中国煤科10大创新成果┃陈晓晶研究员：井下多场景全时空智能感算网联终端研发及应用

中国煤科科技创新10大成果专栏

传统煤矿井下作业面临单兵/车载终端装备算力不足、数据采集孤立、通信与定位功能割裂等问题，缺乏“感知-分析-决策-执行”全链条能力。随着煤矿行业对“人-机-环”全要素安全管控的需求日益迫切，亟需通过智能感知网络实现矿井环境的动态监测、人员健康实时预警、人机交互安全防护等功能，构建井下智能感知与协同控制的新型基础设施，为煤矿安全生产和效率提升提供核心支撑。

煤矿井下环境复杂多变，瓦斯浓度高、粉尘污染严重、空间受限，传统感知和检测手段依赖人工巡检和有线设备，存在系统部署复杂、维护成本高、效率低、实时性差、数据孤岛化等缺陷。随着煤矿智能化转型需求的提升，现有设备在算力、通信融合度及动态感知能力，难以满足高效协同作业与精准安全管控的要求。传统井下单兵装备和车载设备的智能化水平不足，边缘算力有限，人机协同效率低下，缺乏覆盖全场景、全时空的智能终端系统以实现多维度数据的实时采集、分析与联动控制。

中煤科工常州研究院有限公司开展井下多场景全时空智能感算网联终端研发及应用，通过创新设计低功耗移动算力平台和智能感知算法，攻克了井下装备算力不足、数据孤立等关键技术难题；提出了动态时隙协议和中心-边缘混合架构，开发了环境监测、体征感知等多功能算法；研制了包括定位卡、智能矿灯等系列终端设备，构建了覆盖井下的“星网”感知通信网络，实现了井下环境参数、人员状态等数据的实时采集与分析，提升了煤矿安全监测和协同作业能力，为井下智能化作业提供了重要技术支撑。

01、智能感算网联终端中心+边缘协同架构

井下智能感算网联终端采用中心+边缘的协同计算架构，通过多模态网络融合实现全时空数据感知与智能处理，以高性能低功耗移动计算平台为核心，构建边缘计算节点，通过集成4G/5G/WiFi6多模通信和UWB精确定位功能，在终端侧实现数据采集与预处理。中心云平台采用分布式架构，汇聚处理各边缘节点数据，并通过SIP-IP协议栈统一调度全网资源。

基于上述架构，通过部署系列信息化矿灯、便携式手持终端、智能腕表、通信定位手机、车载测算控一体化装置等装备，形成了全面覆盖、高度集成的“井下星网”末端智能感知与通信网络，构建起覆盖井上井下的智能感算一体化网络，满足终端在定位导航、环境监测、应急通信等多场景下的计算需求，井下多场景全时空智能感算网联终端研发及应用架构如图1所示。

图1 井下多场景全时空智能感算网联终端研发及应用架构

1.1 算力支撑层（边缘+中心架构）

高性能低功耗移动计算嵌入式软硬件平台采用模块化架构设计，以MT8788八核处理器为核心（4×Cortex-A73+4×Cortex-A53），搭配Mali-G72 MP3 GPU（800 MHz）构成异构计算单元，提供4 GB RAM+64 GB ROM存储配置。平台采用模组+底板的堆叠架构，通过标准化接口实现4G/5G模组快速切换，其中5G模组支持uRLLC低时延通信端到端时延<10 ms，配合WiFi6模组实现单基站400~500 m巷道覆盖。网络子系统采用MPTCP多路径传输协议，可实现WiFi与移动蜂窝网络的无缝切换，并通过SIP-IP协议栈统一调度音视频与传感器数据流。

天线系统采用定制化的支架式贴装结构，集成蓝牙/WiFi5/4G/5G多频段天线模组。模组通过Type-C接口实现AR眼镜等外设扩展，满足井下可穿戴设备严苛的能效要求。该平台兼具高性能与低功耗特性，配合WiFi6的TWT节能技术可降低多设备能耗30%，为井下智能终端提供算力支撑。

