中国矿业大学：孙彦景教授——矿山动态协同作业场景无线通信关键技术

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随着智能化装备和工业机器人技术的发展，矿山开采过程逐渐趋向无人/少人化，亟需解决数据的高效连续传输问题，如矿山动态协同作业场景下大量的数据采集和传输、多样的用户设备接入以及低时延的控制操作等。

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矿山动态协同作业场景的通信技术需求

在智能矿山的机器人动态协同作业过程中,为进行统一协调处理和快速反馈控制,对矿山通信网络的可靠性、实时性提出了更高要求,主要包括:

(1)矿山通信需满足智能化开采过程的泛在信息感知要求,解决语音、视频、信息、位移、压力、振动、瓦斯、位置、温度等多类型快速生成且体量巨大的数据的高带宽、低时延传输问题。

(2)矿山通信需实现矿山物联网底层的端端互联,满足井下密集传感、协同运维、人机交互、切割引导、自主导航、高清多媒体等众多智能综采设备群组的协同交互要求。

(3)矿山通信需适应各类智能综采设备及设备群的高效协调、快速反馈和处理控制要求,包括自适应截割及掘进、故障预判与远程干预、车载跟踪与碰撞规划、辅助系统联动等,保障矿井生产的高效与安全。这对网络传输的高效连续性有着极高要求。

智能矿山生产系统示意(以煤矿为例)

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矿山无线通信技术应用现状与发展趋势

指出现有的矿山通信系统在应对智能化的矿山作业场景时,仍存在很多不足:

(1)现有的矿山网络结构仍是面向安全监控的汇聚式网络,对采、掘装备的远程操作依然是单机操控或多机联动的模式,未实现面向无人开采场景下分布式机物信息交互和装备协同作业。

(2)WiFi,4G/5G等无线通信技术,面向复杂作业场景应用,在带宽、延时、并发数量、脉冲干扰、移动性等方面还有待突破。

(3)现有相关矿山无线通信系统的设计目的是为了解决如何将生产作业过程中传感、控制、音频、视频等数据传输至地面信息中心,未能充分考虑智能开采机物协同过程对多业务信息传输的协同交互、低时延、高可靠性的要求。

(4)当前矿山生产领域使用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭,工业设备互联互通难,用户使用体验较差。

智能矿山协同作业场景的无线网络架构

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矿山无线通信关键技术瓶颈

指出面向矿山无人化开采中机物协同作业场景的网络与通信需求,在多业务交互协同网络框架下需要克服以下技术瓶颈:

(1)动态受限空间非高斯脉冲干扰下的信道估计与干扰管理。矿山井下的巷道空间狭长多叉;开采作业环境场景多样;设备布设复杂;随着作业设备的联动及位置改变、巷道的挖掘与岩石放顶,巷道结构及电磁传输环境不断变化;工业电磁噪声突出,主要表现为非高斯脉冲干扰;空气中粉尘严重。上述因素造成矿井的无线信道传输特性复杂且特殊,信道估计及干扰管理问题严峻,限制了高可靠、高带宽、低时延的先进通信技术与通信系统在煤矿井下的应用。

(2)动态协同作业场景的网络快速响应。矿山智能开采过程中,多源、多目标数据以并发方式传输;用户业务传输的数据特点和传输需求差别很大,且动态多变。因此,在业务交互高峰时段极易出现多条链路对频谱等多类资源的竞争,引发数据拥堵、流量过载等问题,为基站的快速响应和资源分配带来了更多挑战,井下多机器业务交互的数据延续性难以得到保证。

(3)多源异构用户的动态接入。前置接入设备的使用可在一定程度上有效保障移动用户与微基站之间的物理可靠传输。然而,接入设备的工作带宽受限,巷道电磁传输环境的动态变化、信号传输质量的不稳定以及大量多源异构用户的资源争夺等问题,使得接入网容量有限性与频谱资源匮乏之间的矛盾激化,智能机器人、设备、系统等数据的高效实时接入与传输难以得到保证。

矿山电磁环境特征与信道传输特性

要突破矿山无线通信的关键技术瓶颈,需要解决以下问题:

(1)提取并分析矿山动态作业环境中的非高斯脉冲干扰特征及无线信道的空-时-频域统计特性;设计相应的信道估计以及预编码算法。

(2)深入挖掘智能矿山作业场景中多用户业务类型、QoS需求差异以及物理层传输指标等的多维业务属性耦合匹配关系;研究用户多业务属性感知方法;设计以用户多业务属性耦合为基础的资源分配方法。

(3)紧密结合矿山用户的业务变化、业务趋同性以及通信环境的时变特性,在有限频谱资源条件下,优化矿山多源异构设备的动态调整、分组、切换与接入;实现时域、空域、编码域及功率域等多维资源的精细化协同管理和分配。

智能矿山协同作业场景下的无线通信关键技术

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多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信关键技术

针对矿山动态协同作业场景的通信需求和矿山无线通信当前的技术瓶颈，孙彦景教授团队提出基于多业务属性驱动的无线通信模式：

（1）利用无线信道的非高斯脉冲干扰空-时-频域动态统计规律,对无线系统捕获的非完美CSI进行估计。

（2）利用设计合理的预编码,抑制矿井的工业噪声,提升链路质量和系统容量。

（3）根据矿山作业场景相关业务特性、服务质量与物理层传输指标的内在关联,采取超图映射和边权赋值实现用户或设备的多维业务属性感知。

（4）综合运用超图匹配、图论、博弈论、非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)等方法,从信道-链路-业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互传输通信链路和信道的匹配、多跳用户链路匹配、多业务QoS要求与链路匹配等快速匹配问题。

基于业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信模式

物理设备域到信息业务域的虚拟映射

基于业务属性感知的D2D单跳/多跳自适应链路建立示意

多通信链路混合网络频谱资源的K-维匹配方法

业务属性驱动的3-维动态二分图匹配

作者简介

孙彦景，1977年10月生，中共党员，博士，教授，信息与通信工程学科博士生导师，现任中国矿业大学信息化建设与管理处处长。研究方向为复杂环境下无线通信、信息物理系统、无线传感网、工业物联网等。

煤炭工业通信监控设备技术委员会委员、中国安全协会信息化工作委员会委员、国家自然科学基金评审专家、江苏省电子学会理事。先后入选江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师、“333工程”培养对象、江苏省六大人才高峰、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人等人才工程。

在IoT、TVT、Wireless Communication
Letter等国内外高水平期刊上发表论文90余篇，其中SCI收录30余篇、EI收录30余篇；出版著作2部；申请发明专利、实用新型专利60余项，其中授权发明专利7项、授权实用新型专利18项；围绕矿山物联网、智能安监等方面的研究工作，获2018年（第二）、2016年（第一）江苏省科技进步二等奖、2015年煤炭工业协会科技进步二等奖、2012年教育部科技进步二等奖、2015年教育部科技进步二等奖等省部级奖项共7项；主持、参与科研项目30余项，其中主持国家自然科学基金（面上项目）3项、参与国家自然科学基金重点项目（子课题）1项，国家重点研发计划项目（项目骨干第2）1项。

来源：

孙彦景,霍羽,陈岩,等. 矿山动态协同作业场景无线通信关键技术[J]. 煤炭学报,2021,46(1):321-332.

SUN Yanjing,HUO Yu,CHEN Yan,et al. Key technology of service attribute driven wireless communication for dynamic cooperative operations in mining scenarios[J]. Journal of China Coal
Society,2021,46(1):321-332.

责任编辑：郭晓炜

编辑整理：郭晓炜

审核：常 琛

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