现代化矿井通信技术与系统

提出了由矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统和矿井救灾通信系统等组成的煤矿井下通信技术体系。提出矿用调度通信系统应采用矿用有线调度通信系统。提出全矿井移动通信系统宜采用WiFi、3G、4G等通信技术。提出矿井广播通信系统既可采用矿用有线调度通信系统远程供电广播技术,也可采用基于以太环网和无源光网络的IP通信技术。提出矿井救灾通信系统应采用无线多媒体通信技术,宜采用WiFi和MESH等通信技术。提出矿井移动通信系统应满足手机脱网通信、基站脱网通信、无线自组织网络、接入煤矿井下有线宽带传输平台等要求。指出在手机脱网通信、接入煤矿井下有线宽带传输平台、无线自组织网络、矿用无线摄像机、基站脱网通信、多功能矿井移动通信系统、矿井无线宽带传输等方面,WiFi优于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。提出多功能矿井移动通信系统和矿井无线宽带传输宜采用WiFi。     

矿井应急通信系统

分析了现有矿用通信系统用作应急通信系统的可行性:漏泄通信、感应通信、多基站移动通信、广播通信和救灾通信系统不能用作应急通信系统;矿用有线调度通信系统可用作矿井应急通信系统;透地通信系统可用作应急通信系统,但事故会造成长达百余米的井下发射天线损坏,影响井下向地面通信。提出了无线中继矿井应急通信系统:采用多级无线中继,无线传输距离不小于10km;井下电网停电或事故后,由备用电源供电;将基站、基站电源、基站电缆设置在机电硐室或加以防护;天线馈线埋入巷道,天线采用弧形或流线型结构紧贴巷帮或顶板;天线、基站及其电源、天线馈线、电缆等采用防水、防高温、防冲击设计;基站采用冗余布置。提出了无线+有线双链路矿井应急通信系统:具有有线和无线路由自动选择功能;有线网络结构宜选用抗故障能力强的星形结构、双树形结构或树形结构;双树形结构的电缆或光缆应设置在不同的巷道,或采用不同的电缆或光缆;基站与地面调度室之间没有需要供电的设备;采用树形或双树形结构的光缆时,应选用无源光网络。     

煤矿事故特点与煤矿通信、人员定位及监视新技术

分析了2009—2013年全国煤矿较大及以上瓦斯、水害和顶板事故特点:发生在采掘工作面事故最多,事故起数和死亡人数分别占78.54%和78.80%。提出移动通信、广播通信、救灾通信系统不宜用作矿井应急通信系统;矿井透地通信系统可用作矿井应急通信系统,但性价比低。提出将矿用有线调度通信系统用作矿井应急通信系统,具有性价比高的优点:将电缆埋入巷帮与底板夹角处;将井下电话机设置在硐室内,并加强防护;减少电缆接头,提高电缆接续的防水性能。分析了煤矿井下"智慧线"通信存在的问题:无中继传输距离短;本质安全型防爆制约供电距离;不能用于大容量主干传输;易发生短路等故障;外护套不耐爆等。     

煤矿井下有线宽带信息传输研究

指出要实现煤矿井下固定岗位无人值守、综采和综放等采煤工作面少人作业,应装备具有地面远程控制功能的煤矿监控系统、监视系统、矿用调度通信系统和矿井移动通信系统等;提出矿井信息传输系统应满足传输带宽宽、有线与无线相结合、抗故障能力强、传输距离远、可靠性高、标准化、安全性好等要求;在分析星型、环型、树型和总线型等煤矿井下有线传输网络结构优缺点的基础上,提出了双巷双缆、单巷双缆、单缆双树冗余结构,认为理想的煤矿井下有线传输网络应采用双巷双缆或单巷双缆双树冗余结构;提出煤矿井下有线宽带传输应采用基于无源光网络的矿用以太网或基于有源光网络的矿用以太网的观点,并提出了这两种矿用以太网的主要性能与技术指标要求。     

智慧矿山与5G和WiFi6

宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键。提出了矿井宽带无线通信特殊要求:需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道;无线发射必须本质安全防爆;无线工作频段不宜过高;无线传输宜具有一定的绕射能力;抗干扰能力强;移动性要求不高等。研究了矿用5G和WiFi6,指出5G和WiFi6均可用于智慧矿山宽带无线通信;矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量高等优点,但系统复杂、成本高;矿用WiFi6具有传输速率高、系统简单、成本低等优点,但传输时延大、通话质量低。     

