张慧文

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727306)

0 引言

近年来，黄陵矿业二号煤矿始终坚持“科技强企”的战略，通过大力推广应用新技术、新工艺、新设备，着力解决制约安全生产的技术难题，把煤炭行业前沿科技成果转化为促进企业安全、高效、绿色发展的有效生产力，助推企业高质量发展。鉴于2020年3月，国家发展和改革委员会等8部委共同下发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，指出“煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑”，黄陵二号煤矿根据这一文件精神，逐步推进智慧矿山和智能化矿山的建设。

煤矿“新基建”是指以5G、数据中心、人工智能、工业互联网等新技术在煤矿应用所必需进行的数字基础设施建设。煤矿“新基建”并非仅指过去概念上的新通信设备、通信线路等信息基础设施，还应扩大至大数据分析、物联网、云计算、高速工业以太环网平台，以及先进数字智能终端、矿用机器人等各类智能装备[1]。

黄陵二号煤矿大采高智能化无人开采技术成功应用，实现智能工作面开采，但是存在传输方式仍为有线传输，数据传输时延高，且带宽有限；人员定位系统采用“四统一”的信息系统解决方案，但区域定位技术不能显示准确的人员位置信息；无轨胶轮车利用人员定位系统实现车辆区域定位，无语音调度通信，与集团公司和省煤监局检查要求不符等诸多缺陷[2-3]。作为一级标准化矿井，该矿结合自身发展需要，在考虑国际国内最领先技术的同时兼顾设备功能最大化利用，按照统一规划，统一实施的原则，建设一套能够融合有线、无线、广播及人员车辆安全监测与精确定位、智能矿灯系统的融合通讯系统，在解决存在问题的同时，也为该煤矿的智慧矿山建设打好坚实的基础。

1 系统概述

1.1 建设目标

基于黄陵二号煤矿实际情况，首先要建设一套5G专用环网，使之主干传输宽带达10万兆、单点上传带宽大于1 000兆[4]；然后以专网规划为依托，部署5G基站和融合基站，实现高精度人员定位、高精度车辆安全监控调度、智能矿灯管理、4K摄像仪的高清视频回传；其次井下所有覆盖的区域都能通过5G、4G或WiFi基站与地面实现数据传输，做到井上井下互通互联[5]。

实现在211工作面、420工作面、215掘进面、305掘进面覆盖5G信号，依托5G网络传输解决智能化采掘工作面数据传输，满足地面对井下的5G远程控制和采掘工作面全部高清视频的5G超大带宽上传。

实现在井下胶带巷、辅运巷覆盖4G+WiFi+UWB信号，为井下人员的精确定位，车辆的精确定位、智能矿灯管理系统、语音通信及数据上传提供网络通道。利用原有的“四统一”系统，整合和改造原有的RFID区域定位系统，实现对人员和车辆的精确定位、测速管控、行车安全监测管控、语音调度通讯、预警提醒、智能红绿灯、人员及车辆的轨迹查询等。要求满足静态的定位精度在0.3 m以内，动态精度在1 m以内，检测距离超过500 m[6]。通过智能定位矿灯，内置人员标识卡模块和语音通话模块，实现人员定位、语音通信及数据上传等功能，实现井下特殊岗位及重点人员生命体征监测。

除此之外，整合现有的有线调度系统、广播系统，将各系统之间数据打通，实现统一调度、统一管理。开放系统对接接口、协议，为煤矿的各信息系统提供基础通道支撑[7-8]。

1.2 建设内容

1.2.1 建设一套10万兆的全光工业核心主干环网

在黄陵二号煤矿的整体智能化设计方案中，井下融合各种系统基站建设需提前规划，因此设计采用支持分组切片技术的SPN设备组建井下的传输网络，主干采用48芯光缆传输，实现10万兆环网的网络建设，为5G、WiFi 6等网络以及各类端到端应用的建设提供高可靠、硬隔离、低延时、高带宽的传输网络[9]。新网络建成后，必须还能融合原有的网络系统，在地面与原有的工业网实现互联互通，确保新建网络与原有系统之间的兼容性和可靠性。主干网的拓扑图如图1所示。

图1 主干网拓扑图

1.2.2 建设5G+4G+WiFi+UWB无线融合系统

在211工作面、420工作面、215掘进面、305掘进面需要建设5G+UWB无线网络覆盖，数据通过5G实现高可靠、高速率、低延时上传，采用4G实现语音调度功能；实现智能化采掘工作面端到端的5G远程控制及4K高清视频的上传[10]。

在辅助运输大巷、胶带大巷、211、213、215、303、305、420工作面、机电硐室的建设4G+WiFi+UWB融合网络覆盖；利用UWB技术，实现人员车辆的精确定位、测速、超速告警等功能；后期可支持扩容WiFi 6、NB-IoT等无线网络，解决智能物联网及万物互联问题[11]。

