煤矿井下4G通信系统的设计与应用

李超

摘 要：为满足煤矿井下复杂条件下的无线通信需求，设计了一套煤矿井下4G通信系统，首先介绍了平煤八矿工业环网结构和通信系统现状，然后详细介绍了系统的设计方案。经实际应用表明：该系统实现了基于4G的移动通信、调度、控制及信息采集功能，对保障矿井安全生产及智能化建设具有重要意义。

关键词：4G通信;无线通信;智能化;安全生产;工业环网

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：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

煤矿井下地质条件复杂多样，瓦斯、煤尘、水、火、顶板等自然灾害严重，管理工作极其复杂、繁重，因此，努力提升安全生产技术水平，一直是煤矿企业追求的主要目标。井下通信系统是保障矿井安全生产管理必不可少的设施，主要包括有线通信、泄漏通信、小灵通通信和无线对讲通信系统[1]。其中，有线通信只能在固定地点;泄漏通信距离短，需要单独组建网络，只能应用于机车调度通信;小灵通通信和无线对讲通信系统的设备构成复杂，需要单独布线，并且受频段限制，不能进入采掘工作面。针对这些问题，本文结合平顶山天安煤业股份有限公司八矿（以下简称“平煤股份八矿”）的实际情况，设计了一套适用于煤矿井下环境的4G通信系统。

1 平煤股份八矿工业环网结构

平煤股份八矿已建成井上、井下万兆工业以太環网，采用主干网万兆、分支网千兆，大环套小环的环网拓扑结构，如图1所示。其中，井下安装了5台万兆工业交换机和8台千兆工业交换机，地面中心机房安装了2台万兆工业核心交换机，地面煤楼、新副井、主井共安装了3台千兆工业交换机，构成一个统一的矿井通信传输系统，为4G通信系统建设提供了网络传输基础。

2 平煤股份八矿通信系统现状

平煤股份八矿已建成数字程控电话系统、小灵通系统、扩音电话系统。在调度室安装有数字程控电话调度通信系统，该系统配有两台程控电话调度通信平台，用于指挥日常的生产活动。小灵通系统采用微蜂窝技术，将用户端以无线的方式接入程控电话网，可在无线网络覆盖范围内自由移动使用，随时随地接听，是程控电话的有效延伸和补充。井下扩音电话系统主要分布在轨道斜巷、主煤流皮带巷、掘进巷道、采煤工作面、大巷人车等候点、上下井口等地点，实现应急扩播和井上、井下对讲。由于已经建立的各通信系统建设厂家不同、建设时间不同，导致各自相互独立，线路重复铺设，系统可靠性极差，系统维护量大且不能满足现有业务需要，系统集成的综合效益低下。

3 通信系统设计方案

通信系统设计的核心思想是在保证基本4G通信功能的前提下，实现4G系统与现有程控电话、小灵通、扩音电话系统之间的互联互通，并通过安全生产信息共享平台移动终端应用软件将现有视频监控系统、皮带集控系统、泵房排水自动化系统等自动化子系统进行融合，实现各自动化系统之间的互联互通。同时，在移动终端可以实时显示各系统的运行工况，接收各类故障报警等信息，实现井上、井下集控数据、音频、视频与其他系统的联动监控，从而实现移动远程集中控制。

3.1 系统总体架构设计

系统以4G无线通信网络和TCP/IP通信协议为基本架构[2]，以井上、井下工业环网作为整个系统的主干传输通道，形成有线主干和无线终端相连接的方式，覆盖地面工业广场、大巷、斜巷、采煤工作面等主要工作场所。系统包括地面和井下两部分：地面设备主要有4G核心网络设备、综合业务交换调度机、网络管理系统、地面用4G基站等;井下设备主要有矿用本安型4G基站及配套电源、本安手机等。4G核心网络设备与井下本安型基站之间采用万兆以太网传输，基站可以就近接入工业以太环网。系统总体架构如图2所示。

3.2 系统主要设备功能设计

3.2.1 地面设备设计。由上述内容可知，地面设备主要有4G核心网络设备、综合业务交换调度机、网络管理系统、地面用4G基站等。现对每个设备进行详细分析。

4G核心网设备安装在地面调度室机房，接入万兆核心交换机，实现无线手机用户的交换调度、与外部语音数据网络的互联互通等功能。

综合业务交换机具备冗余功能，主机和副机具备相同的静态数据，保持基础静态数据一致，同时副机具备数据自动增量同步功能。

网络管理服务器是检视网络上所有节点如何执行命令的计算机，通过工业网络与其他设备相连接，是系统的操作和维护面板，提供系统的性能、安全、配置、告警、软件和网络健康等管理功能。

多媒体调度机采用先进的软硬件技术、电信级的设计，保证了设备的高可靠性。为调度室值班人员提供可视化交互界面，支持主分调度台模式，可为分调度台分配权限，实现调度指挥的统一管理和分级调度。

