中國煤科10大創新成果┃陳曉晶研究員：井下多場景全時空智能感算網聯終端研發及應用

2025年08月13日 16:57 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

中國煤科科技創新10大成果專欄

傳統煤礦井下作業面臨單兵/車載終端裝備算力不足、數據采集孤立、通信與定位功能割裂等問題，缺乏“感知-分析-決策-執行”全鏈條能力。隨著煤礦行業對“人-機-環”全要素安全管控的需求日益迫切，亟需通過智能感知網絡實現礦井環境的動態監測、人員健康實時預警、人機交互安全防護等功能，構建井下智能感知與協同控制的新型基礎設施，為煤礦安全生產和效率提升提供核心支撐。

文章來源：《智能礦山》2025年第7期“中國煤科科技創新10大成果專欄”

第一作者：陳曉晶，研究員，現任中煤科工集團常州研究院有限公司副總經理，主要從事煤礦自動化、信息化、智能化的相關研究工作。E-mail：chxjme@163.com

作者單位：中煤科工集團常州研究院有限公司

引用格式：陳曉晶，包建軍，金業勇. 井下多場景全時空智能感算網聯終端研發及應用[J].智能礦山，2025，6(7)：40-45.

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煤礦井下環境復雜多變，瓦斯濃度高、粉塵污染嚴重、空間受限，傳統感知和檢測手段依賴人工巡檢和有線設備，存在系統部署復雜、維護成本高、效率低、實時性差、數據孤島化等缺陷。隨著煤礦智能化轉型需求的提升，現有設備在算力、通信融合度及動態感知能力，難以滿足高效協同作業與精準安全管控的要求。傳統井下單兵裝備和車載設備的智能化水平不足，邊緣算力有限，人機協同效率低下，缺乏覆蓋全場景、全時空的智能終端系統以實現多維度數據的實時采集、分析與聯動控制。

中煤科工常州研究院有限公司開展井下多場景全時空智能感算網聯終端研發及應用，通過創新設計低功耗移動算力平臺和智能感知算法，攻克了井下裝備算力不足、數據孤立等關鍵技術難題；提出了動態時隙協議和中心-邊緣混合架構，開發了環境監測、體征感知等多功能算法；研制了包括定位卡、智能礦燈等系列終端設備，構建了覆蓋井下的“星網”感知通信網絡，實現了井下環境參數、人員狀態等數據的實時采集與分析，提升了煤礦安全監測和協同作業能力，為井下智能化作業提供了重要技術支撐。

智能感算網聯終端中心+邊緣協同架構

井下智能感算網聯終端采用中心+邊緣的協同計算架構，通過多模態網絡融合實現全時空數據感知與智能處理，以高性能低功耗移動計算平臺為核心，構建邊緣計算節點，通過集成4G/5G/WiFi6多模通信和UWB精確定位功能，在終端側實現數據采集與預處理。中心云平臺采用分布式架構，匯聚處理各邊緣節點數據，并通過SIP-IP協議棧統一調度全網資源。

基于上述架構，通過部署系列信息化礦燈、便攜式手持終端、智能腕表、通信定位手機、車載測算控一體化裝置等裝備，形成了全面覆蓋、高度集成的“井下星網”末端智能感知與通信網絡，構建起覆蓋井上井下的智能感算一體化網絡，滿足終端在定位導航、環境監測、應急通信等多場景下的計算需求，井下多場景全時空智能感算網聯終端研發及應用架構如圖1所示。

圖1 井下多場景全時空智能感算網聯終端研發及應用架構

1.1 算力支撐層（邊緣+中心架構）

高性能低功耗移動計算嵌入式軟硬件平臺采用模塊化架構設計，以MT8788八核處理器為核心（4×Cortex-A73+4×Cortex-A53），搭配Mali-G72 MP3 GPU（800 MHz）構成異構計算單元，提供4 GB RAM+64 GB ROM存儲配置。平臺采用模組+底板的堆疊架構，通過標準化接口實現4G/5G模組快速切換，其中5G模組支持uRLLC低時延通信端到端時延<10 ms，配合WiFi6模組實現單基站400~500 m巷道覆蓋。網絡子系統采用MPTCP多路徑傳輸協議，可實現WiFi與移動蜂窩網絡的無縫切換，并通過SIP-IP協議棧統一調度音視頻與傳感器數據流。

