矿用无线通信技术的现状及发展趋势

高旭彬 1 ， 2

1. 中国煤炭 科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006； 2. 煤矿采掘机械国家工程实验室 ，山西 太原 030006

摘要:近年来，随着“智慧矿山”的提出以及智能工作面的建设，煤矿井下对无线网络通信技术提出了更高的要求。本文从实际应用角度分析了煤矿井下对无线通信网络的特殊要求，阐述了目前井下所使用的无线通信网络的技术特点和应用场景，并探讨了矿井无线通信网络的发展趋势。

关键词：矿井；无线通信技术；WIFI；3G；4G；5G；Zigbee；RFID；UWB

中图分类号：TD65 文献标志码：A 文章编号：

0引言

随着智慧矿山建设的不断推进，越来越多的新产品和新技术助力于我国煤矿的安全、高效、绿色生产。无线通信技术作为智慧矿山建设的基础和关键，在煤矿的智能化进程中起着举足轻重的作用。我国大部分煤矿都是井工矿，复杂的地形和恶劣的环境制约着地面通信技术在煤矿井下的普及应用。煤矿井下特殊的环境对无线通信技术提出了特殊的要求：

1. 煤矿井下地形复杂、巷道狭长、多拐点、多分支、封闭的环境会导致无线电波产生多径干扰；

2. 煤矿井下设备电气化、机械化程度逐步提升，运行设备相对集中，设备之间存在电磁干扰，尤其是近年来变频器等大功率设备的使用，使得工作面电磁环境更加复杂，对无线通信的干扰非常严重；

3. 煤矿井下的空气中含有煤尘和瓦斯等可燃性气体，对矿用无线通信设备提出了防爆要求，限制设备最大输出功率的同时，无形中降低了通信设备的性能。

1无线通信技术在煤矿井下的应用

1.1超低频透地通信技术

超低频透地通信技术是利用超低频信号在一定电导率的混合岩中传播的原理，信号基站建在地面不易破坏，但因为信号频率低造成信道容量小、干扰大、应用范围受限，具有代表的产品是澳大利亚开发的PED（Personal Emergency Device）井下无线通信与求救系统。

1.2漏泄通信技术

漏泄通信技术是沿着巷道铺设漏泄电缆，利用漏泄电缆的漏泄原理实现矿井无线通信，具有抗干扰能力强、信号质量高等优点，但由于需要铺设漏泄电缆，所以具有灵活性不高、容易受到破坏等缺点，具有代表性的产品是加拿大的FlexCom井下无线通信系统。

1.3矿用Zigbee技术

Zigbee技术是建立于IEEE802.15.4标准之上的一种新型的短距离、低复杂度、低功耗、低速率传输、低成本的无线技术，主要运用于短距离无线传输，是一种介于无线局域网和蓝牙之间的技术。Zigbee采用直接序列扩频技术，工作频段为2.4GHz，传输速率为250kbps，传输距离可达上百米。

Zigbee技术在矿井方面的应用主要是井下人员定位系统和井下语音通信系统，虽然其网络容量大、组网方便，具有较好的通用性和开放性，但由于其传输速率低、抗扰性差等缺点，严重影响了其在煤矿井下的大范围应用^[1]。

1.4矿用蜂窝通信技术

矿用小灵通技术应用的是蜂窝状无线电通信的原理，将地面上应用成熟的小灵通系统经过防爆处理后引入到煤矿井下，通过将煤矿井下庞大的空间划分为几个小区域，实现近距离点对线的无线通信替代常规的远距离点对点的无线通信。矿用小灵通系统实现了井上井下双向语音通话的功能，具有安装方便，维护简单、占用设备少、成本低廉等特点，但其无法满足现代矿井数字化和可视化的通信要求。

3G通信技术是随着公共移动通信网络发展而产生的，是在小灵通技术上的升级版。相较于小灵通技术，3G技术不仅能够满足井下通话、短信和可视电话，还能实现对井下数据的监测监控，提高了我们对矿井的感知能力，但带宽低、通讯速度慢，覆盖面积小，达不到智能化矿井通信建设的要求。

4G是第四代移动通信技术的简称。矿用4G通信技术是随着公共移动网络4G技术发展起来的，具有更大的带宽、更高的速率，可为矿井提供可视通话、视频监控等服务，但是其带宽有限，无法实现大量视频数据的传输，而且，4G网络延时较大，无法达到远程实时控制的低延时要求^[2]。

