煤礦智能化與礦用5G和網(wǎng)絡硬切片技術

孫繼平

(中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

0 引言

煤炭是我國的主要能源，在我國能源生產(chǎn)與消費結構中所占比例最大。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯爆炸、水災、火災、沖擊地壓、頂板冒落、運輸事故、機電事故、放炮事故等困擾著煤礦安全生產(chǎn)。事故調(diào)查表明，在同樣事故條件下，事故死亡人數(shù)和事故發(fā)生概率與煤礦井下作業(yè)人數(shù)呈正變關系[1-8]。因此，通過煤礦智能化、信息化和自動化，減少煤礦井下作業(yè)人員，是安全、高效、綠色現(xiàn)代化礦井的必然選擇。

1 采掘工作面無人5G地面遠程控制方法

事故調(diào)查和統(tǒng)計表明，我國煤礦事故主要發(fā)生在采掘工作面[1，7]。因此，通過煤礦智能化、信息化和自動化，減少采掘工作面作業(yè)人員，是建設安全、高效、綠色現(xiàn)代化礦井的關鍵。目前，綜采工作面已實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機、液壓支架、破碎機、轉轍機等聯(lián)動，記憶割煤，地質(zhì)鉆孔+工作面運輸和回風巷道頂?shù)装骞浪忝簬r界面。但煤巖界面自動識別和工作面設備精確定位等關鍵技術問題仍沒有解決[9]。

煤巖界面自動識別是綜采工作面無人操作自動控制的關鍵技術之一。不能準確識別煤巖界面，將無法準確控制采煤機的截割高度，采煤機將會截割頂?shù)装鍘r石或大量遺煤。采煤機截割頂?shù)装鍘r石，會增加煤炭含矸量，加快截齒磨損；特別是截齒截割堅硬頂板，會產(chǎn)生火花，引起瓦斯爆炸。采煤機截割大量遺煤，不但浪費煤炭資源，降低資源采出率，還會造成采空區(qū)遺煤自燃，影響煤礦安全生產(chǎn)。

為解決煤巖界面自動識別難題，人們提出了基于伽馬射線、地質(zhì)雷達、圖像、紅外、聲音、振動、粉塵、有功功率、電流、截齒受力、力矩等的煤巖界面自動識別方法[10]，地質(zhì)鉆孔+工作面運輸和回風巷道頂?shù)装骞浪忝簬r界面。基于紅外、聲音、振動、有功功率、電流、截齒受力、力矩等的煤巖界面自動識別方法需煤與巖石硬度差異大，且需截割巖石。基于地質(zhì)雷達的煤巖界面自動識別方法需煤與巖石電磁參數(shù)差異大，且地質(zhì)雷達在工作面安裝困難。基于伽馬射線的煤巖界面自動識別方法需煤與巖石射線輻射差異大。基于圖像的煤巖界面自動識別方法需截割巖石，算法復雜。基于粉塵的煤巖界面自動識別方法需截割巖石，可靠性差。地質(zhì)鉆孔+工作面運輸和回風巷道頂?shù)装骞浪忝簬r界面不適用于地質(zhì)構造復雜的條件。現(xiàn)有煤巖界面識別和估算方法難以滿足無人工作面自動控制的需求。

綜采工作面設備精確定位是保證工作面平直、綜采設備有序工作的關鍵。綜采工作面設備精確定位要求定位誤差不大于0.05 m。目前，基于ZigBee的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的定位誤差不大于3 m，基于UWB的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的定位誤差不大于 0.3 m，在綜采工作面受采煤機和液壓支架等影響，定位誤差更大。ZigBee和UWB系統(tǒng)均難以滿足無人工作面自動控制的需求。

在煤巖界面自動識別和工作面設備精確定位等關鍵技術難題被攻克前，為減少煤礦井下采掘工作面作業(yè)人員，筆者提出了采掘工作面無人5G地面遠程控制方法。在采掘工作面設置工業(yè)攝像機和傳感器，將視頻、音頻和傳感器信號通過5G網(wǎng)絡傳輸至地面，地面操作人員根據(jù)采掘工作面視頻、音頻和傳感器信息，遠程操作設備，將控制命令經(jīng)5G網(wǎng)絡傳輸至采掘工作面，控制采掘設備動作。該方法將煤礦井下采掘工作面作業(yè)人員轉移至地面，減少了采掘工作面作業(yè)人員，改善了作業(yè)環(huán)境，促進了煤礦安全生產(chǎn)。

