”個核心設備:十萬兆環網核心設備、5G基站核心設備和融合型基站。

“4+3+N”的系統架構之“N”個終端設備:定位礦燈、智能礦燈、智能手機、智能車載終端、智能手環、智能攝像儀等,如圖2所示。

圖2 系統框架示意

“多網多融合”的理念,即井下采用一臺4G+WiFi+UWB+網絡接口的多功能型基站,實現4G無線信號覆蓋、WiFi無線信號覆蓋、UWB精確定位信號和開放網絡設備接入功能,如圖3所示。

圖3 多網多系統融合設計理念

2.2 設備感知層

設備感知層是以物聯網等技術為核心,主要通過移動設備、多功能分站將礦井前端感知到的生產數據、管控數據、人員和車輛的地理位置數據、智能化應用和成果數據進行集中采集,是智能礦山的支撐體系。

2.3 基礎設施層

基礎設施層也稱網絡傳輸層,是設備感知層和數據支撐層的橋梁,主要是利用井下視頻有線專網和有線、無線網絡(5G、4G、WiFi、UWB)等將設備感知層采集到的數據進行傳輸。

2.4 數據支撐層

數據支撐層是由煤炭企業基礎信息、共享交換信息、業務信息、物聯網信息、互聯網信息建立的數據庫,實現數據融合與應用融合。

2.5 應用決策層

應用決策層面向不同業務部門實現按需服務,通過智能安全監測、智能視頻分析、車輛智能運輸、智能接入網關、智能調度管理來實現安全生產閉環管理、智慧決策支持和深度應用,并通過PC應用端、移動APP、調度大屏(可利舊現有)、門戶網站多種方式進行展示,實現企業不同用戶需求。

響應招標要求并結合實際情況,設計為二號煤礦企業打造智能礦山的6大系統。主要包括5G無線傳輸系統(含5G智能應用終端)、4G無線通信系統、井下“4G+WiFi+UWB”一站接入式融合平臺、UWB人員與車輛精確定位系統(含人員單兵智能裝備和二/三維切換展示功能)、車輛輔助運輸及管理系統(含車載調度終端、智能紅綠燈和井口智能放行功能)和10萬兆網絡承載傳輸系統。

3 預期效益

3.1 預期經濟效益

系統整體應用云計算、物聯網、大數據等為代表的新一代信息技術與傳統煤炭行業技術融合創新,構建結構合理、功能完整、安全穩定、管控有效、服務全面的智慧運行體系。通過建設這套煤礦智能化系統,新一代信息技術與傳統煤炭行業技術融合創新可實現產業賦能升級,推動煤炭行業高質量發展。

3.2 預期社會效益

系統整體結合企業實際,以“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念為引領,適應經濟新常態、能源發展新格局和供給側結構性改革的新要求。以提質、增效為中心,以改革創新為動力,以升級轉型為主線。數字化和信息化技術日益發展,促使人類生產和生活邁向新的階段。隨著礦山技術和市場的不斷轉型升級,礦山競爭的核心已經由傳統的資源競爭逐漸轉化為高度信息化、集成化的科技競爭,智能化礦山建設應運而生。

項目實施完成后,最終將能夠節省運營成本,提升生產效率,對實現科學管理具有十分重要的意義,對促進企業戰略管理和兩化融合體系管理在煤礦行業的應用具有重要的推動作用。

4 結論

(1)解決高清視頻回傳、數據量大、時延較高、數據承載能力低下、地面與井下之間調度難、傳統技術下井下人員/車輛位置信息獲取難、井下無線傳輸網絡的冗余連接問題,促進井下交通“從人工走向智能”的形態轉換。

(2)通過井下1臺4G+WiFi+UWB+網絡接口的多功能型基站,實現4G無線信號覆蓋、WiFi無線信號覆蓋、UWB精確定位信號和開放網絡設備接入功能。

(3)該系統可實現產業賦能升級,節省運營成本,提升生產效率,推動煤炭行業高質量發展。