一、研究背景

礦井無線通信系統(tǒng)可分為全礦井無線通信系統(tǒng)和局部無線通信系統(tǒng)（裝置）兩大類：全礦井無線通信系統(tǒng)傳輸帶寬大、覆蓋范圍廣，一般布置在井下巷道、硐室和采掘工作面等作業(yè)點，滿足礦井語音、圖像和部分數(shù)據(jù)的接入需求，如 4G，WiFi（IEEE 802.11b/g/n/ac），5G，WiFi6（IEEE 802.11ax）等系統(tǒng)；局部無線通信系統(tǒng)（裝置）主要解決礦井局部區(qū)域傳感數(shù)據(jù)采集上傳和局部語音通信的需求，如漏泄通信、中頻感應(yīng)通信、ZigBee 和 UWB 等系統(tǒng)（裝置），少數(shù)也有 WiFi 用于礦井局部通信的情況。本文主要討論全礦井無線通信系統(tǒng)。

二、礦井無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

從全國規(guī)模以上礦井來看，小靈通、2G和3G（CDMA2000、TD-SCDMA、WCDMA）通信系統(tǒng)已逐步被取代和淘汰，4G無線通信系統(tǒng)、WiFi無線通信系統(tǒng)使用較為普遍，而近兩年新投入的5G和WiFi6無線通信系統(tǒng)目前還處于起步階段。

1、4G無線通信系統(tǒng)

礦用4G無線通信系統(tǒng)主要功能：① 音視頻通信。提供語音、視頻、短信等業(yè)務(wù)通信功能。② 多媒體集群調(diào)度。支持語音、視頻、短信、數(shù)據(jù)等集群調(diào)度業(yè)務(wù)及實時視頻、數(shù)據(jù)回傳分發(fā)功能，具有組呼、群呼、強插、強拆、會議、錄音和監(jiān)聽等功能。③ 視頻監(jiān)控。通過井下攝像儀及手機終端攝像并回傳，實現(xiàn)即時視頻監(jiān)控。④ 數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)及各種傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)取?/span>

礦用4G無線通信系統(tǒng)主要優(yōu)點：① 組網(wǎng)靈活。4G采用全IP的分布式結(jié)構(gòu)，融合性好，可與WiFi等不同無線技術(shù)在同一架構(gòu)下實現(xiàn)融合、共存，并可方便地與采用軟交換技術(shù)或IP-PBX交換機的有線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度通信系統(tǒng)融合，形成井上下有線無線一體化的綜合調(diào)度通信系統(tǒng)。② 覆蓋范圍廣。礦區(qū)地面基站覆蓋半徑不小于5 km，井下覆蓋范圍800 m，并能適應(yīng)不同規(guī)模組網(wǎng)，大大減少基站數(shù)量。③ 技術(shù)和產(chǎn)品成熟。4G系統(tǒng)穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應(yīng)性不斷提高，終端設(shè)備相對豐富。

礦用4G無線通信系統(tǒng)主要缺點是帶寬和實時性指標方面無法達到高清智能視頻和遠程控制等應(yīng)用場景的需求。

2、5G無線通信系統(tǒng)

5G在煤礦的可應(yīng)用場景：① 超可靠、低時延通信。無人駕駛運輸、設(shè)備遠程操控、移動設(shè)備實時監(jiān)控、煤礦機器人控制等。② 增強型移動寬帶。井下視頻監(jiān)控、語音通信、廣播調(diào)度、智能終端、虛擬礦山構(gòu)建、混合現(xiàn)實采礦等。③ 低成本、低能耗、廣連接。井下電子圍欄、車輛運輸管理、智能穿戴設(shè)備、安全系統(tǒng)監(jiān)控、作業(yè)安全監(jiān)控、人員精確定位等。

礦用5G無線通信系統(tǒng)的推廣和使用目前仍處于起步階段，終端方面5G手機、礦用CPE等已取得相關(guān)煤安認證，具備了井下應(yīng)用條件，涉及R16 NB-IoT的礦用產(chǎn)品暫未完成煤安認證。

5G具有傳輸速率高、時延小、并發(fā)能力強、可靠性高等優(yōu)點，但實際使用中存在以下問題：① 多系統(tǒng)、多天線情況下，無線發(fā)射信號的安全問題。根據(jù)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第１部分：設(shè)備 通用要求》，煤礦瓦斯氣體環(huán)境中射頻天線的發(fā)射功率不得超過６W，導(dǎo)致無線覆蓋范圍小、設(shè)備投資高、安裝維護工作量大等問題，不利于推廣。② 5G基站以隔爆兼本安型為主，質(zhì)量大、體積大，使用不便且使用場合受限。③ 5G終端生態(tài)匱乏，通信模組價格高、功耗大，不具備規(guī)模行業(yè)應(yīng)用條件。④ 實際應(yīng)用案例少，應(yīng)用場景有待進一步挖掘。

