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摘要:在井下采煤機數據的無線上傳過程中，容易出現采煤機先導電纜斷線或調制解調器故障導致的采煤機數據中斷的弊端，進行井下4G網絡的采煤機數據上傳系統設計，分析采煤機的數據上傳方式，結合4G網絡中TCP/IP協議傳輸數據只需少量纜線、安裝簡便、上傳穩定等優勢，建立井下4G綜合一體化通信系統;該文闡述了無線通信基站及網絡架構安裝實施方案，通過模塊化接入通信基站搭建采煤機數據上傳網絡架構。結合井下4G綜合一體化通信系統功能，認為通過4G無線通信技術替代傳統的電纜傳輸技術，提高數據上傳質量，可在線迅速查找故障點及遠程實時監測采煤機運行狀態，降低了采煤機故障率，在一定程度上可以為礦井安全生產提供有力保障。

關鍵詞:智能化;數字礦山;4G網絡;數據上傳

0引言

數字化礦山是實現礦山真正安全、高效、經濟開采，資源可持續發展的重要基石，是化解高危行業風險的根本途徑。數字化礦山是通過計算機與網絡技術，把礦山的所有空間和有用屬性數據實現數字化存儲、傳輸、表述和深加工，應用于各個生產環節與管理和決策之中，以達到生產方案優化、管理高效和決策科學的目的，其特點為基礎信息數字化、生產過程虛擬化、管理控制一體化、決策處理集成化［1－3］。數字礦山是用信息化與數字化的方法來研究和構建的礦山，是將礦山地表之下的人類工程活動的信息全部數字化之后由計算機網絡來管理的技術系統。數字礦山自下而上可分為基礎數據層、模型層、模擬與優化層、設計層、執行與控制層、管理層、決策支持層等7個層次［4－6］?；A數據層就是數據獲取與存儲層，數據獲取包括利用各種技術手段獲取各種形式的數據及其預處理;數據存儲包括各類數據庫、數據文件、圖形文件庫等，該層為后續各層提供部分或全部數據支持。

1采煤機數據上傳方式

隨著現代科學技術的不斷發展，煤礦也由原始的人力開采逐步發展到了當今打造數字化、智能化礦山的時代。數字化礦山的建設對井下電氣設備的數據上傳提出了更為嚴苛的要求。傳統的綜采煤機數據上傳依靠動力線載波和電纜作為傳輸媒介進行數據通信，通過纜線將采煤機數據傳至控制臺處煤機端頭站，然后使用纜線將煤機端頭站數據通過以太網傳至數據采集箱進入井下工業環網，再經過井下工業環網上傳至地面監控中心。由于采煤機不斷移動的工作特性以及綜采工作面采面較長的特征，實際使用過程中敷設纜線量大，人工成本與物料成本較高;長距離纜線傳輸又容易受到壓降影響及周圍環境的電磁干擾造成數據上傳質量較低;其次纜線容易出現斷裂現象導致數據中斷;在發生數據中斷故障后，需要沿線檢查纜線破損情況，排查過程費時費力。目前大柳塔煤礦大柳塔井與活雞兔井已全部實現了4G網絡覆蓋，利用4G網絡中TCP/IP協議傳輸采煤機數據只需少量纜線，安裝方便簡潔，數據上傳穩定可靠，且易于管理維護。

