5G技術在煤礦智能化中的應用探討

景少波

(陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著當代社會生活水平的不斷提升和人們安全意識的不斷增強，煤炭安全生產和煤炭工業(yè)化生產對環(huán)境的要求逐步提高。煤炭工業(yè)生產鏈安全管理要求煤炭資源開采盡可能做到少人或無人，部分先進的煤礦產業(yè)智能化甚至要求采取機器人值守或實時監(jiān)控的無人值守模式，克服了人才流失和工人生產不安全給煤炭生產企業(yè)帶來的不良影響，也為區(qū)域煤炭經濟的平衡發(fā)展和煤炭開采技術的不斷優(yōu)化提供了更多可能。煤礦智能化技術作為煤礦產業(yè)鏈優(yōu)化升級的重要一步，是保證我國煤炭工業(yè)經濟健康、可持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展的基礎支撐，也是使我國煤炭智能化發(fā)展處于良好運轉狀態(tài)的關鍵一步。在此背景下，對5G技術在煤礦智能化中的應用的相關研究與探討，也就具備重要理論意義與現(xiàn)實價值。

1 5G技術及優(yōu)勢

5G技術，也就是第5代移動通信系統(tǒng)技術。與以往的第2代、第3代、第4代等單一的無線接入技術相比，5G技術有著特殊優(yōu)勢，是全新的無線接入技術的高度融合的重要技術類別，也是現(xiàn)階段最新的通信技術類型，在全世界范圍內受到了社會各界人士的廣泛關注[1]。在5G技術的應用過程中，5G技術能夠應對多樣化場景下極端的各式各樣的差異化性能需求，用各式各樣的技術糅合解決傳統(tǒng)模式下某單一技術為基礎的所有場景解決方案存在的不足。也就是說，5G技術創(chuàng)新來源于5G技術和網絡技術架構兩方面的高效融合，在無線技術領域，大規(guī)模的天線陣列技術、多址技術、全頻譜接入技術等成為5G關鍵技術的重要內容，而在網絡技術領域，基于軟件定義網絡和網絡功能虛擬化架構的模式，已然受到5G技術創(chuàng)新升級研究人員的關注與重視。

此外，基于5G移動網絡通信系統(tǒng)的濾波正交頻分復用技術甚至靈活雙工技術、終端直通技術等也成為5G技術的關鍵內容[2]。5G技術的應用使得第5代網絡通信系統(tǒng)的性能得到大幅度優(yōu)化和提升。與前幾代無線通信技術相比，5G移動網絡通信技術具有頻譜更寬、時延更低、可靠性更強、安全性更高、傳輸速率更快以及傳輸容量更大等諸多優(yōu)勢[3]。

2 煤礦智能化應用5G技術的可行性

2.1 井下空間特殊性

將5G移動網絡通信技術應用于煤礦產業(yè)的智能化開采和實踐過程中，需要著重分析在井下特殊的無線傳播環(huán)境中部署5G移動網絡通信系統(tǒng)的可行性[4]。與普通地面空間的5G系統(tǒng)部署結構相比，煤礦資源的井下無線傳輸模式受周邊環(huán)境因素的影響，表現(xiàn)出以下4點特征。①井下空間往往較為狹窄，信號傳遞距離較長，且呈現(xiàn)出更多分支的結構特征；②井下空間很容易產生干擾無線網絡通信系統(tǒng)信號傳遞的粗糙煤層；③井下空間將會對無線網絡通訊系統(tǒng)的復雜設備布置產生強烈的磁力干擾；④井下空間的多分層和多瓦斯特質，使煤炭資源開采環(huán)境很容易影響5G網絡移動空間部署。因此，在煤礦智能化開采過程中，先必須解決在高頻狀態(tài)下無線信號快速衰減的問題、在定向傳輸能力增強的同時其繞射能力下降的問題；在解決了上述問題后討論無線移動網絡通信系統(tǒng)在井下傳輸空間所具備的距離短、覆蓋范圍有限的尷尬情形；最后利用超密集組網技術或其他微基站技術等形成5G移動網絡通信系統(tǒng)的核心技術架構，支撐5G移動網絡通信系統(tǒng)在井下開采環(huán)境中的商業(yè)化運轉[5]。