1.5矿用WiFi技术

WiFi是基于IEEE802.11系列标准的无线通信技术，组网灵活、网络拓展性好，既方便与工业以太网连接，也支持Mesh网络技术。网络兼容性好，只要是符合WiFi协议的设备都可以方便地通过WiFi建立通信连接，实现无线通信。传输速率较高，特殊的传输机制可保证其上下行传输速率一样，相比于4G网络下行速率高、上行速率低的特点，WiFi更适用于煤矿井下数据传输，

主要应用于有线网络的延伸、无线调度系统、应急通信系统、数据采集和远程控制系统等，是当下应用最广最成熟的无线通信网络技术^[3]。

1.6矿用RFID技术

RFID技术是物联网感知层的关键技术之一。RFID技术利用射频进行空间耦合进而实现非接触自动识别。RFID系统由读写器、电子标签和天线三部分构成，电子标签在读写器范围内时，射频通过天线进行空间耦合交换信息，实现对标签的识别和读写操作。矿用RFID技术具有读取距离远、识别速率高，体积小、数据量大，耐久度高、可重复使用等特点，主要应用于煤矿企业设备管理系统和井下人员定位系统等，具有广泛的应用前景。

1.7 矿用UWB技术

UWB超宽带技术是一种新兴的无载波通信技术，采用了持续时间极短（纳秒级）、占空比极低的窄脉冲信号，接收端能够将收到的多径信号在时间上进行有效的分隔，使其时间和空间分辨率很高，所以具有很强的抗多径干扰和很高的测距精度；UWB技术占用的频段为3.1GHz˜10.6GHz，因此其信道容量更大，传输速率也更大，可以容纳巷道内更多的机车、人员等目标信息。UWB技术在需要时发送的是脉冲电波，不需要载波，所以相较于其他无线通信技术功耗更低、结构更加简单，成本也就更低。以上的技术特点使其更多的应用于井下矿用机车防撞系统、矿井移动多目标定位系统、矿井短距离多媒体信息传输系统等，且随着技术的不断成熟，UWB技术将会有更大的发展潜力和应用前景^[4]。

2 煤矿井下无线通信技术的发展趋势

2.1可见光通信技术、5G技术和Wi-Fi6技术等在矿井无线通信领域的应用

可见光无线通信技术在矿井需要照明的前提下具有天然的优势，但由于技术不成熟仍未有将可见光通信应用于矿井的现实案例；5G作为4G和3G的发展，拥有更高带宽和更大速率，更低的延时即可满足远程控制的要求。Wi-Fi6作为Wi-Fi最新的系列标准，传输带宽更大，传输速率更高，两者结合使用，将成为将来煤矿井下无线通信的主流技术方案^[5]。

2.2多种无线通信技术融合和信息共享

随着矿井无线通信技术的不断发展，井下不同的应用场景将采用不同的通信方式，多种无线通信网络使用下必然出现一系列的问题，子系统种类繁多，网络相互独立，信息不能共享等，解决上述问题必须要对多种无线通信技术进行融合和数据共享，这也是智慧矿山建设的必要要求。

3 结语

无线通信技术作为智慧矿山建设的基础和关键技术，一直都是相关领域专家学者研究的重要领域。为了能够适应井下的生产要求，无线通信系统应该具备远距离通信、大的数据容量、及时可靠的数据传输、灵活方便的网络部署、较强的抗扰性能以及安全的防爆性能等。矿井下特殊的情况制约着矿用通信技术的应用，构建符合矿井实际的无线网络系统对于提高矿井生产效率、减人少人、抗灾救灾，建设智慧化矿山具有重要的意义。

作者简介：高旭彬（1979-），男，山东潍坊，副研究员，本科，2003年毕业与山东科技大学，主要从事煤矿电气自动化产品的开发、设计工作。发表论文15篇。

参考文献

[1]王飞,宋文,戴剑波,徐素珍.基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统的设计与实现[J].矿业安全与环保,2011,38(6)：41-43.

[2]任文清.4G无线网络通信技术在大柳塔煤矿的应用[J].陕西煤炭,2018,(3):94-98.

[3]王军,顾义东,曾苛.WiFi通信技术在煤矿信息化中的应用分析[J].工矿自动化,2017,43(7):90-92.

[4]陈新科,喻川,文智力.UWB定位技术在煤矿井下的应用[J].煤炭科学技术，2018,46(6):187-189.

[5]孙继平,陈晖升.智慧矿山与5G和WiFi6[J].工矿自动化,2019，45(10)：1-4.