3、WiFi/WiFi6無線通信系統(tǒng)

目前WiFi/WiFi6無線通信系統(tǒng)主要用于以下方面：① 語音通話、語音調(diào)度。包括雙向通話、組呼、群呼、強插、強拆、會議、錄音和監(jiān)聽等。② 人員定位。利用場強大小和指紋特征等信息，判短手機持有人員所在大致位置。③ 視頻傳輸。WiFi的特點之一是大帶寬，可實現(xiàn)相對低成本但時延要求不高的視頻傳輸。

WiFi6無線通信系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳輸速率高等優(yōu)點，但時延偏高、移動性和可靠性相對較低，加上手機終端相對不夠成熟，影響了語音通話質(zhì)量。

三、智能礦井對無線通信系統(tǒng)的需求

智能礦井對無線通信系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在以下方面：① 大帶寬需求。滿足移動視頻監(jiān)控、虛擬礦山構(gòu)建、多媒體調(diào)度等大數(shù)據(jù)傳輸需求。② 低時延、高可靠需求。保證語音、高清視頻的傳輸質(zhì)量和遠程控制功能的及時性和可靠性。③ 多接入需求。滿足大量機電設(shè)備運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等傳感器數(shù)據(jù)的接入。④ 多系統(tǒng)多接口需求。滿足環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、IP廣播系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)及各種傳感器對接口的不同要求。⑤ 位置信息需求。人機作業(yè)安全、智能協(xié)同作業(yè)、無人化運輸、井下機器人等應(yīng)用都離不開對位置信息的需求。

四、礦井無線通信系統(tǒng)展望

1、系統(tǒng)融合

① 無線通信和有線通信融合。業(yè)務(wù)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻等媒體的多制式融合通信。② 無線通信內(nèi)部融合。③ 無線通信系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的融合。除滿足雙向語音通信需求外，實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)上傳和指令有效下達。

2、通信定位一體化

① 通信系統(tǒng)和定位系統(tǒng)一體化設(shè)計，基站中既有通信的模組，也包含定位的模組，射頻部分和天線部分視使用頻段具體設(shè)計，可以是共用的，也可以是獨立的。② 直接利用通信系統(tǒng)實現(xiàn)定位功能，使用新的編碼方式、大規(guī)模天線陣列、毫米波頻譜等，為高精度距離和角度測量提供支持，可望實現(xiàn)米級的位置監(jiān)測。

3、設(shè)備本質(zhì)安全

通信設(shè)備尤其是礦用通信設(shè)備最基本的要求就是不能斷電，特別是在有災(zāi)害發(fā)生的情況下。因此，無線通信設(shè)備的本安化設(shè)計顯得尤為必要。

4、終端模組低功耗

終端尤其是傳感設(shè)備采用電池供電方式，要求一次更換周期6個月以上，這就要求終端模組必須是低功耗的。

5、協(xié)議接口規(guī)范化

無線通信和定位相關(guān)技術(shù)規(guī)范與標準的制定、頒布迫在眉睫，如涉及通信和定位的物理接口、空中協(xié)議、傳輸規(guī)范、數(shù)據(jù)交互等。

引用格式

霍振龍.礦井無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J/OL].工礦自動化:1-6.

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x. 17492.

HUO Zhenlong.Current situation and development trend of mine wireless communication system[J/OL].Journal of Mine Automation:1-6. DOI:10.13272/j.issn.1671-251x. 17492.

作者介紹

霍振龍（1965—），男，江蘇常熟人，研究員，國務(wù)院特殊津貼獲得者，中煤科工集團常州研究院有限公司首席專家，長期從事礦井通信和人員定位系統(tǒng)的開發(fā)工作，主持和參與科技部相關(guān)項目10余項，獲省部級科學(xué)技術(shù)特等獎1項，省部級科學(xué)技術(shù)一等獎5項，獲授權(quán)發(fā)明專利8項，現(xiàn)為《工礦自動化》編委、中國煤炭學(xué)會第五屆煤礦自動化專業(yè)委員會委員。E-mail:hzl@cari.com.cn。

來源：工礦自動化