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煤礦智能化與礦用5G
發布時間:2020-12-09 瀏覽次數:

    針對礦井下電氣防爆、無線傳輸衰減大等特點,分析了礦用5G 技術和適用范圍:礦用5G 宜采用本質安全型防爆;用于控制的礦用5G 應具有較強的抗干擾能力;采煤工作面和掘進工作面地面遠程控制宜選用礦用5G;煤礦井下車輛無人駕駛地面遠程控制宜選用礦用5G;沒有針對礦井移動通信特點研發的礦用5G 性價比低于礦用 WiFi移動通信系統;嚴禁用礦用5G 移動通信系統替代礦用有線調度通信系統;沒針對煤礦安全監控特點研發的礦用5G 不能替代煤礦安全監控系統;沒有針對礦井動目標精確定位特點研發的礦用5G 定位精度低于礦用 UWB精確定位系統;4506000 MHz頻率范圍的礦用5G 傳輸速率低于礦用 WiFi6;沒有針對煤礦井下固定設備監控特點研發的礦用5G 可靠性低于礦用有線監控系統。指出了亟需針對煤礦井下安全生產特點,研發礦用5G,而不僅僅是對現有地面5G 產品進行防爆改造。

1 礦用5G宜采用本質安全型防爆

煤礦井下有瓦斯等爆炸性氣體,用于煤礦井下的電氣設備必須是防爆型電氣設備。礦用防爆電氣設備防爆型式主要有本質安全型、隔爆型、膠封型、增安型等[4]。其中,本質安全型防爆性能最好,適用于煤礦井下所有場所和瓦斯超限等各種條件,具有防爆性能好、體積小、質小等優點。因此,礦用5G應首選礦用本質安全型。但本質安全型防爆措施限制了大功率、高電壓、大電流、大電容和大電感。功率超過25 W 的電氣設備難以做成礦用本質安全型防爆電氣設備。礦用隔爆及其復合型防爆5G 基站體積大、質量大、防爆性能不如本質安全型,甲烷超限或停風后需停電,不能在甲烷超限和停風斷電控制區域工作。

煤礦井下無線發射會在屬支護、機電設備金屬外殼等產生感生電動勢,引起瓦斯爆炸。為防止大功率無 炸,GB3836.1—2010《爆炸性環境 1部分:設備 通用要求》[4]規定,煤礦井下無線發射設備的射頻閾功率(無線發射設備的有效輸出功率與天線增益的乘積)不得大于6W5G 基站一般采用多天線,多個發射天線同時工作,發射功率疊 加。因 此,礦 5G 作的多個發射天線的最大總功率考核其防爆性能。電氣設備火花放電能量取決于放電時間、電源放電功率、負載中電容量和電感量等。放電時間越長、電源放電 大、負 越大,火花放電能量就越大,引爆瓦斯的概率就越大。天線的等效電感(含分布電感)和電容(含分布電容)會增加火花放電能量。因此,對于本質安全型、隔爆兼本質安全型 5G 站,應 效電感(含分布電感)和等效電容(含分布電容)。對于發射功 調 5G 站,調 控發射功率的軟件應固化,確保在正常工作和故障狀態下,最大發射功率不增大;不得因設備停電重啟、光纜斷纜、基站控制器損壞、交換機/路由器損壞、電磁干擾等,造成最大發射功率增大。無法保證最大發射功率不增大的軟件調控發射功率的礦用5G 基站,應按硬件最大發射功率考核其防爆性能。

2 用于控制的礦用5G應具有較強的抗干擾能力

煤礦井下空間狹小,大型機電設備相對集中,電磁干擾嚴重。采煤機、掘進機、刮板輸送機、破碎機、轉載機、帶式輸送機、水泵、提升機等大型機電設備啟停,大功率變頻設備工作,架線電機車火花,礦井人員和車輛定位系統等其他無線設備,均影響著用5G 系統的正常工作。因此,用于控制的礦用5G具有較強的抗干擾能力[5],通過 GB/T17626.3—2016《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射瞬變脈沖群抗擾度試驗,評價等級為 A;交流端口通過 GB/T17626.5—2019《電 技術 浪涌( ) 驗》[8]規定的嚴酷等級3級的浪涌(沖擊)抗擾度試驗,評價等級為 B;直端口和 GB/T17626.5—2019《電 磁兼容 試驗和 ( ) 驗》[8]定的嚴酷等級為2級的浪涌(沖擊)抗擾度試驗,評價等級為 B。

