淺談5G 技術在智慧礦山建設中的應用前景

周子涵

（黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱150027）

煤礦產業在我國社會生產活動中是一項極易產生安全事故且生產過程中不確定因素極多的工程體系，如果能將5G 技術應用到煤礦井下，勢必會將我國煤炭生產水平提高到一個新的高度。通過建設智慧礦山,讓危險因素可知可控，最終實現安全、無人、高效、清潔，是我們一直追尋的目標。隨著網絡技術的不斷發展，第五代移動通信技術即將全面普及，相比較于4G 技術，5G建立了更加系統的接收模塊和抗干擾模塊，如果應用于煤礦，將大大提高井下的信息傳輸效率及準確性。目前，我國學者王國法等[1]已經就煤礦智能化應用5G 技術進行了可行性分析，研究表明，從技術角度考慮采用3 個以上5G 微基站即可完全覆蓋原4G 網的管控范圍，并帶來帶寬、速率的大幅提升和延時的降低。我國學者孫繼平也在智慧礦山使用5G 和WiFi6 等無線通信技術做出比較分析，其中，5G 技術在時延性和跨區連接速度方面明顯優于WiFi6 技術，隨著5G 技術的不斷發展，系統成本也將大大降低[2]。此外，單個5G 微基站的功耗和體積比現有4G 基站的要小，更有利于井下長時間使用的安全性[1]。在煤礦智能化開采，在建設智慧礦山的基礎上，構建5G+煤礦應用平臺將為煤炭生產提供可靠保障。

1 5G 關鍵技術綜述

工業和信息化部辦公廳于2019 年11 月22 日發布了《“5G+工業互聯網”512 工程推進方案》，5G 技術是新一代信息通信技術演進升級的重要方向，同時也是工業互聯網是第四次工業革命的關鍵支撐，二者都是實現經濟社會數字化轉型的重要驅動力量。相較于傳統的4G 技術以及wifi 組網存在的移動性差、覆蓋率低、頻段干擾、帶寬受限等劣勢，5G 技術無論是應用規模、運行場景還是數據傳輸速率、時延管理、頻譜效率、連接密度等關鍵性指標方面都有大幅度提升，基于此，全面推進5G 技術的運行和升級，將為用戶提供更加優質的體驗[3]。

相關白皮書中認為，5G 是大規模天線陣列與超密集組網體系組合而成的通信應用結構，內部涉及新型多址技術，能建立新型網絡架構體系，具備連接千億設備的能力，實現更加智能、高效的通信網絡管理目標。

2 5G 技術在建設智慧礦山中的應用

2.1 用于礦區安防系統。基于5G 的定位、高速數據傳輸和端端物聯等優勢，5G 技術將助力實現井下的高效巡檢和安防。通過實時定位井下的裝備和人員，實時傳輸和共享井下的安全信息，將對井下作業人員的實施管控，針對目前出現的“檢修作業不規范，管理開展不到位”等問題做到有據可循、有理可依。智能終端的主動推送功能自動識別其他移動終端設備并按需推送相關信息，實現井下信息的泛在感知和共享。相較于傳統的數據上傳下發的利用方式，5G 模式下的數據利用更高效、延時更短、可靠性更高、經濟性更好。5G 技術相比于4G 技術最大的提升優勢莫過于網絡的傳輸速率，其理論峰值最高可達到10Gbps，這就意味著人們可以通過搭建5G 網絡平臺進行高清影像的實時傳輸，全面覆蓋礦區，做到“監控系統無盲區，巡查系統無死角”的快速響應安全管理體系。

2.2 爆破作業與煤礦機器人應用。在需要頻繁爆破的扎哈淖爾露天礦，土方的剝離必須經過穿孔爆破后方可進行采裝運輸，每天爆破點在3 處以上，爆破及警戒區域最大可達2km2，即使操作人員完全按照規章操作也存在較高的危險系數[4]。此時，煤礦機器人來代替操作或實施監控的作用凸顯出來，基于靈活、可移動、高帶寬、低時延和高可靠的通信網絡，未來煤礦井下需要更多的機器人來代替人工進行各類作業，通過煤礦機器人的云端控制，將計算的結果即時返回，進而在云端部署行動策略。