针对井下复杂环境，开发了超低功耗多源融合高精度定位技术，融合UWB测距与惯性导航数据，实现了非视距条件的精确定位。采用基于四元数的姿态解算方法，将IMU传感器采集的加速度和角速度信息转换为东北天坐标系下的运动轨迹，以较小的计算资源克服了欧拉角存在的万向节锁问题。

在测距方面，以飞行时间法为基础，使用三边定位法和最小二乘法来计算标签坐标。以此为基础，构建出完整的井下智能定位解决方案。针对井下金属设备密集环境的信号反射问题，采用SDS-TWR双边双程测距算法结合自适应卡尔曼滤波技术，将测距误差压缩至11.26 cm，并通过UWB窄脉冲信号穿透性强、抗多径干扰的特性，在采煤工作面等复杂区域保持定位稳定性，误差波动控制<15%。

在混合定位技术方面，深度融合UWB测距数据与IMU惯性导航信息，采用基于四元数的UKF滤波算法，实现GPS拒止环境下的连续精确定位，定位误差<20 cm。基于此高精度定位能力，开发出智能导航与路径规划功能，通过实时投影避灾路线，动态避开瓦斯聚集区与坍塌风险点，导航响应时延<100 ms。通过优化传感器协同调度机制和自适应功耗管理策略，在嵌入式计算平台实现了业界领先的能效比，配合低功耗设计和智能休眠机制，系统待机功耗维持在微安级，为井下长期稳定运行提供了可持续的能源保障。

针对采掘工作面金属设备众多、电磁环境复杂，空中消息碰撞和电磁干扰，无线定位成功率低并容易产生错误数据等问题，设计了动态时隙协议机制，通过可变周期的时隙分配机制，结合跨车辆时隙对齐、空中消息校验等方法，提高了定位成功率并自动筛选错误数据，增加了短时间内获取的基础定位数据，为滤波算法提供有效支撑，算力支撑层架构如图2所示。

图2 算力支撑层架构

1.2 网络通信层（井下星网）

井下多场景全时空智能感算网联终端的网络通信层，采用“星-网-端”三维异构融合架构，构建全时空、多业务、高可靠通信基座。5G uRLLC技术实现端到端10 ms级低时延传输，满足远程操控需求。采用MPTCP协议实现多网络智能切换，结合SIP-IP协议统一调度音视频与传感器数据。

UWB时空同步基站群提供厘米级定位，通过时间-空间双重校验机制增强轨迹跟踪精度。在短距离通信方面，采用多从机蓝牙通信技术，通过优化的广播-扫描机制实现高效组网。基于BLE协议支持多设备动态连接，采用分时复用方式在从机模式下实现与多个主机的并行通信。

通过智能广播管理策略，根据连接状态动态调整广播参数并利用发射功率与RSSI信号强度，计算路径损耗实现近场感知。在连接建立阶段，设备通过可配置的扫描策略发现周边节点，结合地址过滤和服务匹配机制选择性建立连接。当连接中断时，系统自动触发广播/扫描恢复流程，维持稳定的网络拓扑。通过采用固化设备地址和灵活的服务数据组合，保障设备唯一标识又支持多样化的服务发现，为井下移动终端提供了可靠的短距离通信解决方案，网络通信层（井下星网）架构如图3所示。

图3 网络通信层（井下星网）架构

1.3 智能感知层（终端设备集群）

智能化感算网联终端系统以本安型信息化矿灯为核心载体，集成了UWB精确定位、多参数环境监测和生命体征感知功能，通过4G/5G/WiFi6多模通信组网，协同本安型手环、腕式标识卡、通信定位手机和专用定位手持仪等穿戴设备，构建了具备环境感知、人员定位、健康监护和应急通信能力的单兵作业系统，提升了井下作业安全性、管理效率和智能化水平。智能单兵作业系统以感算一体化智能信息化矿灯为核心载体，整合智能化腕卡、便携式手持仪和智能手环配套设备，构建了1套具备环境感知、人员定位、健康监护和应急通信能力的单兵作业系统，提升了井下作业安全性、管理效率和智能化水平。