使用電容和電感濾波是提高設備抗干擾能力的有效方法。但是,本質安全型防爆電氣設備除限制最大工作電壓、最大電流和最大功率外,還限制電路中的電容量和電感量。因此,在本質安全防爆的條件下,提高5G 系統的抗干擾能力,是礦用5G 亟需解決的技術難題。

3 采煤工作面和掘進工作面地面遠程控制宜選用礦用5G

事故調查表明,我國煤礦死亡事故主要發生在采煤工作面和掘進工作面[9]。因此,通過煤 動化、信息化和智能化,減少煤礦井下作業人員,特別是減少采煤工作面和掘進工作面作業人員,是煤礦安全生產亟需解決的問題。目前,采煤工作面已實現采煤機、液壓支架和刮板輸送機聯動(以下簡稱機架聯動),記憶割煤,工作面巷道遠程控制。但是,煤巖界面自動識別等技術難題仍然沒有解決;采煤機、液壓支架和刮板輸送機等工作面設備定位精確度以滿足無人采煤工作面要求。人們研發了通過工作面巷道探測頂底板位置+地質鉆孔估算頂底板位置的地質模型 法,但當頂底板變化較大時,誤 較大,難以滿足無人采煤工作面對頂底板準確位置的需求。在煤巖界面自動識別、采煤工作面設備精確定位等技術難題被攻克前,為盡早實現采煤工作面無人或少人作業,減少采煤工作面作業人員,筆者提出了機架聯動+記憶割煤+地質模型+地面遠程控制方法(以下簡稱地面遙控方法)。地面遙控方法中的機架聯動、記憶割煤、地質模型等方法已在采煤工作面應用,亟需解決地面遠程控制問題。地面遠程控制需解決采煤工作面信息(包括采煤工作面視頻圖像,語音,通過傳感器采集的環境、采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備運行狀態信息等)實時可靠采集與上傳,地面控制命令實時可靠下傳等問題。采煤工作面粉塵大,采煤機工作時有噴霧,造成視頻圖像不清晰,難以通過視頻圖像在地面遠程識別頂底板煤巖界面等。采用透霧透塵攝像機,可較好地解決采煤工作面視頻圖像不清問題,優于工作面現場肉眼觀察。采煤工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備是移動設備,宜采用無線傳輸技術。采煤工作面視頻圖像實時可靠無線上傳,要求傳輸系統傳輸速率高、時延小、可靠性高。5G 具有傳輸速率高、時延小、可靠性高、容量大等優點。在FR1(4506000MHz)頻率范圍內,5G的最高傳輸速率為1.2Gbit/s(上行)2.2Gbit/s( )[1,10-11]。5G 用,支 0.51ms空口時延、不大于5ms的端到端時延和更高的可靠性[12-13]。而 WiFi6平均時延為20ms[1],可靠性不能保證。在傳輸時延和可靠性方面,5G 優于 WiFi6等其他常用無線通信技術。因此,采煤工作面和掘進工作面地面遠程控制宜選用礦用5G4 煤礦井下車輛無人駕駛地面遠程控制宜選用礦用5G

煤礦井下膠輪車、電機車等礦用車輛無人駕駛,是減少煤礦井下作業人員、避免或減少重特大事故發生、提高運輸效率的有效措施。礦用車輛無人駕駛包括自動駕駛、地面遙控、自動駕駛+地面遙控方法。礦用車輛無人駕駛,需通過礦用車輛精確定位系統和慣性導航系統對車輛定位和導航;通過激光雷達、毫米波雷達、熱像儀、攝像機、車載傳感器和巷道傳感器等感知車輛和周邊環境;通過時延小、可靠性高、傳輸速率高的礦用無線通信系統構成車聯網,監測礦用車輛運行狀態和環境,控制信號燈、電動轉轍機(僅用于軌道運輸系統)和車輛運行等。5G 具有傳輸速率高、時延小、可靠性高、容量大等優點。5G 用,支 V2V(Vehicleto Vehicle, ) V2I (Vehicle toInfrastructure,車與路邊單元)直連通信等[12-13]。因此,煤礦井下車輛無 人駕駛遠程控制宜選用礦用5G。