天線系統采用定制化的支架式貼裝結構，集成藍牙/WiFi5/4G/5G多頻段天線模組。模組通過Type-C接口實現AR眼鏡等外設擴展，滿足井下可穿戴設備嚴苛的能效要求。該平臺兼具高性能與低功耗特性，配合WiFi6的TWT節能技術可降低多設備能耗30%，為井下智能終端提供算力支撐。

針對井下復雜環境，開發了超低功耗多源融合高精度定位技術，融合UWB測距與慣性導航數據，實現了非視距條件的精確定位。采用基于四元數的姿態解算方法，將IMU傳感器采集的加速度和角速度信息轉換為東北天坐標系下的運動軌跡，以較小的計算資源克服了歐拉角存在的萬向節鎖問題。

在測距方面，以飛行時間法為基礎，使用三邊定位法和最小二乘法來計算標簽坐標。以此為基礎，構建出完整的井下智能定位解決方案。針對井下金屬設備密集環境的信號反射問題，采用SDS-TWR雙邊雙程測距算法結合自適應卡爾曼濾波技術，將測距誤差壓縮至11.26 cm，并通過UWB窄脈沖信號穿透性強、抗多徑干擾的特性，在采煤工作面等復雜區域保持定位穩定性，誤差波動控制<15%。

在混合定位技術方面，深度融合UWB測距數據與IMU慣性導航信息，采用基于四元數的UKF濾波算法，實現GPS拒止環境下的連續精確定位，定位誤差<20 cm。基于此高精度定位能力，開發出智能導航與路徑規劃功能，通過實時投影避災路線，動態避開瓦斯聚集區與坍塌風險點，導航響應時延<100 ms。通過優化傳感器協同調度機制和自適應功耗管理策略，在嵌入式計算平臺實現了業界領先的能效比，配合低功耗設計和智能休眠機制，系統待機功耗維持在微安級，為井下長期穩定運行提供了可持續的能源保障。

針對采掘工作面金屬設備眾多、電磁環境復雜，空中消息碰撞和電磁干擾，無線定位成功率低并容易產生錯誤數據等問題，設計了動態時隙協議機制，通過可變周期的時隙分配機制，結合跨車輛時隙對齊、空中消息校驗等方法，提高了定位成功率并自動篩選錯誤數據，增加了短時間內獲取的基礎定位數據，為濾波算法提供有效支撐，算力支撐層架構如圖2所示。

圖2 算力支撐層架構

1.2 網絡通信層（井下星網）

井下多場景全時空智能感算網聯終端的網絡通信層，采用“星-網-端”三維異構融合架構，構建全時空、多業務、高可靠通信基座。5G uRLLC技術實現端到端10 ms級低時延傳輸，滿足遠程操控需求。采用MPTCP協議實現多網絡智能切換，結合SIP-IP協議統一調度音視頻與傳感器數據。

UWB時空同步基站群提供厘米級定位，通過時間-空間雙重校驗機制增強軌跡跟蹤精度。在短距離通信方面，采用多從機藍牙通信技術，通過優化的廣播-掃描機制實現高效組網。基于BLE協議支持多設備動態連接，采用分時復用方式在從機模式下實現與多個主機的并行通信。

通過智能廣播管理策略，根據連接狀態動態調整廣播參數并利用發射功率與RSSI信號強度，計算路徑損耗實現近場感知。在連接建立階段，設備通過可配置的掃描策略發現周邊節點，結合地址過濾和服務匹配機制選擇性建立連接。當連接中斷時，系統自動觸發廣播/掃描恢復流程，維持穩定的網絡拓撲。通過采用固化設備地址和靈活的服務數據組合，保障設備唯一標識又支持多樣化的服務發現，為井下移動終端提供了可靠的短距離通信解決方案，網絡通信層（井下星網）架構如圖3所示。