矿井移动设备无线宽带传输关键技术研究

针对矿井移动设备难以监控的问题,提出了基于有线/无线混合网络平台的矿井移动设备无线宽带传输系统;给出了系统架构,研究了矿井复杂巷道无线信号传输理论、移动设备定向无线漫游切换、矿井长距离多跳链状传输等关键技术;介绍了矿用无线交换机、矿用无线中继装备、矿用无线终端、矿用智能综合接入网关等系统核心设备的设计;探讨了该系统在无极绳绞车无线视频监控系统中的应用模式。     

煤矿智能化与矿用5G

针对煤矿井下电气防爆、无线传输衰减大等特点,分析了矿用5G技术和适用范围:矿用5G宜采用本质安全型防爆;用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力;采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G;煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G;没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi移动通信系统;严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统;没有针对煤矿安全监控特点研发的矿用5G不能替代煤矿安全监控系统;没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G定位精度低于矿用UWB精确定位系统;450～6 000 MHz频率范围的矿用5G传输速率低于矿用WiFi6;没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G可靠性低于矿用有线监控系统。指出了亟需针对煤矿井下安全生产特点,研发矿用5G,而不仅仅是对现有地面5G产品进行防爆改造。     

矿井移动通信的现状及关键科学技术问题

分析了矿井移动通信特点;分析了矿井漏泄、感应、透地、PHS(小灵通)、CDMA等通信系统;提出了"有线/无线转换器+基站"和"基站+交换机"的网络结构;提出并研制成功了WiFi矿井移动通信系统;提出了矿井移动通信关键科学技术问题:(1)矿井无线传输理论;(2)无线电与天线矿用本质安全防爆理论;(3)矿井移动通信网络结构、调制方法、信令等。     

全矿井融合通信系统研究

针对煤矿井下各系统独立运行、基站数量多且无线数据传输带宽不足等问题,采用LTE技术设计了一种全矿井融合通信系统。该系统通过综合基站对井下无线通信、人车精确定位、IP电话、语音广播等多业务进行统一接入、承载和管理,并可与现有业务平台对接。测试结果表明,该系统的综合基站覆盖半径为400m,信号接收强度不低于-105dB,基站间无线通信切换时间为21.67ms,无线通话质量较好。     

矿用5G通信演进技术研究

矿用5G是智能矿山建设的基础,为满足智能矿山多样化的应用需求,需要依托5G通信演进技术推动矿用5G通信演进系统的实现。梳理了矿用5G技术研究及系统部署现状：矿用5G初步实现了音视频通话、高清视频分析、装备远程控制等应用,但存在终端形态单一、上行链路负荷较重、5G通信系统与定位系统分立建设等问题。分析了3GPP Release 17的5G通信演进技术在矿用5G通信中的适用性,指出RedCap轻量化终端技术、NR直连通信技术、NR定位技术将成为矿用5G通信演进的关键技术。研究了矿用5G通信演进关键技术：RedCap轻量化终端技术能够满足矿用无线传感器、单路无线传输的矿用视频监控设备、智能矿灯、智能穿戴设备的低功耗、低成本的多模态终端研发需求;NR直连通信技术应用于矿井自动驾驶车载终端与巷侧设备、应急通信中继设备,可满足矿井自动驾驶和应急通信的低时延、高可靠传输需求;NR定位技术应用于矿井通信定位一体化,可满足矿井通信定位系统融合的技术需求。提出了矿用5G通信演进系统架构,为建设矿用5G全连接矿井、支持多链路无线接入、实现通信感知一体化提供了方向。     

矿用5G频段选择及天线优化设置研究

矿井无线通信和矿用5G移动通信技术是煤矿智能化关键技术之一。为提高煤矿井下无线传输距离、绕射能力及无线通信系统的稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量,研究了矿用5G工作频段和基站天线位置对无线传输损耗和传输距离的影响。主要结论如下:①煤矿井下无线发射功率受本质安全防爆限制,接收灵敏度受电磁噪声限制,天线增益受本质安全防爆和巷道空间限制。在煤矿井下无线发射功率、接收灵敏度、天线增益受限的情况下,应通过优选无线工作频段和优化天线设置位置,提高矿井无线传输距离和绕射能力,提高系统稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量。②矿用5G工作频段应优选700 MHz。煤矿井下700 MHz频段与现有5G其他工作频段2.6,3.5,4.9 GHz相比,具有无线传输损耗小、无线传输距离远、绕射能力强、基站用量少、组网成本低和维护工作量小等优点。③提出的传输损耗/位置变化率分析方法便于分析巷道横向不同区域位置变化引起的无线传输损耗变化情况。④无线基站天线应靠近巷帮设置,距巷帮不小于0.01 m,垂向位于巷道高度约2/5处。这样既不影响行人和行车、便于安装维护,也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求。⑤矿用手机、人员定位卡、便携式无线甲烷检测报警仪、多功能无线矿灯、便携式无线摄像机、便携式无线仪器设备、可穿戴无线设备、车辆定位卡、车载无线设备、无线摄像机、无线传感器、物联网设备等无线终端,在不影响使用的条件下应尽量靠近巷道中心,以提高无线传输距离。     