5 沒有針對礦井移動通信特點研發的礦用5G 性價比低

煤礦井下通信從功能上劃分,可分為有線調度通信、廣 信、救 信、應 信。礦用有線調度通信系統用于日常煤礦生產調度和安全調度,具有不需煤礦井下供電、抗災變能力強等優點。礦用廣播通信系統用于通知煤礦井下作業人員急撤離和緊急避險,并具有報告井下災變情況等功能,日常用于安全生產調度廣播。礦井救災通信系統由礦山救護隊員攜帶,用于救護隊員與救援基地、救護隊員之間通信。礦井應急通信系統用于災后遇險人員與地面通信,具有抗災變能力強等優點,目前有線調度通信系統兼做礦井應急通信系統[14]。礦井移動通信系統用于手機等移動終端之間、手機等移動終端與地面調度室之間通信,具有及時、方便等優點。礦長、礦總工程師、區隊長、工程技術人員、班組長、爆破工、安全檢查員、瓦斯檢查工、流動電鉗工、安全監測工、司機等關鍵崗位和流動作業人員,宜佩戴手機等移動終端。礦井移動通信系統主要有漏泄移動通信系統、感應移動通信系統、透地移動通信系統、多基站移動通信系統等。目前,礦井移動通信系統主要采用多基站移 統,多 4G/5G,WiFi等。WiFi礦井移動通信系統具有成低等優點,但不適用于手機等移動終端移動速度較快的場景。煤礦井下膠輪車和電機車等行駛速度受限,手機等移 慢,WiFi 動通信系統可滿足煤礦井下移動通信需求。4G/5G礦井移動通信系統具有手機種類多、語音通話質量高、可用于快速移動通信等優點,但成本高。因此,沒有針對礦井移動通信特點研發的礦用5G 性價比于礦用 WiFi移動通信系統。

6 嚴禁用礦 5G 移動通信系統替代礦用有線調度通信系統

礦用有線調度通信系統是煤礦安全生產的重要保障,在生產和安全調度中發揮著重要作用。礦用有線調度通信系統主要由本質安全型防爆電話、安全柵、交換機、調度臺、電纜和分/接線盒等組成。礦用有線調度通信系統在井下沒有需要供電的設備,安裝在井下的本質安全型防爆電話由地面交換機經安全柵和電纜供電。煤礦井下甲烷超限停電和停風停電等,不影響礦用有線調度通信系統正常工 作。當煤礦井下發生瓦斯和煤塵爆炸(包括瓦斯爆炸、煤塵爆炸和瓦斯煤塵爆炸)、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水災、火災、頂板冒落、炸藥爆炸等各類事故時,只要電纜 斷、電 壞,系 作。迄 為止,礦用有線調度通信系統是煤礦井下最可靠的通信系統,不但用于日常生產和安全調度通信,還用于事故應急救援通信,在事故應急救援工作中發揮著重要作用。例如,2007729日河南省陜縣支建煤礦發生 故,共 69 險,經 76h 營救,遇險人員全部安全升井。事故發生后,遇險人員通過有線調度電話及時將被困人數、位置和狀況向地面調度室匯報,為救援提供了準確信息,縮短了救援時間[14]。礦用有線調度通信系統是煤礦井下安全避險六大系統之一?!睹旱V安全規程》[15]規定:所有煤礦必須裝備有線調度通信系統;有線調度通信系統通信電纜必須專用。為進一步提高有線調度通信系統抗災變能力,有線調度通信系統的礦用本質安全型防爆電話應設置在機電硐室內;電纜應設置在巷幫與底板的夾角處,或設置在壓風管路中。礦用5G 移動通信系統主要由礦用手機等移動終端、礦用基站和天線、礦用基站控制器、礦用網絡交換機/路由器、地面調度終端、地面5G 核心網、光纜、光纜分/接線盒、礦用電源(可以與礦用基站、礦用基站控制器、礦用網絡交換機/路由器一體)等組成。礦用5G 必須在井下敷設光纜。設置在煤礦井下的礦用5G 基站、礦用5G 基站控制器、礦用網絡交換機/路由器等均由井下電網供電。因礦用備用電源工作時間有限,煤礦井下瓦斯超限停電和停風停電,將影響 5G 移動通信系統正常工作。當煤礦井下發生瓦斯和煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水災、火災、頂板冒落、炸藥爆炸等事故時,會造成礦用5G 基站和天線、礦用5G 基站控制器、礦用網絡交換機/路由器等損壞,光纜斷纜。雖然也可以將礦用5G 基站、礦用5G 基站控制器、礦用網絡交換機/路由器等設置在機電硐室,光纜設置在巷幫與底板的夾角 中,但 5G 通信系統在煤礦井下的設備較多,并需由井下電網供電,因此,礦用5G 移動通信系統抗災變能力遠不如礦用有線調 統,難 滿 求。嚴禁用礦用5G 移動通信系統替代礦用有線調度通信系統。