采掘工作面無人地面遠程控制對信息傳輸系統(tǒng)提出了較高要求。為傳輸多路視頻信號，信息傳輸系統(tǒng)應滿足大帶寬要求；為實現(xiàn)實時控制，信息傳輸系統(tǒng)應滿足低時延要求；為實現(xiàn)正確控制，信息傳輸系統(tǒng)應滿足高可靠要求；為適應采掘工作面移動需求，便于使用維護，攝像機應采用無線接入。5G無線傳輸系統(tǒng)具有大帶寬、低時延、高可靠、無線接入等特點[9，11-13]，是目前采掘工作面無人地面遠程控制的必然選擇。

2 綜采工作面無線傳輸距離與帶寬

用于綜采工作面無人地面遠程控制的5G等無線傳輸系統(tǒng)，應滿足綜采工作面無人地面遠程控制對無線傳輸距離、傳輸帶寬等的需求，以保證工作面視頻、聲音和傳感器等信號實時、可靠上傳至地面。這就需要計算不同工作面?zhèn)鬏斁嚯x和傳輸帶寬，并對系統(tǒng)的傳輸距離和帶寬進行測試。筆者提出了綜采工作面無人地面遠程控制的無線傳輸距離和傳輸帶寬計算方法及系統(tǒng)無線傳輸距離測試方法。

(1)綜采工作面無線傳輸距離計算方法。為便于使用和維護，無線基站一般布置在綜采工作面兩端頭。為實現(xiàn)綜采工作面無線全覆蓋，布置在綜采工作面兩端頭的基站之間無線傳輸距離應不小于綜采工作面長度的1/2。綜采工作面長度一般為90～300 m，為滿足絕大多數(shù)綜采工作面無線全覆蓋的需求，綜采工作面無線傳輸距離應不小于150 m。

(2)綜采工作面無線傳輸帶寬計算方法。綜采工作面無人地面遠程控制的下行信道主要傳輸控制命令，所需下行傳輸帶寬小。綜采工作面無人地面遠程控制的上行信道傳輸視頻、聲音和傳感器等信號，所需上行傳輸帶寬大，且主要取決于視頻信號帶寬(聲音和傳感器信號所需帶寬遠小于視頻信號所需帶寬)。綜采工作面無人地面遠程控制所需上行傳輸總帶寬與綜采工作面長度成正比，與液壓支架中心距成反比，與支架和攝像機數(shù)量比成反比，與單臺攝像機視頻壓縮后所需傳輸帶寬成正比。

BZ=LB/DN

(1)

式中：BZ為上行傳輸總帶寬，Mbit/s；L為綜采工作面長度，m；B為單臺攝像機視頻壓縮后所需傳輸帶寬，Mbit/s；D為液壓支架中心距，m；N為支架與攝像機數(shù)量比。

為滿足絕大多數(shù)綜采工作面無人地面遠程控制對上行傳輸帶寬的需求，取綜采工作面長度L=300 m，4K高清攝像機視頻壓縮后所需傳輸帶寬B≥20 Mbit/s，液壓支架中心距D一般為1.5 m或1.75 m。當液壓支架中心距為1.5，1.75 m時，綜采工作面無人地面遠程控制所需上行傳輸總帶寬分別為1 333，1 143 Mbit/s。

為減少綜采工作面無人地面遠程控制對上行傳輸帶寬的需求，只傳輸鄰近采煤機的攝像機視頻。綜采工作面無人地面遠程控制所需上行傳輸最小帶寬與鄰近采煤機的攝像機數(shù)量(一般取1～3)成正比，與單臺攝像機視頻壓縮后所需傳輸帶寬成正比。

BX=BM

(2)