地面信息传输接口主要包括主控传输板、基带处理板、电源与环境监控单位等功能单板，提供4G基站与核心网设备的物理连接，处理数据传输协议。

3.2.2 井下设备设计。由上述内容可知，井下设备主要有矿用本安型4G基站及配套电源、本安手机等。现对每个设备进行详细分析。

基站集成BBU+RRU功能，满足矿用本安设计要求，支持与井下工业以太网交换机连接;信号覆盖半径为300～500 m;基站安装位置及数量根据人员密度、话务量等具体情况采用分区设计，在长且直的主巷道安装基站;在巷道的拐弯位置、坡度的拐点以及石门位置附近可以通过增加天线的方式，实现对4个方向的信号全覆盖。

手机采用本安型矿用4G三防手机，支持对讲专用按键，可适配多平台集群调用系统，用于集群调度应用。支持专网内移动电话的互通、内网移动电话与固定电话的互通、专网与公网的互通;具有中继汇接功能;提供开放的接口，可扩展与矿山业务相关的移动互联网应用功能。

开发了智能矿山及安全生产信息共享一体化平台移动终端应用软件，利用4G更高的数据带宽，实现话音、视频通话;视频监控;多媒体调度;多方语音、视频会议;数据传输;井下移动安全生产管理。

3.3 系统主要技术参数设计

技术制式：4G LTE;工作频段：1.8 G（1 785～1 805 MHz）;具有宽带集群（B-TurnC）产业联盟颁发的宽带集群B-trunc产品认证证书;基本业务需求：语音、专业数字集群业务为主，数据业务为辅[3-5]。

3.3.1 4G核心网设备。核心网需要支持ATCA架构;具有容灾备份能力，两套相同的核心网可组建主备功能的网络，业务倒换的中断时间≤5 min;最大基站用户数不低于100;最大用户数不低于8 000;最大并发群组数不低于512;最大并发语音数不低于1 024个;数据转发带宽不低于2 Gbps;网管系统要求能够在图形化拓扑界面上显示网元的状态，能够测量网络性能和统计数据，能够向标准Office应用程序输出QoS数据，要求支持基站自动发现功能并且归入管理网元，要求支持在线监控系统性能状态;能够管理终端型号、放置位置等信息，监视终端在线状态;嵌入硬盘支持RAID1冗余配置，磁盘阵列支持RAID5+热点冗余配置。

3.3.2 地面用射频拉远单元。提供相应的工信部型号核准证;所投LTE射頻单元，需要提供工信部无线电管理局核发的无线电发射设备型号核准证;RRU单级拉远距离≥10 km;最低覆盖半径≥2 km;天线增益≥15 dBi;天线发射角度≥120°;设备MTBF>100 000 h;4通道RRU;基站级联：最大不低于6级级联;工作电压为直流48 V;提供24个千兆光口，2～4个模块接口，支持光口、电口。

3.3.3 矿用隔爆兼本安型基站。提供相应的工信部型号核准证;所投LTE射频单元，需提供工信部无线电管理局核发的无线电发射设备型号核准证;RRU单级拉远距离≥10 km;天线增益≥15 dBi;直线覆盖半径不小于800 m;设备MTBF>100 000 h;双通道RRU;基站级联：最大不低于6级级联，且各基站之间切换稳定平稳。工作电压为直流48 V;提供24个千兆光口，2～4个模块接口，支持光口、电口。

3.3.4 矿用本安型手机。防震等级：IP67;内存不小于4 G+64 G;Android 操作系统不低于6.0;屏幕不低于127 mm;蓝牙4.1;支持快速充电功能;支持GPS和北斗导航功能;前置摄像头不低于800万像素，后置摄像头像素不低于1 200万像素。重力感应器，光感应器，支持802.11b/g/n无线通信协议;专用PTT对讲键;支持1 447～1 467 MHz，1 785～1 805 MHz。

4 结语

该系统已在平煤股份八矿进行应用，实现了井上、井下4G信号全覆盖，能满足矿井的采煤、掘进、调度、安全、机电、运输、监测、排水、通风等井下各个生产环节的通信联络需求，并且支持语音、视频、数据三大业务的全面承载，为建设现代化安全、高效矿井提供有力支撑，在煤炭行业具有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1]杨娟，郭江涛.WiFi通讯技术在煤矿井下的应用[J].煤矿安全，2008（2）：49-51.

[2]李炜键，孙飞.基于4G通信技术的无线网络安全通信分析[J].电力信息与通信技术，2014（1）：127-131.

[3]李美艳.基于LTE技术的煤矿无线通信系统[J].山西电子技术，2014（2）：54-55，96.

[4]贾咏洁.基于Android平台的煤矿井下智能物流软件设计[J].电子世界，2019（1）：189-190.

[5]张琦.浅谈斜沟煤矿井下无线通信网络规划建设方案[J].能源技术与管理，2018（6）：169-170.