5G 網絡負責將煤礦機器人連接到云端處理器，其低延遲特性滿足云端處理和網絡傳輸時間之和不超過100ms 的要求，高帶寬特性（10 Gbit/s 以上）能為機器人提供足夠的反應速度，通過5G 高清云臺攝像機的實時監控，定向無死角監控爆破作業現場和炸藥運輸車輛也能大大提高爆破作業和其他危險作業的可靠性。

2.3 VR 技術和AR 技術進一步在煤礦領域的應用。VR（虛擬現實）技術和AR（增強現實技術）在煤礦領域的成功運用將會徹底改變傳統人機交互的模式。

基于VR 技術在煤礦領域的研究已經存在較多研究成果，其中運用在三維建模、互動模擬等方面居多，可如果要運用該項技術進行煤礦井下的云端實時渲染、融合實際操控則需要能提供100Mbps～10Gbps 帶寬、+2ms 延時要求的5G 技術滿足。

AR 技術不同于VR 技術之處在于AR 技術可以將虛擬和現實相結合，能夠實現虛擬世界和現實世界的同步，依托于5G 技術傳輸速率高、延時極低、能滿足高用戶密度的優勢，如果應用于為井下礦工制定逃生路線、或地面救援路線模擬則會極大降低出錯率，AR 技術還可以應用于設備檢修，及時的顯現設備的安全狀態并提供可行性維修方案。

2.4 應用于井下定位系統精度改善。漏泄通信、感應通信、透地通信、RFID、WiFi、PHS（小靈通）、ZIGBEE 等傳統無線通信技術和設備在煤礦井下的應用，實現了煤礦井下移動通信、人員位置監測、為煤礦安全生產提供了手段[5]。但因為井下環境過于復雜，存在著大量的信號干擾，且井下作業設備眾多，定位精度不高的問題也隨之產生，而一旦需要單獨布設相關基礎設施，實時性則也難以保障。基于5G 的低延時特性開發的井下定位與應用服務系統是未來的發展方向，伴隨開發的井下車輛管理、開采精準推進等應用，解決移動裝備的實時控制和管理難題。

2.5 應用于生產設備遠程實時控制。實時遠程控制一直是煤礦智能化開采的關鍵難題。傳統的遠程控制系統需要經過多重路由和多種協議才能將所需的各種傳感信息匯集到集控中心再傳至遠程控制中心。因此，過去僅有部分對實時性要求不高的功能才可以用遠程控制實現，實時性要求高的功能出于安全性角度一直沒被考慮。井下采掘作業生成數據大、變化速度快，5G 低延時、高帶寬、高可靠的特性為這一難題的解決提供了基礎支撐，基于5G 的井上全功能的遠程控制將會實現。在“萬物互聯”的今天，5G技術尤可以在系統繁雜煤礦井下發揮巨大作用，5G 系統大容量低功耗的特點得到展現。

2.6 在井下無人駕駛領域應用前景。目前，地面的無人駕駛技術趨于成熟，但限于井下環境因素，無人駕駛對礦井無線網絡的需求極高，目前，只有5G 技術才能為井下通信網絡提供充足的帶寬、優良的服務質量、較低的時延和準確定位能力。在井下車輛行駛過程中，5G 技術的高比特率能夠實時對巷道大量的三維地圖數據進行轉換，傳感器數據的共享也將提升車輛的環境感知能力。通過5G 網絡及設備，車輛具備精確定位、安全監測、自主感知、主動避障、自動錯車、風門聯動等功能，實現井下運輸車輛無人駕駛[6]。井下運輸系統的自動化、信息化和智能化，將會很大程度提高作業效率，實現智能管理。5G 技術將大規模、實時傳輸采集到的車輛、車皮、設備、煤流、物資及附近環境等相關參數信息，以提升車輛運輸和設備運行效率，保證運輸系統運轉過程安全高效。

3 結論

煤炭行業運用5G 技術目前還處在初步摸索階段，隨著5G技術的不斷發展，5G 技術基站建設費用等成本會不斷降低，在煤礦行業廣泛應用5G 技術的可能性也將大幅增加。5G 技術的大規模應用也將會是推進煤礦行業智慧礦山建設的重要轉折點。5G 技術與大數據、云計算、人工智能和虛擬現實等技術的結合也將逐一在煤礦落地，實現煤礦大數據的實時分析與決策支持。從“無人則安、少人則安”的治理原則出發,依靠科技的進步，才能真正實現煤炭行業工業質量的飛躍。