圖3 網絡通信層（井下星網）架構

1.3 智能感知層（終端設備集群）

智能化感算網聯終端系統以本安型信息化礦燈為核心載體，集成了UWB精確定位、多參數環境監測和生命體征感知功能，通過4G/5G/WiFi6多模通信組網，協同本安型手環、腕式標識卡、通信定位手機和專用定位手持儀等穿戴設備，構建了具備環境感知、人員定位、健康監護和應急通信能力的單兵作業系統，提升了井下作業安全性、管理效率和智能化水平。智能單兵作業系統以感算一體化智能信息化礦燈為核心載體，整合智能化腕卡、便攜式手持儀和智能手環配套設備，構建了1套具備環境感知、人員定位、健康監護和應急通信能力的單兵作業系統，提升了井下作業安全性、管理效率和智能化水平。

（1）感算一體化智能信息化礦燈采用高性能MTK8788工業級智能平臺，具備強大的數據處理能力。通過模塊化設計集成了多媒體處理、環境感知與精確定位功能模塊，定位精度為±30 cm。采用分體式結構設計，確保在井下惡劣環境中可靠運行。

（2）智能化腕卡基于JL7012A體征監測MCU開發，支持UWB厘米級定位，集成了HX3605光電心率傳感器和六軸加速度計，可實現±2 bpm精度的心率監測和跌倒監測功能。

（3）便攜式手持儀作為系統管理終端，具備標簽卡巡檢、卡號修改、參數配置等實用功能，采用工業級設計滿足防爆要求。

（4）智能手環基于華為GT3原型機進行礦用化改造，在保持原有健康監測功能的基礎上，強化了防爆性能和續航能力。

智能化感算網聯系列終端的4類設備通過藍牙實現數據互聯，形成完整的單兵作業裝備網絡。通過模塊化設計實現了環境感知、人員定位、健康監護及應急通信的有機統一，智能感知層（終端設備集群）組成架構如圖4所示。

圖4 智能感知層（終端設備集群）組成架構

礦燈作為核心處理節點，匯聚腕卡、手環的體征數據與手持儀的巡檢信息，依托邊緣計算能力，實現本地環境異常、人員跌倒等智能預警。所有設備均符合礦用本安標準，兼顧高防護等級與長續航（礦燈>11 h、手環>7天的連續工作），為井下作業提供從個體防護到群體協同的全鏈條安全保障，提升煤礦智能化管理水平與應急響應效率。

智能感算網聯終端功能優勢

2.1 多場景智能感知與協同控制

多場景全時空智能感算網聯終端，通過集成UWB高精度定位、多參數環境監測及生命體征感知等數據采集與分析算法，實現了井下“人-機-環”全要素數據融合，構建了實時安全態勢感知體系；基于邊緣計算架構部署的智能協同控制中樞，采用分布式決策引擎實現采煤機、液壓支架、掘錨機、巡檢機器人等裝備的毫秒級狀態同步，通過5G/WiFi6雙模異構網絡構建低時延控制回環，提升綜采設備協同作業效率與安全預警能力。

多場景智能感知與協同控制系統，通過構建數據采集-特征提取-態勢評估-決策反饋的閉環智能鏈，實現工作面設備群自主避碰、危險區域動態電子圍欄、人員異常行為AI識別等主動安全防護功能，提升復雜地質條件下“人-機-環”協同作業的可靠性與應急響應速度，構建了透明化、自適應、可進化的智能開采系統。

2.2 全時空覆蓋的星網融合通信

構建“星-網-端”三維通信架構，采用4G/5G蜂窩網絡與WiFi6的多模冗余鏈路，結合UWB時空同步基站群，在千米級深井巷道中形成立體通信場域。基于MPTCP協議的異構網絡無感切換算法，支持4G/5G與WiFi6協議棧的無縫切換，構建了端到端低時延雙向控制通道，配合UWB定位數據的時間-空間雙重校驗機制，使井下移動終端在復雜拓撲環境中保持厘米級軌跡跟蹤精度，同時承載高清視頻回傳、設備群控指令、環境監測數據等多業務流并發傳輸。