7 沒有針對煤礦安全監控特點研發的礦用5G 不能替代煤礦安全監控系統煤礦安全監控系統具有甲烷、一氧化碳、溫度、風速、風壓、風向、饋電狀態等監測功能;當甲烷超限或停風,發出聲光報警信號,并切斷相關區域電源,避免瓦斯爆炸等事故發生;具有煤與瓦斯突出感知、報警和斷電功能,及時發現事故,撤出遇險人員,避免瓦斯爆炸等事故發生。煤礦安全監控系統在煤礦安全生產中發揮著重要作用。煤礦井下頂板冒落和機械碰撞等,會造成線纜(光纜或電纜)斷纜。為避免系統線纜斷纜和主機故障,影響甲烷超限斷電和停風斷電,《煤 程》[15] 定,當 統線纜發生故障時,必須保證實現甲烷電閉鎖和風電閉鎖全部功能。目前,礦用5G 核心網在地面,控制整個系統工作,地面采用設備和網絡冗余,具有較高的可靠性和穩定性。但當煤礦井下光纜斷纜或交換機/路由器等出現故障,井下系統將癱瘓。甲烷超限或停風后,非本質安全防爆的5G 基站、基站控制器和交換機/路由器等必須停電。因此,不針對煤礦安全監控特點進行二次開 發,僅 5G 造的礦用5G,不能替代煤礦安全監控系統。

8 沒有針對礦井動目標精確定位特點研發的礦用5G定位精度低

礦井人員和車輛精確定位技術是煤礦智能化鍵技術之一。為遏制煤礦井下超定員生產,避免或減少煤 生,《煤 程》[15]規定,煤礦必須裝備礦井人員位置監測系統。煤礦井下人員定位系統在遏制煤礦井下和采掘工作面等重點區域超定員生產、重特大事故發生,搜尋遇險遇難人員,防止人員進入盲巷等危險區域,控制作業人員超時下井,特種作業人員管理,領導下井帶班管理,持證上崗管理,井下作業人員考勤等方面發揮著重要作用。礦井人員和車輛精確定位技術還將用于防治違章乘坐膠帶,防止車輛傷人和車輛碰撞,煤礦井下膠輪車和電機車等無人駕駛等。早期的煤礦井下人員定位系統主要采用 RFID技術,不能定 位,只能判別識別卡在哪個分站識別區。隨著煤礦井下人員定位技術的發展,先后研制成功基于 ZigBee,UWB 等技術的煤礦井下人員定位系 統,定 米、幾 0.2m。5G 未來的定位目標是定位精度1m,但目前還沒有實 [16-17]。煤 車輛等會造成嚴重的多徑干擾。因此,沒有針對礦井動目標精確定位特點研發的礦用5G 定位精度低于礦用 UWB精確定位系統。

9 4506000 MHz頻率范圍的礦用5G 傳輸速率低于礦用 WiFi6

(3rd GenerationPartnershipProject,3GPP) 5G 的頻 FR1(4506000 MHz) FR2(2425052600 MHz)[1-2,10-11]。在我國,FR1(4506000MHz)頻率范圍的5G [1-2]。中 移動的5G 頻率范圍為25152675MHz48004900MHz,最高上行傳輸速率為1.2Gbit/s,最高下行傳輸速率 2.2Gbit/s,已 用。中 國聯通的5G 頻率范圍為35003600 MHz,最高上行傳 1.2 Gbit/s,最 2.2Gbit/s,已在地面應用。中國電信的5G 頻率范圍為34003500 MHz,最 1.2Gbit/s,最高下行傳輸速率為2.2Gbit/s,已 在地面 用。 5G 702798MHz,未見有應用報道。我 FR2(2425052600MHz) 5G 商,實際應用尚需時日,頻率范圍為24.7527.5,3742.5GHz,最高上行傳輸速率為10Gbit/s,最高下行傳輸速率為20Gbit/s。在煤礦 下,FR1(4506000 MHz) FR2(2425052600 MHz)頻段相比,具有信號傳輸損耗低、無線傳輸距離遠、繞射能力強等優點。因此,礦 5G FR1(4506000MHz),以提高礦井無線傳輸距 離和繞射能力,提高系統的穩定性和可靠性,減少基站用量、降低組網成本和維護工作量。WiFi6 (802.11ax) 2.4 GHz GHz,最高傳輸速率為9.6Gbit/s。在 FR1(4506000MHz) 內,5G 1.2Gbit/s(上行)2.2Gbit/s(下行),WiFi6最高傳輸速 9.6 Gbit/s[1]。顯 然,在 FR1(4506000 MHz) 內,WiFi6 5G。因此,沒有針對煤礦安全生產特點研發的礦用5G 性價比低 WiFi6。時延要求不高的礦井視頻圖像監視,宜選用礦用 WiFi6,以降低成本和維護工作量。