2.2 5G技術的微基站網絡布置

從網絡結構部署角度分析可知，目前煤礦智能化應用過程中的井下空間環(huán)境布置為4G網絡結構+WiFi網絡全覆蓋模式。4G網絡結構覆蓋距離大致為1 500 m，而5G移動網絡通信系統(tǒng)可采取宏基站或微基站2種結構類型，宏基站的設備容量更高，實際發(fā)射功率更強，但并不適合井下作業(yè)空間;微基站設備容量較小，實際發(fā)射功率較低，其有效距離僅有500 m。因此，從純粹的技術角度出發(fā)，應考慮上述不同原因對5G移動網絡通信系統(tǒng)微基站布設的影響，使微基站能夠完全覆蓋原有4G網絡系統(tǒng)的范圍，并提升4G網絡結構帶寬速度、傳輸速率以及降低其數(shù)據傳輸延時[6]。針對5G移動網絡通信系統(tǒng)微基站架構的功能消耗和體積比，由于該比值比4G移動網絡通信下的基站值要小，因此更有利于保障井下空間長時間使用的結構安全性和穩(wěn)定性[7]。綜上所述，基于5G技術的微基站網絡布置如圖1所示。

圖1 基于5G技術的微基站網絡布置Fig.1 Micro base station network layout based on 5G technology

3 5G技術在煤礦智能化中的應用

3.1 基于 5G的高精實時定位與應用服務

5G移動網絡通信系統(tǒng)能夠通過網絡切片技術的創(chuàng)造性應用，將煤礦智能化應用過程中的物理空間網絡劃分為多個虛擬網絡空間結構，利用任意虛擬網絡空間不同的服務需求增強其不同功能，加強不同虛擬空間對傳輸結構、帶寬數(shù)據、運行穩(wěn)定性甚至可靠性等性能劃分，靈活應對煤礦智能化應用過程中不同的網絡應用場景[8]。在此過程中，基于5G技術的高精實時定位與應用服務技術，直接轉變了傳統(tǒng)模式下煤礦井下定位系統(tǒng)傳統(tǒng)藍牙功能、超帶寬傳輸技術等定位精確程度較低而不符合煤礦智能化應用中專業(yè)需要的局面，利用5G移動網絡通信系統(tǒng)不設單獨的基礎設施方式，保證煤礦智能化應用過程中數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性[9]。基于5G移動網絡通信系統(tǒng)的較低時延特性而開發(fā)5G網絡井下定位與應用服務模塊，將是煤礦智能化的重要發(fā)展方向，也將對煤礦井下資源開采的車輛管控和開采路線的精準推進提供可能。

3.2 基于 5G的虛擬交互應用

基于5G技術的虛擬交互應用主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術和增強現(xiàn)實技術的應用過程中，煤礦智能化開采應用過程中5G三維建模技術的虛擬展示圖，如圖2所示。在此應用過程中，基于5G的虛擬交互應用技術能夠徹底顛覆煤礦資源開采過程中的傳統(tǒng)人機互動模式，使煤礦智能化開采經歷三維建模和虛擬展示的基礎階段、互動模式和可視化設計階段以及混合現(xiàn)實與云端實時渲染階段的三階段技術變革歷程[10]。以混合現(xiàn)實和云端實時渲染階段為例，分析5G移動網絡通信技術的應用，可知該階段能夠對井下空間煤炭資源進行虛擬開采和協(xié)同運營與維護，滿足高帶寬需要和低時延要求，通過5G技術達到其性能目標。