全時空覆蓋的星網融合通信體系突破傳統單模網絡的空間盲區限制，實現從掌子面到運輸巷的全時空連續覆蓋，為智能裝備的自主導航、遠程實時操控及數字孿生系統構建，提供高可靠通信基座。

2.3 低功耗移動算力與邊緣智能

采用異構多核計算架構與輕量化實時操作系統，通過智能動態算力調度機制，實現了高效能邊緣計算。基于高性能核與能效核的協同分工，系統針對定位解算、生命體征分析等復雜算法與數據濾波、狀態編碼等輕量任務的差異化處理，優化計算資源利用率。通過構建“端-邊-云”協同計算體系，在終端側完成多源數據預處理與本地化推理，降低原始數據傳輸負荷，結合無線通信節能協議與自適應數據壓縮技術，有效控制設備功耗。

面向井下防爆場景的特殊要求，通過硬件級能效優化與智能電源管理策略，為移動巡檢裝備、可穿戴終端等設備提供長效穩定的運行保障，在確保本質安全的同時支撐邊緣智能應用的持續部署與迭代升級，為礦山智能化建設提供高可靠、自適應的邊緣移動算力基座。

智能感算網聯終端實踐應用及成效分析

井下多場景全時空智能感算網聯終端，針對煤礦井下異構裝備算力分散、數據孤島化、人機環協同效率低等痛點，構建了智能感知-動態組網-邊緣計算-云端協同的全棧技術體系，填補了井下復雜環境全域感知與實時決策的技術空白。通過深度融合高精度定位、多模態傳感與星網融合通信技術，在千米深井巷道中形成多維資源協同調度的智能網絡，提升井下作業的數字化管控水平與本質安全能力。

在實踐應用中，通過智能傳感終端與邊緣計算節點的動態部署，實現了采掘工作面、運輸巷、機電硐室等典型場景的全覆蓋。提升了煤礦井下各類設備的協同效率，減少了高風險區域人機交互事故發生。依托“云-邊-端”協同架構，打通了井下環境參數、設備狀態、人員行為的全要素數據鏈，構建了煤礦井下智能感知數據中臺，支撐了企業級安全生產智能決策系統開發，生命體征及環境監測可視化平臺界面如圖5所示，電子圍欄可視化平臺界面如圖6所示。

圖5 生命體征及環境監測可視化平臺界面

圖6 電子圍欄可視化平臺界面

井下多場景全時空智能感算網聯終端通過規模化部署，已在山東能源集團有限公司、濟寧能源發展集團有限公司、國家能源投資集團有限責任公司、華亭煤業集團有限責任公司、淮南礦業（集團）有限責任公司、內蒙古能源集團有限公司、陜西煤業化工集團有限責任公司等所屬煤礦得到廣泛應用，成功預警多類安全隱患，減少非計劃停機時長，推動煤礦安全管理模式從被動處置向主動預防轉型。產業化推廣帶動了礦用智能終端產業鏈升級，為礦山智能化建設提供了可復制的技術范式與商業化路徑。

總結

（1）井下多場景全時空智能感算網聯終端呈現出顯著趨勢。在異構裝備算力整合、打破數據孤島以及提升人機環協同效率等方面取得突出成果，填補了關鍵技術空白。

（2）創新性地融合高精度定位、多模態傳感與井下星網融合通信技術，實現千米深井巷道多維資源協同調度，是對傳統煤礦井下作業模式的重大突破。提升了井下作業數字化管控水平與本質安全能力，驗證了工業互聯網在極端環境的可行性，更形成了“終端研發-系統集成-服務運營"的完整商業生態，更推動了煤礦安全管理模式向主動預防轉型。

（3）未來朝著進一步提升智能化水平、拓展應用場景的方向發展，持續深化“云-邊-端”協同架構應用，加強與更多高新技術融合，為礦山智能化建設提供可復制的技術范式與更廣闊的商業化前景，助力整個煤炭行業實現高效、安全、綠色的可持續發展。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯系人：李編輯 010-87986441

郵發代號：82-476

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