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(diǎn)，滿足礦井語音、圖像和部分?jǐn)?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(shí)時視頻、數(shù)據(jù)回傳分發(fā)功能，具有組呼、群呼、強(qiáng)插、強(qiáng)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(jī)終端攝像并回傳，實(shí)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(diǎn)：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(shí)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(jī)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(diǎn)是帶寬和實(shí)時性指標(biāo)方面無法達(dá)到高清智能視頻和遠(yuǎn)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(yùn)輸、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、移動設(shè)備實(shí)時監(jiān)控、煤礦機(jī)器人控制等。② 增強(qiáng)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(shí)采礦等。③ 低成本、低能耗、廣連接。井下電子圍欄、車輛運(yùn)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(jī)、礦用CPE等已取得相關(guān)煤安認(rèn)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(rèn)證。
5G具有傳輸速率高、時延小、并發(fā)能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)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(hù)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(shí)際應(yīng)用案例少，應(yīng)用場景有待進(jìn)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(qiáng)插、強(qiáng)拆、會議、錄音和監(jiān)聽等。② 人員定位。利用場強(qiáng)大小和指紋特征等信息，判短手機(jī)持有人員所在大致位置。③ 視頻傳輸。WiFi的特點(diǎn)之一是大帶寬，可實(shí)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(diǎn)，但時延偏高、移動性和可靠性相對較低，加上手機(jī)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(yuǎn)程控制功能的及時性和可靠性。③ 多接入需求。滿足大量機(jī)電設(shè)備運(yùn)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(jī)作業(yè)安全、智能協(xié)同作業(yè)、無人化運(yùn)輸、井下機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)移動數(shù)據(jù)上傳和指令有效下達(dá)。
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(dú)立的。② 直接利用通信系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(tuán)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