圖2 三維建模技術的虛擬展示Fig.2 Virtual display of 3D modeling technology

3.3 生產遠程實時控制

就煤礦智能化應用過程中的遠程實時控制生產而言，煤礦開采資源的生產控制一直都是煤礦智能開采或智慧化建設過程中的關鍵內容。傳統(tǒng)的煤礦工業(yè)生產和遠程控制系統(tǒng)，主要利用路由器、傳感器以及多類型的互聯(lián)網協(xié)議，將各種數(shù)據由傳感器設備匯集到集中控制中心，再傳遞到遠程控制中心，僅僅能滿足部分對數(shù)據傳輸實時性要求不高的遠程控制需要。但若針對實時性要求較高甚至井下空間結構生產安全或員工安全考慮的部分，并不能采用遠程控制系統(tǒng)，可5G移動網絡通信技術在煤礦智能化開采過程中的應用，就直接打破了該固有難題[11]。基于5G的井下全功能遠程控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)實時數(shù)據傳輸要求極高部分的煤炭資源開采或安全管理目標，建立真正的煤礦智能化開采遠程實時控制模塊，基于5G技術的多元決策控制架構示意圖，如圖3所示。

圖3 基于5G技術的多元決策控制架構示意Fig.3 Multi decision control architecture based on 5G technology

3.4 井下遠程協(xié)同運維

5G移動網絡通信技術在煤礦智能化井下空間中的重要應用場景，即遠程協(xié)同運營與維護。基于5G技術的遠程運營維護場景結構，如圖4所示，在未來的煤礦資源井下開采過程中，井下空間較為狹窄，井下設備智能化程度將隨著空間的不斷縮小而越來越高，整個裝備系統(tǒng)架構復雜程度逐步提高，傳統(tǒng)的人工維修模式難以滿足井下狹窄空間和高度智能化設備的運營維護需要[12]。因此，往往需借助遠程專家系統(tǒng)輔助完成井下空間設備運營與維護，利用5G移動網絡通信系統(tǒng)傳遞煤礦資源井下空間現(xiàn)場的音頻、視頻數(shù)據等信息，可將煤礦智能化應用所涉及到的虛擬模型或虛擬操作系統(tǒng)連接到井下空間智能化設備中，通過虛擬現(xiàn)實技術的應用實現(xiàn)專家和礦工的同時操作和觀察，更為機器人代替工人在井下空間對設備進行維護管理提供了可能。

圖4 基于5G技術的遠程運營維護場景結構Fig.4 Remote operation and maintenance based on 5G technology

3.5 井下巡檢和安防

基于5G移動網絡通信系統(tǒng)的井下巡檢和安防是煤礦智能化應用的重要內容，5G移動網絡系統(tǒng)的數(shù)據傳輸功能以及智能定位功能等，將實現(xiàn)煤礦開采井下空間的高效巡查和安全防護。通過該安全網絡系統(tǒng)的架構，能夠實時分享井下空間裝備運行現(xiàn)狀、人員身體狀況等信息，通過井下空間安全信息與數(shù)據的實時共享，利用智慧終端的推送功能實現(xiàn)不同數(shù)據信息在不同設備終端間的相互傳遞和溝通，實現(xiàn)對井下數(shù)據信息的實時共享，快速提升數(shù)據共享效率，利用更高效、更可靠和更經濟的方式開采煤礦資源。

4 結語

總而言之，基于5G移動網絡通信技術的煤礦智能化系統(tǒng)，能夠借助5G技術的高精實時定位與服務、虛擬交互服務、生產遠程實時控制服務、井下運營維護協(xié)同管理服務以及井下巡檢和安全防護服務等功能，達到數(shù)據信息以及安全管理的基礎目標，通過5G技術與大數(shù)據信息技術、云平臺計算技術、人工智能技術、虛擬交互技術等的融合，為煤礦智能化應用過程中大量數(shù)據信息分析和提供決策支持甚至實現(xiàn)遠程可視化操作等，為我國提升煤礦智能化應用水平作出應有的貢獻。