5G技術在煤礦智能化建設中的應用展望

＊趙志勇 王生俊 康志強

（山西汾西礦業集團柳灣煤礦 山西 032303）

1.引言

本文分析了5G中的6種關鍵技術，包括RF通信，大型天線陣列，超致密網絡，設備到設備通信，網絡分離和移動邊緣計算及其各自的技術特征，并探討了智能煤礦的應用信息感知，各種類型的數據傳輸中的缺陷，實時決策，新技術應用以及異構物聯網設備的互操作性要求。

2.煤礦智能化應用5G技術的必要性與可行性

(1)煤礦智能化應用5G技術的必要性

圖1 5G對煤礦智能化開采的支撐

在5G開發的早期，確定了三個關鍵的應用場景，例如高級移動寬帶（eMBB），超可靠的低延遲通信（urLLC）和多機通信（mMTC）。eMBB解決方案的技術支持功能可以有效地應對高帶寬業務需求，例如煤礦中的超高清視頻傳輸；urLLC方案的技術支持職責可以有效地利用空置的采礦車輛和空置的挖掘機以及其他空置的礦山。智能設備之間的通信要求；mMTC解決方案的技術支持功能可以更好地支持傳感器數據收集要求，例如煤礦安全監控。因此，將5G通信技術應用于智能采煤與后來的采煤方法相同。它還將有效改善智能煤礦開采流程，并為完全開放的“聯網”鋪平道路。

同時，煤礦中現有的廣泛使用的無線通信技術（例如4G和Wi-Fi）很難滿足智能煤礦的數據傳輸和處理要求。

缺乏4G技術：它可以為用戶在下行鏈路上提供超過100Mbps的最高速度，在上行鏈路上提供超過50Mbps的最高速度。但是，在智能生產過程中，機器視覺等許多場景都需要高清視頻。1080P需要20Mbps的上行鏈路帶寬，而4K仍需要75Mbps的上行鏈路帶寬（帶寬會影響準確性，準確性會影響識別能力，并實時知道是否可以遠程控制）。顯然，4G不能滿足上述行業應用的要求。

Wi-Fi網絡的熱點：

①行動不便。AP之間切換的延遲時間＞100毫秒，這使得諸如AGV之類的移動設備很容易斷開連接，并且僅限于AP內的移動。

②覆蓋率差。WiFi信號在反射和衍射之后很容易產生多徑干擾。

③在頻帶上的干擾。WiFi使用公開可用的頻帶，并且存在影響解調能力的干擾。

④帶寬有限。機器視覺應用所需的上行帶寬（100M級）。

(2)煤礦智能化應用5G技術的可行性

在地下礦井中使用5G無線技術時，會出現以下意外情況：高頻無線信號的快速放大，定向承載能力的提高和差分能力的降低，導致傳輸距離短和覆蓋范圍有限。這些問題是5G技術的問題，在5G技術的分析和開發的早期階段就解決了。因此，隨著大規模MIMO（多天線陣列）和微基站技術（超密集網絡的成功技術）的出現，這套關鍵技術將成為可能。5G核心技術系統已經開發并支持5G技術的商業化。

在網絡部署方面，目前在礦山中部署的4G網絡是4G+WiFi架構，其4G覆蓋范圍（基于礦山狹長空間的特征，不需要覆蓋半徑）約為1500。5G有兩種類型：宏基站和微基站。宏基站設備具有較大的傳輸容量和較高的發射功率，盡管微基站設備容量較小，但不適用于傳輸功率低，有效范圍約為500m的大型地下應用。從技術角度來看，使用三個以上的5G微基站完全覆蓋了原始4G網絡控制區域，并導致吞吐量、速度和延遲顯著增加。此外，單個5G微型基站的功耗和體積都低于現有的4G基站，從而提高了長期在地下礦山中使用的安全性。基本的5G微型站的布局如圖2所示。

圖2 綜采工作面5G布置示意

關于地下煤礦的其他不利環境因素，合理使用和規劃5G技術可以解決地下應用的緊迫問題。成功的關鍵是針對不同的應用場景和應用環境開發不同的5G部署解決方案。例如，對于有多個雜散的狹窄的地下空間，應使用有線光纖骨干+密集的5G微基站。功率控制和位置優化是視頻監視和控制信號同步傳輸問題的關鍵，合理的網絡隔離是關鍵和可靠的隔離。

3.5G在煤礦的應用場景

(1)基于5G的高精實時定位與應用服務

目前，地下煤礦的定位系統主要基于藍牙，ZigBee和超寬帶等傳統的無線數據傳輸技術。定位精度不高，必須單獨提供相應的基礎設施，難以保證實時運行。基于低延遲5G特性開發用于地下定位和應用維護的5G網絡系統是未來的發展方向，它將為諸如地下車輛管理，實時精確采礦和采礦以及解決問題的應用程序提供控制。

(2)生產遠程實時控制

實時生產控制一直是煤礦智能采礦中的關鍵問題。為了從傳感器到中央控制中心收集必要的信息，常規的遠程控制系統必須經過數條路徑和幾種協議，直到將其傳輸到遠程控制中心。因此，只能使用一些不要求實時性強的功能，出于安全考慮，需要進行遠程控制，不能對實時性高的功能進行遠程控制。低延遲5G屬性為解決此問題提供了基本支持，并且目前正在實施基于5G的Inoue遠程控制，圖3為相關應用示意圖。

圖3 基于5G的多源決策控制示意

(3)井下遠程協同運維

5G Underground的另一個重要應用是遠程操作和維護。未來，地下設備的智能水平將越來越高，系統將越來越復雜。傳統的維護人員不再需要自己進行維護工作，而需要遠程專家的幫助。現場音頻和視頻信息可以通過5G網絡廣播到遠程站點，并且相關的虛擬模型也可以在現場設備上虛擬化。它們可以由建筑工地的工人實施，甚至可以使用機器人代替人工。

4.總結

（1）整個網絡架構應采用有線骨干網+5G覆蓋的形式。光纖環形骨干網用于確保地下信息傳輸的安全性和可靠性，而5G網絡用于提供地下無線電覆蓋范圍和移動傳輸要求。

（2）根據井下或工作面的實際布局優化5G微基站布局，以確保覆蓋范圍并減少資源消耗。

（3）分析和拆分井下應用場景，對不同應用場景的個別需求進行排序，并根據需求對網絡資源進行邏輯劃分，以完成所謂的“拆分”。

（4）在建立良好的傳輸平臺的基礎上，必須著眼于平臺集成，應用場景和先進技術，無處不在的感知，可靠的實時傳輸，大數據應用以及快速智能的決策。