基于电信公网实现的煤矿CDMA无线通信系统

介绍了一种基于电信公网建成的矿用CDMA无线通信系统。该系统将电信CDMA公网信号引入井下,使井下CDMA系统和地面已有的电信CDMA公网形成一体,可确保矿区无线信号的覆盖,同时手机用户也可以在全国自由漫游使用;在CDMA网络平台上还能够扩展PTT对讲、数据与视频通信、手机远程监测安全隐患与管理等功能。     

5G通信技术及其在煤矿的应用构想

近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术,随着煤矿智能化建设的发展,现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术,阐述了第五代移动通信技术(5G)关键技术及其性能优势;给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式;结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,提出了5G通信技术在煤矿的应用场景,如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等;指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善,且由于5G网络对承载网要求较高,煤矿应预估部署成本,结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。     

矿井提升机自适应无线通信系统设计

目前,矿井提升机有线通信系统布线繁琐、检修复杂,而无线通信系统因发射功率、频率和天线辐射方向固定,存在无线通信距离有限、信号无法根据井筒形状和长度灵活覆盖、通信信号不稳定等弊端。针对上述问题,设计了一种矿井提升机自适应无线通信系统。该系统所有设备的数据均通过以太网接口输入,无线通信部分采用接收信号强度自动感知、工作频率和辐射波束自动调整的自适应天线,可以将无线摄像仪、无线电话等矿用设备进行无线互连,实现提升机、罐耳、油缸、钢丝绳及天轮等主要设施的视频监视、数据监测及语音通信。当提升机运行时,系统根据立井井筒的结构、深度与尺寸,自动调整位于井筒顶部的天线的工作参数,使得天线能够始终对准移动中的提升机,通信设备的工作频率和功率始终处于最佳状态,保证了无线信号的良好覆盖。现场应用结果表明,提升机运行时地面调度人员能够实时监视天轮、井筒、罐耳及提升机内部状况,可随时与提升机内人员通话,图像清晰,语音通信流畅,且设备功耗低。     

矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用

详细地介绍了矿用TD-SCDMA无线通信系统的方案选型、系统组成及功能特点,阐述了矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用情况。应用结果表明,该系统性能稳定可靠,容量大,通话效果好,基站覆盖范围大,可较好地满足煤矿井下移动通信的需求。     

基于WiFi的矿用移动定位服务终端设计

针对WiFi技术应用在煤矿井下存在终端设备功耗较大、本质安全型设计难等问题,设计了一种基于WiFi的矿用移动定位服务终端;给出了该终端的硬件结构及本质安全型设计原则,详细介绍了该终端的软件设计,包括WiFi驱动程序设计、满足巷道特殊环境的新型井下人员定位机制的实现、SIP协议下的无线语音通信、瓦斯体积分数实时监测、图像数据采集等位置信息服务的实现。实验结果表明,该终端人员定位精度为1m以内,语音通信和图像数据传输无明显延迟,进入低功耗模式后瓦斯体积分数的采集最长可达7h左右,基本满足煤矿生产和本质安全型要求。     

矿用TD-SCDMA无线通信系统及移动信息发布平台解决方案

分析了现有煤矿井下无线通信技术的特点,阐述了TD-SCDMA的技术优势;介绍了矿用TD-SCDMA无线通信系统的结构组成、主要技术参数及功能;提出了利用TD-SCDMA系统及智能手机实现矿井信息的录入和发布功能的移动信息发布平台解决方案。     

煤矿井下无线通信技术的现状与发展

分析了小灵通无线通信技术、WiFi无线通信技术、TD-SCDMA无线通信技术、WCDMA无线通信技术以及Femtocell无线通信技术在煤矿的应用现状;针对煤矿井下的环境特点,提出了一种基于Femtocell的矿用WCDMA无线通信系统,详细介绍了系统的关键技术及优势;总结了矿用无线通信技术的发展趋势。