4G+5G融合调度通信网络在煤矿井下的应用研究.pdf

井下调度通信网络作为整体生产中最重要的通信方式，对提高生产安全性有着积极的意义1。但就当前我国煤矿产业情况而言，很多煤矿在井下网络信息传输方面都存在着数据传输量小、传输速率低、覆盖面不全等问题，而 5G 技术的出现给煤矿企业解决此些问题提出了新的路径。其中 4G+5G 融合调度通信网络的建立不仅能够提高网络的覆盖范围，对智慧矿山的发展也有着积极的推动作用，同时这也是煤矿产业未来发展的必然方向2。14G+5G 融合调度通信网络的优势某煤矿井下巷道总体长度已经超出 20 km，随着生产工作的持续推进,井下通信网络方面的问题也逐渐显露，其中主要表现为如下方面：通信信号覆盖范围不全；信息传输速率低下；传输量小。对此，本次通过建立 4G+5G 融合调度通信网络以期解决上述问题。在 4G+5G 融合调度通信网络建立当中，需要实现如下方面内容：5G 无线信号需要全覆盖井下工作面；4G 无线信号需要全覆盖井下大巷；降低数据传输的延时性，为远程设备控制提供安全保障。24G+5G 融合调度通信网络建设方案本次网络通信方案设计主要是基于 4G+5G 融合通信系统而完成的。在整体设计当中，4G 通信系统主要设置在大巷位置处，主要作为关键业务通信方式；而 5G 通信系统主要设置在井下工作面当中，主要作为视频监控信息等大数据量的传输方式。在整个融合通信系统的建设过程中，主要包含有设备终端、网络层以及管理平台三部分。在系统的建立过程中，需要融合多接入边缘计算，通过在分组传送网（PTN）与井上调度服务平台之间布置相应的多接入边缘服务器，以此来实现低延迟、高带宽的目的。进而调度服务平台能够快速、高效地处理监控信息等边缘计算任务。3井下基站的部署根据对某煤矿的实际分析，在井下基站部署当中主要是通过光缆来实现分组传送网（PTN）与基带处理单元（BBU）的连接，之后再利用光缆实现 BBU 与射频拉远模块（RRU）的连接。在 PTN 与 BBU 的连接采用 4 芯光缆，BBU 与 RRU 的连接采用 2 芯光缆。在本次基站部署过程中，所应用的组网形式有星形连接、串形连接和环形连接三种，其中星形连接主要是在井下 PTN 与 BBU 连接的基础上，增加多台 RRU 与BBU 相连接；串形连接是井下 PTN 与 BBU 经过光缆连接，之后一台 RRU 通过光缆与 BBU 相连接，并且该台 RRU 利用自身串口和光缆与下一台 RRU 相连接；环形连接指的是井下 PTN 通过 4 芯光缆与 BBU实现连接，之后 BBU 通过光缆与 1 台 RRU 相连接，并且 RRU 通过自身串口和光缆与另一台 RRU 相连接，以此类推，最后一台 RRU 通过光缆与第一台 BBU相连接，进而形成环网保护。根据对某煤矿实际情况分析，具体基站布置情况如表 1 所示。4应用效果分析RRU 型号为 5235E，功率为 5 W；无线终端设备（CPE）；华为 mate 40 pro。上/下行时隙配比分别设置为 28 和 31 两种，天线增益设置为15dbi。在综采面测试过程中，RRU布置在入口处，天线安装在 RRU 上方，测试方式为正向测试；在大巷测试过程中，RRU 布置在监控车当中，天线安装在监控车顶部，测试方向为正背向测试。测试所应用终端设备为 CPE，掘进机具体位置处于测试区域 190 m 外，并未阻挡天线。具体测试结果如图 1、图 2 所示。由图 1、图 2 可知，在信号 RSRP 达到-105 dBm时，综采区工作面覆盖 5G 信号覆盖边缘达到 151 m，4G+5G 融合调度通信网络在煤矿井下的应用研究王航（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司，山西太原030053）摘要：从煤矿井下通信角度出发，通过对某煤矿通信需求进行分析，提出 4G+5G 融合调度通信网络建设方案，并根据相应方案在某煤矿当中进行基站的合理部署，并对实际通信网络应用经济效果进行分析。关键词：4G+5G；融合调度；通信网络；基站；应用中图分类号：TD655文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）08-0176-02收稿日期：2023-03-07作者简介：王航（1988），男，山西襄垣人，本科，毕业于太原理工大学，助理工程师，研究方向为通信。总第 230 期2023 年第 8 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and InformationizationTotal 230No.8，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.08.059应用推广2023 年第 8 期表 1基站布置情况巷道名称巷道长度/mBBU 数量/台4G RRU数量/台（4G+5G）RRU数量/台备注运输轨道2 22030二三采区轨道巷1 20020含设计开拓巷道22122 工作面运输顺槽1 38007进风斜井1 089130有拐角中央 1 号变电所01水平运输大巷1 20020西翼集中轨道大巷2 600130西翼集中运输大巷2 60030西翼瓦斯管路巷2 500302 号煤层采区皮带下山巷1 500202 号煤层采区轨道下山巷1 50020二三采区运输巷1 10210设计开拓巷道22117 工作面运输顺槽1 38007含设计开拓巷道避难硐室01二二采区变电所01冗余121合计23 17152618图 1上下行速率图图 2上传速率与信号接收功率（RSRP）线图此时上行速率为 42 Mbit/s，满足煤矿生产过程中信号传输 20 Mbit/s的基础要求。