式中：BX為上行傳輸最小帶寬，Mbit/s；M為鄰近采煤機的攝像機數(shù)量。

當M=1時，綜采工作面無人地面遠程控制所需上行傳輸最小帶寬BX≥20 Mbit/s。

(3)系統(tǒng)無線傳輸距離測試方法。在無線收發(fā)設備不變等條件下，無線傳輸距離越遠，傳輸帶寬越窄、時延越大、可靠性越低。因此，應在規(guī)定的傳輸帶寬、時延和可靠性條件下，測試無線傳輸距離。目前，礦用5G系統(tǒng)的無線傳輸距離指標均沒有標注傳輸帶寬，不便于煤礦企業(yè)用戶選擇和使用，甚至不能用于綜采工作面地面遠程控制。用于綜采工作面無人地面遠程控制的5G等無線傳輸系統(tǒng)，在保證傳輸帶寬、時延和可靠性的前提下，采用無線傳輸距離測試方法對無線傳輸距離進行測試，基站上行無線傳輸帶寬不得小于20 Mbit/s，同時無線傳輸距離不小于150 m。

3 基于網(wǎng)絡硬切片的全礦井一體化信息傳輸網(wǎng)

煤礦井下有粉塵、淋水，環(huán)境潮濕、空間狹小、照度低，瓦斯爆炸和頂板冒落等會造成光纜和電纜斷纜、設備損毀等。為便于使用和維護，應減少煤礦井下光纜和電纜的使用。目前，用于煤礦井下的通信與信息系統(tǒng)可分為監(jiān)控、通信、定位、監(jiān)視4大類，形成了礦用有線調(diào)度通信網(wǎng)、煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)、礦用工業(yè)以太網(wǎng)和礦用5G通信網(wǎng)。

3.1 礦井監(jiān)控、通信、定位和監(jiān)視系統(tǒng)

礦井監(jiān)控系統(tǒng)主要包括煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)(為強制裝備，目前獨立組網(wǎng))、回采工作面監(jiān)控系統(tǒng)、掘進工作面監(jiān)控系統(tǒng)、帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)、膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)、軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)、提升運輸監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、排水監(jiān)控系統(tǒng)、壓風機監(jiān)控系統(tǒng)、火災(內(nèi)因和外因)監(jiān)控系統(tǒng)、礦山壓力與沖擊地壓監(jiān)控系統(tǒng)、水災監(jiān)控系統(tǒng)等[8，14]。

礦井通信系統(tǒng)主要包括有線調(diào)度通信系統(tǒng)(兼做應急通信系統(tǒng)，為強制裝備，獨立組網(wǎng))、廣播通信系統(tǒng)(為強制裝備)、救災通信系統(tǒng)(為強制裝備，救護隊員攜帶)、應急通信系統(tǒng)(由有線調(diào)度通信系統(tǒng)兼)等[7，15-18]。

礦井人員和車輛定位系統(tǒng)主要用于遏制超定員生產(chǎn)、運輸事故防治和車輛調(diào)度等。其中礦井人員定位系統(tǒng)為強制裝備[7，19]。

煤礦視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要用于膠帶煤量監(jiān)視、探水鉆孔監(jiān)視、瓦斯抽采鉆孔監(jiān)視、回采工作面監(jiān)視、掘進工作面監(jiān)視、膠輪車運輸監(jiān)視、軌道運輸監(jiān)視、變電所/配電點監(jiān)視、水泵房/排水點監(jiān)視、提升機房監(jiān)視、主要通風機房監(jiān)視、壓風機房監(jiān)視、煤場監(jiān)視、違章作業(yè)監(jiān)視等[7，20]。

3.2 礦用網(wǎng)絡

目前，礦用網(wǎng)絡主要有礦用有線調(diào)度通信網(wǎng)、煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)、礦用工業(yè)以太網(wǎng)[19，21]和礦用5G通信網(wǎng)。

礦用有線調(diào)度通信網(wǎng)主要傳輸?shù)V用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的語音信號。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)一般由調(diào)度臺、交換機、安全柵、本質(zhì)安全防爆固定電話機、電纜等組成。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)具有井下設備不需要電源、可靠性高等優(yōu)點，即使瓦斯超限等造成停電，只要電纜不斷、電話不壞，系統(tǒng)就能正常工作。因此，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)兼做礦井應急通信系統(tǒng)，在事故應急救援中發(fā)揮著重要作用。為進一步提高礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)可靠性，要求礦用有線調(diào)度通信網(wǎng)獨立組網(wǎng)。

煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)主要傳輸煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器和執(zhí)行器信號，具有可靠性高、實時性強等特點。為避免攝像機視頻等寬帶信號影響煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實時性和可靠性，目前要求煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)嚴禁與視頻監(jiān)視系統(tǒng)共網(wǎng)[22]。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)一般由傳感器、分站(獨立或與交換機一體)、交換機、電源、光纜、電纜、主機、服務器等組成，其中，交換機和光纜構成煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)。

礦用工業(yè)以太網(wǎng)主要傳輸除上述礦用有線調(diào)度通信網(wǎng)和煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)以外的定位、語音、圖像和監(jiān)控信號，一般由交換機和光纜構成環(huán)網(wǎng)。定位、語音、圖像和監(jiān)控系統(tǒng)接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)的方法不同：① 礦井人員定位系統(tǒng)的定位卡經(jīng)UWB或ZigBee無線接入定位分站(獨立或與交換機一體)。獨立的定位分站經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；與交換機一體的定位分站經(jīng)交換機接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)。② 礦用手機經(jīng)WiFi，4G，3G無線接入基站(獨立或與交換機一體)。獨立的基站經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；與交換機一體的基站經(jīng)交換機接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)。③ 礦用無線攝像機經(jīng)WiFi無線接入基站(獨立或與交換機一體)。獨立的基站經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；與交換機一體的基站經(jīng)交換機接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)。④ 礦用有線攝像機經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機。⑤ 礦用無線傳感器(不含煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器)經(jīng)ZigBee或WiFi接入分站(獨立或與交換機一體)。獨立的分站經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；與交換機一體的分站經(jīng)交換機接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)。⑥ 礦用有線傳感器(不含煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器)經(jīng)電纜接入分站(獨立或與交換機一體)。獨立的分站經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；與交換機一體的分站經(jīng)交換機接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)。⑦ 礦用網(wǎng)絡傳感器(不含煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器)經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機。⑧ 礦用無線移動終端(不含手機和無線傳感器)經(jīng)ZigBee，WiFi，4G，3G無線接入基站(獨立或與交換機一體)。獨立的基站經(jīng)光纜接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；與交換機一體的基站經(jīng)交換機接入礦用工業(yè)以太網(wǎng)。

礦用5G通信網(wǎng)具有大帶寬、低時延、高可靠、廣接入等優(yōu)點，可同時傳輸語音、數(shù)據(jù)和視頻等信號。礦用手機、攝像機、數(shù)傳模組等5G無線終端經(jīng)5G無線接入礦用基站(獨立或與基站控制器一體)。獨立的礦用基站經(jīng)光纜接入基站控制器，基站控制器經(jīng)光纜接入5G網(wǎng)絡交換機(礦用5G通信網(wǎng))；與基站控制器一體的礦用基站經(jīng)光纜接入5G網(wǎng)絡交換機(礦用5G通信網(wǎng))。現(xiàn)有礦用工業(yè)以太網(wǎng)不能傳輸5G信號，礦用5G通信網(wǎng)需獨立組網(wǎng)。

3.3 全礦井一體化信息傳輸網(wǎng)

目前煤礦井下至少有礦用有線調(diào)度通信網(wǎng)、煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)和礦用工業(yè)以太網(wǎng)3張網(wǎng)，如果煤礦井下使用5G，還需增加礦用5G通信網(wǎng)，共有4張網(wǎng)。這既增加了網(wǎng)絡建設成本和維護成本，也增加了網(wǎng)絡維護人員，不便于網(wǎng)絡的使用維護和減人提效。

采用服務質(zhì)量QoS(Quality of Service)方法來滿足不同應用對服務質(zhì)量的需求，即對實時性要求高、重要的數(shù)據(jù)報文，提供較高的優(yōu)先級，優(yōu)先處理；對實時性要求不高、普通的數(shù)據(jù)報文，提供較低的優(yōu)先級，網(wǎng)絡擁塞時可以丟棄。一般情況下，QoS可以保證最高優(yōu)先級應用的實時性和可靠性，但當多路接口信號同時匯入且數(shù)據(jù)量較大時，或前1個數(shù)據(jù)包正在發(fā)送時，最高優(yōu)先級應用的實時性和可靠性也難以保證。