2基于4G網絡的采煤機數據上傳網絡架構

2．1井下4G綜合一體化通信系統功能

礦山4G綜合一體化通信系統主要由核心網、調度臺、礦用本安型通信分站、礦用隔爆兼本安型萬兆環網交換機、網管服務器、業務服務器、廣播終端、爆閃指示燈、防爆手機終端、定位卡、無線攝像儀和各種傳感器等組成。分站將通過上行千兆光纖鏈路就近接入井下環網設備，通過環網系統與核心機房的4G核心網設備進行數據互通，實現4G無線通信、精確定位、圖像監視、應急廣播、線路指示、環境監測和有線無線一體化調度控制等功能，通過與運營商對接，實現運營商公網卡直接下井，改變傳統的獨立燒卡形式，開創新型下井辦公模式，地面、井下實現“一機一卡一號”，達成工作與生活的統一性，降低工作繁瑣度［7－11］。大柳塔煤礦以集中管理、分項控制為原則，設計布置了“一網一站”數字化礦山項目，實現了礦井的一體化管理。井下4G綜合一體化通信系統功能主要包括以下方面。公網對接:“一機一卡一號”，與當地運營商公網對接后實現企業員工公網號碼直接下井辦公，達成工作與生活的統一性。高清語音/視頻通話:通過基于VOLTE或POC語音通話業務實現兩部終端之間的高清通話，提高辦公效率。用戶行為管理功能:通過識別接入用戶的合法性，拒絕非法用戶訪問，保證本地網絡的安全性。統一平臺調度功能:實現調度臺分群、呼叫、應答、狀態顯示、預定式會議、臨時會議、廣播會議、輪詢、強插、強拆、閉鈴、點名、拒答、調度臺夜服、來話轉接、保留、緊急呼叫、錄音等。人員定位:采用ZigBee/UWB定位技術實現對井下人員的軌跡跟蹤、報警提示、輔助考勤管理、數據查詢。應急廣播功能:包括全體廣播、分區域廣播、定點廣播、自動播放、雙向通話、定時打鈴、GIS矢量圖等。實時監控:通過接入井下攝像頭實現對井下現場的實時視頻監控。預警功能:通過與4G無線通信、應急廣播、視頻監控、應急爆閃指示燈、人員定位等系統協同聯動，實現緊急情況下的人員、廣播、短信的告警信息下發和路線指引等功能。應急提示:應急爆閃指示燈在發生緊急情況后為井下人員提供快速應急逃生指示路線。數據傳輸:井下萬兆環網具備萬兆數據傳輸能力，能夠承載FDD-LTE無線通信系統、人員定位系統、車輛定位系統、工業電視系統、語音廣播系統、調度指揮系統、工業自動化系統、并可作為安全監測監控系統數據傳輸的備用通道。綜合接入功能:單臺綜合分站最大支持24路百兆光口、24路百兆電口、20路RS485/CAN信號、16路POST電話、24路模擬視頻等數據業務的接入能力，業務板塊可根據情況自用匹配。

2．2無線通信基站及網絡架構安裝實施方案

無線通信基站:在采煤機機身安裝CPE無線通信基站，將采煤機內數據采集PLC通過網線接入該基站。在綜采工作面機頭和機尾的4G綜合分站內分別安裝AP無線通信基站，并將該基站接入4G綜合分站的百兆電口模塊。HTK網絡架構安裝:將采煤機端頭站接入綜采工作面設備列車處4G綜合分站的百兆電口模塊。將采煤機數據采集PLC以太網模塊、采煤機端頭站、CPE無線通信基站、AP無線通信基站配置統一規劃的IP地址，采煤機與端頭站便可以通過無線基站實現通訊，數據就可以通過4G綜合分站進入井下工業環網，然后傳至地面監控中心，實現采煤機數據的實時監控。

2．3采煤機數據上傳網絡架構

現代礦井中一個綜采工作面長度一般在200～400m之間，4G無線通信模塊覆蓋半徑為400m，見表1。在綜采工作面機頭和機尾分別架設無線通信基站后實現了信號的全覆蓋，完全滿足數據傳輸要求。通信基站采用模塊化方式接入，安裝方便簡潔且易于維護。圖1為采煤機數據上傳網絡架構圖。

3結語

結合井下4G綜合一體化通信系統的功能，認為通過4G無線通信技術替代傳統的電纜傳輸技術，實現了采煤機數據的無線上傳，解決了由于采煤機先導電纜斷線或調制解調器故障導致的采煤機數據中斷的弊端，提高了數據上傳質量。地面監控人員在發現采煤機數據中斷后可在線迅速查找故障點，避免了查找電纜斷點的麻煩，極大地提高了數據圖1采煤機數據上傳網絡架構圖恢復效率，節省了人工成本、無物料成本。此外，通過采煤機數據在線監測系統可遠程實時監測采煤機運行狀態，也可以通過歷史數據與報警信息發現采煤機故障情況，將故障消滅在萌芽狀態，降低采煤機故障率，可以很大程度上避免采煤機故障帶來的經濟損失，為礦井安全生產提供有力保障。

作者:王飛 羅偉 任文清 張婧 單位:神東煤炭集團大柳塔煤礦 西安科技大學