在 5G 信号上行速率为20 Mbit/s时，CPE 与天线距离为 174 m。测试所应用终端设备为华为 mate 40 pro，掘进机具体位置处于天线前端，天线被影响并覆盖。此时测试将与天线距离 105 m 处（RSRP 为-105 dBm）作为 5G 信号覆盖边缘，在检测过程中发现上行速度为 10 Mbit/s，并未满足信号传输 20 Mbit/s的基础要求。随着距离的不断推进，在距离 98 m 时上行速度达到 20 Mbit/s。由此可见，设备阻挡在一定程度上会降低信号的覆盖范围，对数据信息传输速率也有着一定的影响。因此在煤矿井下 RRU 的设置当中，为了保障信号的全范围覆盖，需要在间隔 190196m范围内设置一个RRU。测试所应用的终端设备为 CEP，测试过程中距离天线 40 m 处有两辆（一大一小）运输车正在作业，具体测试结果如图 3 所示。如图 3 所示，在信号 RSRP 达到-105 dBm 时，大巷覆盖 5G 信号覆盖边缘达到 212 m，此时上行速率为 27 Mbit/s，满足煤矿生产过程中信号传输 20 Mbit/s的基础要求。在 5G 信号上行速率为 20 Mbit/s 时，CPE与天线距离为 221 m。为此，为了保障煤矿信息传输速率能够达到20 Mbit/s，并结合大巷内部车辆作业实际情况，建议天线设置间隔为 436442 m 范围内。5应用经济效益由于 4G+5G 融合调度通信网络的建设，因信号传输速率较慢导致工作效率低下的问题有了进一步的缓解。西翼集中轨道大巷辅助运输能力提升27.60%；22122 工作面生产能力提升 11.01%；中央 1号变电所监控人员数量由 6 人减少到 4 人，这也有效地降低了人工成本投入，同时由于工作效率和生产产量的提升，企业的经济效益也得到了巨大的提升，预计每月可以节约 32 万元。6结论1）通过对某煤矿通信系统缺陷分析，提出 4G+5G融合调度通信网络建设的主要目的。2）根据某煤矿的实际情况建立以设备终端、网络层以及管理平台三部分为主的融合调度通信系统。3）针对某煤矿的现有情况进行网络基站的部署，以此来实现煤矿网络的全范围覆盖。4）根据对该煤矿 4G+5G 融合调度通信网络的测试分析发现，在满足煤矿上行 20 Mbit/s 速率要求的情况下，RRU 覆盖能力为 98 m，因此在综采面 RRU的设置间隔需要控制在 190196 m 范围内；而在大巷内部，天线的覆盖能力为 221 m，因此在大巷天线的设置间隔需要控制在 436442 m 范围内。并且该煤矿在建设完成 4G+5G 融合调度通信网络后，辅助运输效率和生产能力也有了巨大的提升，其中运行监控人员有了一定下降，这也是煤矿企业降本增效的急切需求。参考文献1孙长春.煤矿井下 4G+5G 融合调度通信网络设计及应用研究J.科技创新与应用，2022，12（33）：82-85.2琎王海南，郭，张二军.煤矿井下 4G+5G 融合调度通信应用研究J.内蒙古煤炭经济，2022（10）：108-110.（编辑：白龙）图 3上行速率图30 m60 m90 m120 m150 m 180 m 205 mx1010臆x5050臆x100100臆x200200臆x300300臆x400 x400350280210140700-30-52-74-97-119-141306090120150180205覆盖边缘/m上传速率接收速率30 m60 m90 m120 m150 m180 m210 mx1010臆x5050臆x100100臆x200200臆x300300臆x400 x400（下转第 180 页）王航：4G+5G 融合调度通信网络在煤矿井下的应用研究177窑窑现代工业经济和信息化第 13 卷生产制造中的产品往往要经过封箱工序，然后以箱为单位入库。因设备或人为因素影响，会出现箱内缺盒的情况。可以采用称重检测、射线扫描式检测和机器视觉检测等手段避免上述情况发生。称重检测是一种常见的原理简单、易维护的检测装置，但是，对于一些较轻的箱或称重误差较小时，容易造成错误检测。射线扫描式检测检测准确率很高、系统运行稳定，需要专业素质较高的操作人员进行维修保养。机器视觉技术是将工业相机安装在封箱设备内部，对盒装产品的入箱过程进行检测，具有原理简单、维护方便、检测精度高和稳定性好等优点。3机器视觉技术存在的问题机器视觉技术虽然在制造行业广泛应用并取得显著效果，但仍存在着以下问题：1）高速运动目标的图像获取能力仍需提高5。实际生产环境中，受光线、电子耦合器性能等因素的影响，想要捕捉高速运动的目标，有一定的困难。2）算法研究效率低。由于机器视觉检测对象种类多、形态各异，一些通用的视觉系统难以满足需求，需要不断进行针对性的调整，阻碍了机器视觉技术在不同领域的应用推广。