為減少煤礦井下傳輸網(wǎng)絡數(shù)量，減少網(wǎng)絡維護人員，降低網(wǎng)絡建設和維護成本，筆者提出了基于網(wǎng)絡硬切片的全礦井一體化信息傳輸網(wǎng)。網(wǎng)絡硬切片是新一代網(wǎng)絡技術，根據(jù)業(yè)務需要，將網(wǎng)絡分割成多個信道，每個信道分配一定的帶寬，不同業(yè)務可以分配不同的信道，也可以分配在同一信道，信道之間互不影響，系統(tǒng)停電重啟或網(wǎng)管斷網(wǎng)也不影響信道分配。例如，A信道發(fā)生擁塞，不影響B(tài)信道的實時性和可靠性。基于網(wǎng)絡硬切片的全礦井一體化信息傳輸網(wǎng)給煤礦安全監(jiān)控、礦井監(jiān)控(含地面遠程控制等)、人員及車輛和設備定位、視頻監(jiān)視、語音通信、5G通信等分配不同的信道，既保證了煤礦安全監(jiān)控和礦井監(jiān)控等高可靠、低時延的要求，也統(tǒng)一了煤礦井下信息傳輸網(wǎng)絡，將煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)、礦用工業(yè)以太網(wǎng)和礦用5G通信網(wǎng)等多網(wǎng)合一。

4 結論

(1)提出了采掘工作面無人5G地面遠程控制方法。在采掘工作面設置工業(yè)攝像機和傳感器，將視頻、音頻和傳感器信號，通過5G網(wǎng)絡傳輸至地面，地面操作人員根據(jù)采掘工作面視頻、音頻和傳感器信息，遠程操作設備，控制命令通過5G網(wǎng)絡傳輸至采掘工作面，控制設備動作，實現(xiàn)采掘工作面無人或少人作業(yè)。5G具有大帶寬、低時延、高可靠、無線接入等特點，是目前采掘工作面地面遠程控制的必然選擇。

(2)提出了用于綜采工作面無人地面遠程控制的無線傳輸距離和傳輸帶寬計算方法。綜采工作面兩端頭的基站之間無線傳輸距離應不小于綜采工作面長度的1/2。綜采工作面無人地面遠程控制的下行信道主要傳輸控制命令，所需下行傳輸帶寬小，上行信道傳輸視頻、聲音和傳感器等信號，所需上行傳輸帶寬大，且主要取決于視頻信號帶寬。綜采工作面無人地面遠程控制所需上行傳輸總帶寬與綜采工作面長度成正比，與液壓支架中心距成反比，與支架和攝像機數(shù)量比成反比，與單臺攝像機視頻壓縮后所需傳輸帶寬成正比。為減少綜采工作面無人地面遠程控制對上行傳輸帶寬的需求，可以只傳輸鄰近采煤機的攝像機視頻。綜采工作面無人地面遠程控制所需上行傳輸最小帶寬與鄰近采煤機的攝像機數(shù)量(一般取1～3)成正比，與單臺攝像機視頻壓縮后所需傳輸帶寬成正比。

(3)提出了無線傳輸距離測試方法。用于綜采工作面無人地面遠程控制的5G等無線傳輸系統(tǒng)，在保證傳輸帶寬、時延和可靠性的前提下，采用無線傳輸距離測試方法對無線傳輸距離進行測試，基站上行無線傳輸帶寬不得小于20 Mbit/s，同時無線傳輸距離不小于150 m。

(4)提出了基于網(wǎng)絡硬切片的全礦井一體化信息傳輸網(wǎng)，通過網(wǎng)絡硬切片，給煤礦安全監(jiān)控、礦井監(jiān)控、人員及車輛和設備定位、視頻監(jiān)視、語音通信、5G通信等分配不同的信道，將煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)、礦用工業(yè)以太網(wǎng)和礦用5G通信網(wǎng)等多網(wǎng)合一，既保證了煤礦安全監(jiān)控和礦井監(jiān)控等高可靠、低時延的要求，也統(tǒng)一了煤礦井下信息傳輸網(wǎng)絡。