5G矿用智能安全管控平台在井工矿专网中的实用性

曹童杰，王忠新，李丕范，谭皓予

（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

0 引 言

煤炭是我国能源结构中最重要的资源之一，作为能源生产的核心，在我国快速发展的重要阶段，煤炭的需求量不断提升，煤矿安全事故却频发，对我国的综合水平发展造成了严重的负面影响[1-3]。因此，如何利用现代工业技术提高资源提取率和保障人员安全成为了亟待解决的问题，也成为了煤炭现代化提出的要求[4]。

据不完全统计，近3年我国煤矿发生生产安全事故649起、死亡1 047人，究其原因，很大一部分是由于井下工作人员操作不标准、值守疏忽、安全隐患没有及时发现、告警信息没有及时回传以及人员无法实时准确定位延误救援等问题导致的[5，6]。《煤矿安全规程》中规定，“所有矿井必须装备安全监控系统、人员位置监测系统、有线调度通信系统”，这些系统均是为了提升煤矿井下的智能化水平，保障人员生命安全[7]。装备这些系统主要要考虑2个方面：网络和应用平台[8]。在网络方面，传统的井下网络以3G、4G、Wi-Fi覆盖为主，但由于其在带宽、容量、时延和可靠性等方面有局限性，存在覆盖不足、时延抖动不满足等问题，已不能满足煤矿智能化发展的需求。2020年，工信部下发《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》，全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障，越来越多的煤矿企业开始打造自己的5G专网，并不断进行5G赋能矿山的探索，为煤矿智能化建设打下坚实的基础[9]。在平台方面，基于煤矿网络的现状和趋势，应着力打造适用于煤矿井下的专用平台，打破“烟囱式”平台局面，集成5G通信、音视频通话、实时定位、环境状态感知、人员状态监测等功能，形成“一平台多应用”局面。本文以5G矿用智能安全管控平台为例，介绍了该平台的功能及设计，结合安全帽，并基于5G通信在矿井下带来的优势，分析了它的实用性[10]。

1 5G技术应用于煤矿井下的必要性

随着煤矿智能化、信息化发展，井下智能设备呈现爆发式增长，实时数据达到GB/s级，对传统的井下网络造成巨大压力[11]。5G具有大带宽、低时延、广连接能力，不仅是1项新的通信技术，更是1个开放的信息交换和处理系统[12]。作为新一代无线通信技术，5G的特性能为煤矿智能化提供高质量的通信保障，为井下环境数据采集监测、高清音视频通话、实时人员定位、人员安全监测等方面提供重要的技术支撑，降低网络维护费用，节约人工成本，提升经济效益，保障人员安全[13]。

2 智能安全管控平台功能及设计

井下人员需要实时佩戴多种防护设备，如安全帽、定位卡、手电筒等。传统的防护设备仅能起到被动防御的作用或只具有单一的功能，设备过多导致携带负担过大，还容易出现“烟囱化”“信息孤岛”现象[14,15]。5G矿用智能安全管控平台很好地解决了这个问题，它在传统安全帽上集成了5G通信模组、主控模块、电源模块、SOS模块、照明模块、广播模块、撞击/静默/跌倒检测模块、生命体征监测模块、温度传感器、气体传感器、定位装置等，提供了井下工作人员在生产过程中所需的绝大部分功能，是1种高智能化和高度集成的平台。图1为5G矿用智能安全管控平台的架构设计。

图1 5G矿用智能安全管控平台的架构设计

5G矿用智能安全管控平台包括数据中心、数据分析模块、数据存储模块和数据传输模块，数据中心从核心模块接收数据，并传到数据分析模块和数据存储模块中，数据分析模块会对采集到的信息进行分析，如是否发生异常情况，气体浓度是否超过阈值，并将结果回传至核心模块和控制终端，控制终端可以随时查看数据信息或发出控制指令。其典型功能模块包括如下部分。

2.1 核心模块

核心模块包括平台的一些系统关键模块：电源模块、主控模块、5G通信模块。这部分是安全管控平台的“大脑”和“心脏”，提供动力，汇聚和交互信息，主要包括音视频接收模块、环境数据采集模块、人员状态模块、紧急呼叫模块和控制终端的信息，并反馈指令和信息至终端设备。

2.2 音视频模块

音视频模块主要由集成在安全帽上和平台侧的超清摄像头、扬声器、收音器、解编码器等装置组成。摄像头和收音器将采集到的图像和声音数据传输到编解码模块，再经视频流处理后通过5G通信模块上传至安全管控平台，因此平台侧和端侧可以进行音视频通话。