（1）感算一体化智能信息化矿灯采用高性能MTK8788工业级智能平台，具备强大的数据处理能力。通过模块化设计集成了多媒体处理、环境感知与精确定位功能模块，定位精度为±30 cm。采用分体式结构设计，确保在井下恶劣环境中可靠运行。

（2）智能化腕卡基于JL7012A体征监测MCU开发，支持UWB厘米级定位，集成了HX3605光电心率传感器和六轴加速度计，可实现±2 bpm精度的心率监测和跌倒监测功能。

（3）便携式手持仪作为系统管理终端，具备标签卡巡检、卡号修改、参数配置等实用功能，采用工业级设计满足防爆要求。

（4）智能手环基于华为GT3原型机进行矿用化改造，在保持原有健康监测功能的基础上，强化了防爆性能和续航能力。

智能化感算网联系列终端的4类设备通过蓝牙实现数据互联，形成完整的单兵作业装备网络。通过模块化设计实现了环境感知、人员定位、健康监护及应急通信的有机统一，智能感知层（终端设备集群）组成架构如图4所示。

图4 智能感知层（终端设备集群）组成架构

矿灯作为核心处理节点，汇聚腕卡、手环的体征数据与手持仪的巡检信息，依托边缘计算能力，实现本地环境异常、人员跌倒等智能预警。所有设备均符合矿用本安标准，兼顾高防护等级与长续航（矿灯>11 h、手环>7天的连续工作），为井下作业提供从个体防护到群体协同的全链条安全保障，提升煤矿智能化管理水平与应急响应效率。

02、智能感算网联终端功能优势

2.1 多场景智能感知与协同控制

多场景全时空智能感算网联终端，通过集成UWB高精度定位、多参数环境监测及生命体征感知等数据采集与分析算法，实现了井下“人-机-环”全要素数据融合，构建了实时安全态势感知体系；基于边缘计算架构部署的智能协同控制中枢，采用分布式决策引擎实现采煤机、液压支架、掘锚机、巡检机器人等装备的毫秒级状态同步，通过5G/WiFi6双模异构网络构建低时延控制回环，提升综采设备协同作业效率与安全预警能力。

多场景智能感知与协同控制系统，通过构建数据采集-特征提取-态势评估-决策反馈的闭环智能链，实现工作面设备群自主避碰、危险区域动态电子围栏、人员异常行为AI识别等主动安全防护功能，提升复杂地质条件下“人-机-环”协同作业的可靠性与应急响应速度，构建了透明化、自适应、可进化的智能开采系统。

2.2 全时空覆盖的星网融合通信

构建“星-网-端”三维通信架构，采用4G/5G蜂窝网络与WiFi6的多模冗余链路，结合UWB时空同步基站群，在千米级深井巷道中形成立体通信场域。基于MPTCP协议的异构网络无感切换算法，支持4G/5G与WiFi6协议栈的无缝切换，构建了端到端低时延双向控制通道，配合UWB定位数据的时间-空间双重校验机制，使井下移动终端在复杂拓扑环境中保持厘米级轨迹跟踪精度，同时承载高清视频回传、设备群控指令、环境监测数据等多业务流并发传输。

全时空覆盖的星网融合通信体系突破传统单模网络的空间盲区限制，实现从掌子面到运输巷的全时空连续覆盖，为智能装备的自主导航、远程实时操控及数字孪生系统构建，提供高可靠通信基座。