1.2.3 车辆管理系统及智能单兵系统

车辆安全监控调度系统的建设，实现车辆的精确定位、测速、超速告警、行车安全监控、行车智能导航、“滴滴”叫车、智能红绿灯管控、车载语音调度等功能，并实现车辆在GIS地图上实时查看车辆的运行位置及运行速度等参数。

智能单兵系统建设，实现智能单兵系统的一键调度、组群对讲、移动广播、可视通话、执法记录等功能，以满足陕煤股份下发的《煤矿“四员两长”管理考核指导意见》的要求。

1.2.4 建设超融合调度通信平台

融合各系统，实现井下有线调度系统、应急广播、人员定位、车辆调度、无线通信、智能矿灯系统的统一管理、统一调度。融合现有区域定位入井人员信息“四统一”管理系统，实现以UWB精确定位技术为基础的管理系统。为目前的安全生产信息共享平台、省局的安全监控管理平台、监测监控系统及以后的信息系统提供数据接口、协议。

2 系统建设

2.1 建设框架

智慧矿山建设的整体框架示意如图2所示，框图展示了地面设备和功能模块的组成，以及井下主干网络和子系统功能模块的组成设备。

图2 智慧矿山集成各系统框架示意

2.2 工作面5G通信系统

以黄陵二号煤矿211、420工作面，215、305掘进面为建设背景，地面与运营商合作与公网对接。在地面部署1套5G的MEC核心网，包括2台网络交换设备。在井下部署11台SPN设备、4台BBU、4台RHUB和10台RRU基站。以“4G/5G全覆盖”的基本思路，在420、211工作面各部署5G RRU基站3个，215、305掘进面各部署5G RRU基站2个，并开通4G/5G网络授权。

在工作面回两侧各部署1台5G基站实现工作面切面5G信号的覆盖，实现采煤机信号(包括机载高清视频、传感中心、参数控制)通过5G网络传输至地面控制室和列车控制室；地面远程操作台和采煤机顺槽控制箱体内配置矿用无线转发器(5G CPE)和智能控制模块，实现地面控制室(列车控制室)与采煤机等设备的5G通信交互。以综采工作面的5G通信系统部署示意如图3所示。

图3 综采工作面5G通信系统部署示意

2.3 人员车辆精准定位系统

定位系统选择基于UWB的精确定位技术，具备500 m以上远距离测量、测量精度高，巡检周期短，工业以太网光纤通信，以及符合AQ 6210—2007煤矿人员管理系统技术要求的所有功能。

人员及车辆精确定位系统通过将读卡分站设置在井下关键地点，读卡分站采集到标识卡位置信息，通过接入主干环网，上传到地面计算机[12]。携带标识卡或者头戴智能矿灯的人员经过巷道的读卡分站识别监测点时，标识卡发射出来的信号立即被天线捕获，并通过系统网络的信息交换，将此人通过的路段、时间等信息传输至井上安全监控中心处理。如若进入到电子围栏限制区域，或者标识卡信息无效，系统会立即弹出报警弹窗，并发出语音报警，监控中心值班员收到信息后，将即刻根据应急预案的程序采取相应的措施。

2.4 智能矿灯管理系统

智能矿灯作为一款单兵装备集语音、拍照、视频、精确定位、蓝牙、无线等功能于一体，在具备丰富功能的同时可以开发人员唯一性检测功能，保证矿灯与人员的强连接，并可通过矿灯的蓝牙连接手环，将手环数据的上传，实现井下人员的动态健康管理，经过开发与井口的唯一性检测系统配合，可实现人员生命体征与出入井闸机的联动，进而控制体征不正常的人员下井。依托智能矿灯的精确定位与远程视频监控等功能，经过开发可实现人员行为的管理。

2.5 综合调度通信系统

结合原有的有线调度通信系统、应急广播系统等，并依托于“一张图”地理信息系统、5G通信技术和精确的定位数据，再升级成为智能融合调度通信平台，可提供人员所在区域内相关设备的信息，如固定本安电话、单兵智能物联终端、广播设备、视频监控设备、其他机电设备状态信息等，并且可以一键调用区域设备[13]。通过浏览器的方式以数字和图形的方式进行显示。利用融合调度软件可有效的将各个子系统进行融合或联动，实现统一调度监管和应急联动，并采用云维护实现系统的远程实时维护。

3 结语

黄陵矿业二号煤矿以10万兆工业环网为引领的数字化、网络化、智能化矿山建设，通过与5G、4G、WiFi 6、UWB融合通信，形成了矿井数据立体化高速传输模式，将井下信息传输提升到“高铁速度”，再将矿井各生产子系统按统一标准接入“智慧矿山管控平台”，所有数据存入统一数据库，通过“一张图”，达到数据的综合展示，实现了智能调度、智能生产、智能安全、智能决策等一系列应用，促进矿井人少化、无人化开采，由此把自己打造成为全国煤炭行业创新发展的典范。