2.3 定位模块

定位模块主要考虑5G+超宽带（Ultra Wide Band，UWB)单元，通过5G通信模块将实时位置信息从UWB基站和5G分布式基站回传到安全管控平台。

2.4 人员状态模块

人员状态模块主要通过静默、撞击、跌倒、脱帽、生命体征传感器实时监测井下工作人员的状态。如脱帽检测，通过放置在终端装置内部的压力应变片的变化情况来检测工作人员是否正确佩戴安全帽，当检测到违规佩戴或未佩戴，会发出告警信息，同时将警报通过5G通信模块回传到安全管控平台，提示平台端监控人员。

2.5 环境数据采集

环境数据采集包括气体检测模块（瓦斯气体、一氧化碳、硫化氢、氧气等）、温湿度检测模块、近电感应模块和粉尘浓度检测模块；分别采用MQ2瓦斯气体传感器、ZE07-CO一氧化碳传感器、JXMH2S硫化氢传感器、JXM-O2氧气传感器、HTU21D温湿度传感器、LN500近电感应器和SDS198粉尘浓度传感器。传感器的输出端与核心模块相连并将数据回传至安全管控平台，当发生异常情况，如气体浓度超过阈值时，发出警报。

2.6 其他模块

其他模块主要包括照明模块、广播模块和SOS模块。照明模块位于安全帽设备前端，广播模块位于侧面，与核心模块的输出端相连；照明模块根据环境光线手动或自动启闭照明；广播模块由后台人员操作，向现场工作人员下达广播或当环境监测值达到阈值时自动开启语音播报功能提醒现场工作人员；SOS模块与核心模块的输入端相连，并把报警信息上传至安全管控平台，用于突发事件时现场工作人员向后台人员求助。

3 5G矿用安全管控平台的实用性分析

基于5G在煤矿井下的优势，5G矿用智能安全管控平台也有着广阔的前景。

（1）音视频模块。音视频系统主要用于实时采集和传输井下人员工作及环境情况，目前矿井下常用的是固定式摄像机，只能安装在特定位置，覆盖范围较小，不能对生产工作情况进行全面监控；且井下生产环境恶劣，粉尘覆盖会极大影响摄像头的清晰度和照射范围，维护起来费时费力，从一定程度上阻碍了矿山智能化发展。智能安全帽上的摄像头、收音器和安全管控平台之间通过5G相连，既能利用5G的大带宽，捕捉传统固定式摄像头不能拍摄到的画面，又能与固定式摄像头联动，实时了解井下工作人员的状态和工作情况；双向语音通话解决了井上井下协作的空间困难，提高了井下工作效率。

（2）定位模块。传统的井下人员定位技术多为蓝牙、Wi-Fi、UWB，但在定位精度、传输距离等方面都有一定的局限性。采用5G+UWB定位技术，能利用UWB基站能耗低、抗干扰性强的特性，又能利用5G低时延和广连接的特性将定位信息回传至云平台，克服了单一技术的短板，解决了井下人员实时定位问题。

（3）其他模块。安全帽上的环境数据采集模块、人员状态监测模块、广播模块、SOS模块等，不仅能通过5G矿用智能安全管控平台对作业人员进行实时监控提醒，提高工作效率，规范现场作业，还能实时监控人员身体和意外情况，有效保障人员安全。

5G矿用智能安全管控平台可以看作是安全帽的井上指挥后台系统。重点立足本质安全“人、机、 环、管”4要素中的“人”，通过实时音视频通话、定位、环境信息采集、人员状态监控等功能，动态跟踪人员行为，辨识异常情况，及时发出告警信息；后台指挥人员可以随时掌握生产现场动态，当发生安全事故时，根据采集到的信息，开展应急行动，协助救援，最大程度减少人员伤亡和财产损失[16]。

4 结 论

煤矿安全始终是我国安全生产的重中之重。随着5G网络和煤矿井下智能化的建设，智能化平台和终端设备被广泛应用，为了解决井上井下人员信息交互不及时不顺畅、井下工作人员安全生产防护力度不够等问题，本文提出了一种5G矿用智能安全管控平台并分析了它的实用性。针对目前井下生产遇到的困难和安全问题，本文利用5G和物联网赋能传统安全帽，并结合5G矿用智能安全管控平台，融入了音视频通话、实时定位、环境感知、人员状态感知、紧急呼救等功能，平台具有高度的集成性和智能性，在煤矿智能化安全领域具有广阔的应用前景。本文分析了5G矿用智能安全管控平台的业务模块和架构设计，并通过其在井下的功能论证了它的实用性。随着5G在井下的覆盖率不断提升，5G矿用智能安全管控平台也会越来越普及，并真正投入生产使用，提高生产效率，减少安全事故，助力煤矿行业转型升级和智能化发展。