2.3 低功耗移动算力与边缘智能

采用异构多核计算架构与轻量化实时操作系统，通过智能动态算力调度机制，实现了高效能边缘计算。基于高性能核与能效核的协同分工，系统针对定位解算、生命体征分析等复杂算法与数据滤波、状态编码等轻量任务的差异化处理，优化计算资源利用率。通过构建“端-边-云”协同计算体系，在终端侧完成多源数据预处理与本地化推理，降低原始数据传输负荷，结合无线通信节能协议与自适应数据压缩技术，有效控制设备功耗。

面向井下防爆场景的特殊要求，通过硬件级能效优化与智能电源管理策略，为移动巡检装备、可穿戴终端等设备提供长效稳定的运行保障，在确保本质安全的同时支撑边缘智能应用的持续部署与迭代升级，为矿山智能化建设提供高可靠、自适应的边缘移动算力基座。

03、智能感算网联终端实践应用及成效分析

井下多场景全时空智能感算网联终端，针对煤矿井下异构装备算力分散、数据孤岛化、人机环协同效率低等痛点，构建了智能感知-动态组网-边缘计算-云端协同的全栈技术体系，填补了井下复杂环境全域感知与实时决策的技术空白。通过深度融合高精度定位、多模态传感与星网融合通信技术，在千米深井巷道中形成多维资源协同调度的智能网络，提升井下作业的数字化管控水平与本质安全能力。

在实践应用中，通过智能传感终端与边缘计算节点的动态部署，实现了采掘工作面、运输巷、机电硐室等典型场景的全覆盖。提升了煤矿井下各类设备的协同效率，减少了高风险区域人机交互事故发生。依托“云-边-端”协同架构，打通了井下环境参数、设备状态、人员行为的全要素数据链，构建了煤矿井下智能感知数据中台，支撑了企业级安全生产智能决策系统开发，生命体征及环境监测可视化平台界面如图5所示，电子围栏可视化平台界面如图6所示。

图5 生命体征及环境监测可视化平台界面

图6 电子围栏可视化平台界面

井下多场景全时空智能感算网联终端通过规模化部署，已在山东能源集团有限公司、济宁能源发展集团有限公司、国家能源投资集团有限责任公司、华亭煤业集团有限责任公司、淮南矿业（集团）有限责任公司、内蒙古能源集团有限公司、陕西煤业化工集团有限责任公司等所属煤矿得到广泛应用，成功预警多类安全隐患，减少非计划停机时长，推动煤矿安全管理模式从被动处置向主动预防转型。产业化推广带动了矿用智能终端产业链升级，为矿山智能化建设提供了可复制的技术范式与商业化路径。

04、总 结

（1）井下多场景全时空智能感算网联终端呈现出显著趋势。在异构装备算力整合、打破数据孤岛以及提升人机环协同效率等方面取得突出成果，填补了关键技术空白。

（2）创新性地融合高精度定位、多模态传感与井下星网融合通信技术，实现千米深井巷道多维资源协同调度，是对传统煤矿井下作业模式的重大突破。提升了井下作业数字化管控水平与本质安全能力，验证了工业互联网在极端环境的可行性，更形成了“终端研发-系统集成-服务运营"的完整商业生态，更推动了煤矿安全管理模式向主动预防转型。

（3）未来朝着进一步提升智能化水平、拓展应用场景的方向发展，持续深化“云-边-端”协同架构应用，加强与更多高新技术融合，为矿山智能化建设提供可复制的技术范式与更广阔的商业化前景，助力整个煤炭行业实现高效、安全、绿色的可持续发展。

文章来源：《智能矿山》2025年第7期“中国煤科科技创新10大成果专栏”

第一作者：陈晓晶，研究员，现任中煤科工集团常州研究院有限公司副总经理，主要从事煤矿自动化、信息化、智能化的相关研究工作。E-mail：chxjme@163.com

作者单位：中煤科工集团常州研究院有限公司

引用格式：陈晓晶，包建军，金业勇. 井下多场景全时空智能感算网联终端研发及应用[J].智能矿山，2025，6(7)：40-45.

编辑丨李莎

审核丨赵瑞