試析5G技術在煤礦智能化中的應用

李敏，張龍

（1.山東能源集團兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦信息中心，山東鄒城，273500;2.山東能源集團兗州煤業股份有限公司信息化中心，山東鄒城，273500）

0 引言

作為我國的一種主導能源種類，煤炭資源是社會經濟發展的重要資源。很長一段時間以來，煤炭資源開發和應用模式較為粗放。為此，在后續的發展進程中，煤礦生產務必提升智能化與信息化水平，盡量地降低煤礦生產工人的規模，以智能化手段監測圍巖、水、電力、瓦斯等，以及提升預警水平，從而建構現代化的安全、高效礦井。鑒于此，探究煤礦智能化發展中5G技術的應用對于煤礦領域的整體發展具備十分關鍵的作用。

1 基于5G的實時精準定位以及應用服務

5G移動網絡通信系統在創新應用網絡切片技術的基礎上劃分煤礦智能化應用的物理空間網絡為一系列虛擬空間結構，結合各種虛擬網絡空間的不同服務需求強化相應的功能，注重各種虛擬空間對運行可控性、帶寬數據、傳輸結構的性能劃分，對煤礦智能化應用中各自網絡場景進行靈活應對[1]。常規模式下的煤礦井下定位系統需要應用傳統超帶寬傳輸技術和藍牙技術等，基于5G技術的高精實時定位以及應用服務技術在此過程中真正扭轉了常規模式中的煤礦井下定位缺少精確性而不適應煤礦智能化應用需求的局面，結合5G移動網絡通信系統并非對獨立的基礎設施方式進行設置，從而確保了智能化應用中煤礦數據傳輸的實時性。因為5G 移動網絡通信系統的時延性比較低，所以可以對5G網絡定位和應用服務模塊進行開發，這屬于煤礦智能化的發展趨勢，這樣可以精準管控煤礦開采車輛和線路。

2 基于5G的虛擬交互應用

煤礦智能化開采中5G三維建模技術的虛擬呈現以及增強現實技術和虛擬現實技術的應用即基于5G的虛擬交互應用?；?G的虛擬交換應用可以真正打破常規煤礦開采中的人機互動方式的束縛，讓煤礦智能化開采歷經三個階段的技術更新進程，即基礎階段（三維建模以及虛擬呈現）、可視化設計和互動模式階段、云端實時渲染和混合現實階段[2]。例如，對于云端實時渲染和混合現實階段而言，應用5G移動網絡通信技術能夠協同維護和虛擬開采礦井空間煤炭資源，實現低時延與高帶寬的需要，應用5G技術實現其性能目標。

3 生產遠程實時控制

針對煤礦智能化應用中的遠程實時控制生產來講，煤礦開采資源的控制向來都是煤礦智慧化建設和智能化開采的重要事項。常規的煤礦開采生產以及遠程控制重點應用各種互聯網協議、傳感器、路由器等，然后借助傳感器設施在集控中心匯集一系列數據信息，再向遠程控制中心傳輸[3]，這樣只是可以實現一些對數據傳輸實時性標準較低的遠程控制要求。而對于一部分數據傳輸實時性標準較高以及煤礦工人安全、礦井空間結構生產安全的考慮，上述遠程控制系統不適用，而應用5G 移動網絡通信技術智能化開采煤礦可以很好地完善這種不足?；?G的礦井遠程實時控制可以使數據傳輸標準非常高的煤礦安全管理目標以及資源開采目的的實現，建構真正的智能化開采實時控制模塊。

4 礦井遠程協同運維

礦井遠程協調運維屬于煤礦智能化礦井空間中應用5G移動網絡通信技術的情景。在后續的煤礦開采中，由于礦井空間比較小，基于礦井空間的持續縮小礦井設備智能化的水平不斷提升，裝備系統整體結構不斷提升復雜化程度，常規的人工維修方式較難適應礦井高智能化設備維護以及狹小空間的運營要求。為此，常常應用遠程專家系統輔助進行礦井空間設備的維護和運營，結合5G 移動網絡通信系統對礦井空間場地的數據信息（視頻和音頻等）進行傳輸，能夠在礦井空間智能化設備中連接煤礦智能化應用牽涉到的虛擬操作系統或模型，在應用虛擬現實技術的基礎上可以使煤礦工人和專家的同時操作、觀察等目標實現，也有助于通過機器人取代礦井工人來管理和維護礦井空間設備。其中，基于5G技術的遠程運維如圖1所示。