3）大规模数据样本获取较难。机器视觉技术应用过程中，深度机器学习模型的训练需要大量数据作为支撑。在制造业实际生产环境中，能够获取的样本数量较少，并且存在正负样本比例不均的现象，不能满足视觉系统的学习训练需求，导致模型输出结果不够精准，影响机器视觉技术的整体效果。4展望对于制造行业而言，运用机器视觉技术可节约生产成本和劳动力、提升企业生产效率和产品质量，实现安全检测，有效避免因接触设备造成的人身伤害。与此同时，机器视觉技术作为人工智能的关键技术，它的应用研究在很大程度上推动了智能制造的发展。目前，我国的机器视觉技术水平有待提升，在未来机器视觉应用研究中，专家学者应将构建稳定、可靠的图像采集环境，将提取图像中的物体特征作为研究重点，增加防护罩、采用红外相机、提升电子耦合器性能以及改进特征提取算法等。加强对机器视觉系统使用前的适应性研究，提高系统的泛化性。研究如何获得更多的生产制造数据样本或者需要少量样本的机器学习模型。相信，通过对机器视觉技术不断进行研究与探索，我国生产制造企业的智能化水平一定会迈上一个新的台阶。参考文献1潘灿辉，段丽梅，邓永胜.机器视觉技术在自动化物流系统中的应用研究J.昆明冶金高等专科学校学报，2019，35（3）：97-102.2翁玉尚.基于卷积神经网络的电缆绝缘层厚度检测研究D.苏州：苏州科技大学，2022.3郝腾.基于图像处理的超市商品识别方法的研究D.大连：大连理工大学，2014.4程宏，张春磊，徐昆昆，等.立体仓库智能盘点与监控系统设计与实现J.中国造纸，2022，41（S1）：74-80.5王耀南，刘学兵，张辉，等.机器视觉技术在包装行业研究进展与应用综述J.包装学报，2022，14（2）：1-14.（编辑：郭萍茹）Application of Machine Vision Technology in Manufacturing EnterprisesChen Yiming,Li Shining,Liu Changqing,Song Lin（Qingzhou Cigarette Factory,Qingzhou Shandong 262500,China）Abstract:This article elaborates on the current application status of machine vision technology in the production and manufacturingindustry,as well as the main components of machine vision systems.This article introduces the application of machine vision technology infour aspects:product defect detection,product transportation anomaly detection,warehouse inventory,and missing box detection.Analyze theproblems in the application of machine vision technology in the production and manufacturing industry.Key words:machine vision;warehousing;inventory production manufacturing;defect detectionApplication of 4G+5G Converged Dispatch Communication Network in Underground Coal MineWang Hang（Shanxi Coking Coal Xishan Coal&Electricity(Group)Limited Liability Company,Taiyuan Shanxi030053,China）Abstract:Starting from the perspective of underground communication in coal mines,the 4G+5G convergent dispatching communicationnetwork construction scheme is proposed by analysing the communication demand of a coal mine,and the base station is reasonably deployedin a coal mine according to the corresponding scheme,and the economic effect of the actual communication network application is analysed.Key words:4G+5G;convergent scheduling;communication network;base station;application（上接第 177 页）180窑窑