10 帶式輸送機、供電、排水等固定設備監控和地面遠程控制宜選用有線傳輸

5G 同其他常用無線通信系統相比,具有傳輸速率高、時延小、可靠性高、容量大等優點。煤礦井下無線傳輸損 段,天 置,巷 斷面、分支、彎曲、傾斜、支護和表面粗糙度,巷道中電纜、水管和軌等縱向導體,巷道中工字鋼等橫向體,巷道中膠輪車、電機車、帶式輸送機和機電設備等影響[1]。因此,沒有針對煤礦井下固定設 控特點 5G 系統。帶式輸送機、供電、排水等固定設備監控和地面遠程控制,宜選用有線傳輸。

11 結論

煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體,礦井無線傳輸衰減大等特 性,制 5G 直接在煤礦井下應用。僅將地面5G 產品進行防爆改造的礦用5G,難以滿足煤礦智能化建設需求。因此,亟需針對煤礦井下安全生產特殊需求,研發礦用5G。(1)礦用5G 宜采用本質安全型防爆。礦用5G基站應按同時工作的多個發射天線的最大總功率考核其防爆性能。應考核礦用5G 基站天線的等效電感(含分布電感)和等效電容(含分布電容)。對于發射功率軟件可 調 5G 站,調控發射功率的軟件應固化,確保在正常工作和故障狀態下,最大發射功率不增大;不得因設備停電重啟、光纜斷纜、基站控制器損壞、交換機/路由器損壞、電磁干擾等,造成最大發射功率增大。無法保證最大發射功率不增大的軟件調控 5G 站,應 件最大發射功率考核其防爆性能。(2)用于控制的礦用5G 應具有較強的抗干擾能力。在本質安全防爆限制電容量和電感量的條件下,提高5G 系統的抗干擾能力,是礦用5G 亟需解決的技術難題。(3)采煤工 業,宜 架聯動+記憶割煤+地質模型+地面遠程控制方法。采用透霧透塵攝像機,解決采煤工作面視頻圖像不清晰問題。采煤工作面和掘進工作面地面遠程控制選用礦用5G。(4)煤礦井下車輛無人駕駛地面遠程控制宜選用礦用5G,通過礦用車輛精確定位系統和慣性導航系統對車輛 航,通 達、毫 雷、熱像儀、攝像機、車載傳感器和巷道傳感器等感知車輛和周邊環境。(5)WiFi礦井移動通信系統具有成本低等優點。煤礦井下膠輪車和電機車等行駛速度受限,手機等移動終端移動速度較慢,WiFi礦井移動通信系統可滿足煤礦井下移動通信需求。5G 礦井移動通信系統具有手機種類多、語音通話質量高、可用于快速移動通信等優點,但成本高。沒有針對礦井移動通信特點研發 5G WiFi移動通信系統。(6)礦用5G 必須在井下敷設光纜。設置在煤礦井下的礦用5G 基站、礦用5G 基站控制器、礦用網絡交換機/路由器等均由井下電網供電。煤礦井下瓦斯超限停 電,將 5G 動通信系統正常工作。當煤礦井下發生瓦斯和煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水災、火災、頂板冒落、炸藥爆炸等事故時,會造成礦用5G 基站和天線、礦用5G 器、礦用網絡交換機/ 損壞,光纜斷纜。因此,礦用5G 移動通信系統抗災變能力遠不如礦用有線調度通信系統,難以滿足應急通信要求。嚴禁用礦用5G 移動通信系統替代礦用有線調度通信系統。(7)礦用5G 面,控 工作。當煤礦井下光纜斷纜或交換機/路由器故障,井下系統將癱瘓。甲烷超限或停風后,非本質安全防爆的5G 站、基站控制器和交換機/路由器等必須停電。因此,沒有針對煤礦安全監控特點研發的礦用5G 不能替代煤礦安全監控系統。(8) UWB 精確定位系統定位精度為0.2m。5G未來的定位目標是定位精度1m,但 目前還沒有實現。沒有針對礦井動目標精確定位特點研發的礦用5G 位精度低于礦用 UWB精確定位系統。(9) FR1(4506000MHz)頻率范圍內,5最高傳 1.2Gbit/s( ) 2.2Gbit/s(下行),WiFi6 9.6Gbit/s,WiFi6的傳輸速率高于5G。因此,沒有針對煤礦安全生產特點研發的礦用5G 性價比低于礦用 WiFi6延要求不高的礦井視頻圖像監視,宜選用礦用 WiFi6,以降低成本和維護工作量。(10)沒有針對煤礦井下固定設備監控特點研發的礦用5G 可靠性低于礦用有線監控系統。帶式輸送機、供電、排 控制,宜選用有線傳輸。

 



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