圖1 基于5G技術的遠程運維

5煤礦5G移動邊緣計算

移動邊緣計算將計算能力和IT服務環境提供給靠近終端用戶，在靠近終端用戶移動節點下沉一些網絡業務，進而實現網絡傳輸時延的縮短，以5G網絡提高用戶體驗。為此，當今5G網絡的一項必備基礎設施是移動邊緣計算，其普遍地應用于車聯網等場景當中?？墒?，由部署節點至重要技術，移動邊緣計算都要求結合實際場景來設計方案，即當前固有的移動邊緣計算方案難以在煤礦智能化中直接應用。為此，基于煤礦智能化的移動邊緣計算需要設計架構，且對適宜的重要技術（計算任務卸載和遷移、云邊協同等）進行研發。其中，煤礦移動邊緣計算中的多層次智能架構（云+邊緣+端）的云邊協同非常適用。在此需要明確的是，移動邊緣計算節點不但涵蓋網絡設備，而且囊括自動化的掘進機和采煤機等終端設備[4]。在“端”以人工智能算法（深度學習等）使單臺輸送和采礦設備的智能實現，在“邊緣”對多臺設備的運行和環境感知參數進行收集，以及對生產遠程控制等時延標準非常高的緊急事件予以處理，以使緊急設備托管實現，在“云”中對“端”的信息進行采集，深入優化智能算法，從而提高單臺設備的智能化水平。計算卸載指的是用戶終端設備在移動邊緣計算網絡中卸載計算任務，重點完善設備存在的計算能效或性能、資源儲存等缺陷。計算卸載技術中尤為重要的是明確計算任務怎樣在云和端間實現切割。計算遷移指的是在各種網絡節點間分配計算任務，這一系列節點能夠是網絡節點或端節點。計算卸載和遷移算法的重點是怎樣明確計算任務在邊緣服務器節點和用戶終端間實現科學切割，通過最小的帶寬標準和能耗達到服務質量標準。煤礦場景下應結合實際業務明確在云、邊、端各自進行計算或處理的任務。例如針對高清視頻監控業務，能夠在監控射向頭位置先初步處理畫面，將一部分非異?；蛑貜托援嬅嫒コ?，僅僅對感興趣的畫面進行傳輸。也能夠在5G基站位置部署的邊緣計算節點深入壓縮處理上傳之后的畫面，最終向云端上傳。

6 煤礦5G切片技術應用

一般運營商的切片實例對應mMTC、URLLC、eMMB三種應用場景。事實上，如此的分類是基于垂直行業的基本場景。煤礦具體應用中能夠深入細分為多個場景（遠程運維、環境監測、生產控制、人員調度等），且確定各種應用場景中牽涉到的一些具體業務，以及把它們向服務級別轉換，即所謂的端至端的網絡切片標準，像是覆蓋安全性、容量、時延等。在5G網絡切片管理實體中下發服務級別即完成此應用場景的煤礦5G網絡切片實例化。不過，并非網絡切片粒度愈細愈佳，切片太細一是不傳輸信息的情況下會使很多網絡資源被占用，二是切片管理系統的負荷會增加。特別是在當今沒有完備定義煤礦智能化應用場景的條件下，當網絡資源整體一定的條件下，也應預留一部分智能化業務的網絡資源。為此，5G網絡切片基于煤礦智能化場景不但應定制一部分場景的切片，而且也應將公共網絡切片提供給服務級別較低或網絡應用率高的場景。以此思想作為指導，圖2給出了基于智能化的煤礦5G 網絡切片架構。在此架構當中劃分網絡資源為共用切片以及專用切片。各個切片涵蓋組合5G核心網的全部網元，有會話管理、用戶面管理、接入和移動管理、統一數據管理、策略控制等功能并且，還涵蓋移動邊緣計算功能。而專用切片具備一套完善（邊緣計算、核心網、無線接入網等）的虛擬5G網元設備，對QoS具備非常嚴格要求的應用場景（生產控制類）是其重點服務對象[5]。而公用切片的重點服務對象是網絡資源應用率低、對QoS標準具備相應容忍度的場景，像是盡管遠程協同運維對QoS的標準較低，可是因為不經常應用網絡，所以在公用切片中劃分，從而可以實現網絡資源應用率的提升。需要明確的是，公用切片對三種切片（mMTC、URLLC、eMMB）都支持，能夠聯合應用這三種切片傳輸信息。

圖2 基于智能化的煤礦5G 網絡切片架構