基于5G 通信技術的連采機視頻與智能化應用探析

趙 軍

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司， 山西 呂梁 033000）

1 采掘工作面智能化現狀

1）采掘作業面自動化：采掘作業面自動化系統指的是綜合機械化綜采作業面的轉載機、連采機等，其中基于掘錨機研發的電控系統主要是對煤礦內各個設備的運行狀況進行監測，收集作業面的實時數據，平臺連入系統來完成掘進面內各個設備及其運行狀況的監測，以實現掘進面的集中控制。

2）掘進膠帶機無人值守系統：利用膠帶機可以實現遠程監控，有助于設備的改造，同時在機頭的部位配置一個成像清晰的攝像頭，可以同時監控多個膠帶機，也可以實時監測到設備的故障信息。

3）自動錨索鉆機：在進行支護的時候，煤礦可以選擇單體式或兩臂式的錨索鉆機。前者的構造十分簡單，需要三個人協作操作，三人所需工作分別為控制鉆機、裝卸鉆桿和配備物料及運行防爆車，由于操作人員需要長時間接觸粉塵及污水，不僅使身體受到了極大的威脅，而且也無法提高工作效率。為了使錨索支護取得更好的效果，煤礦可以選擇兩臂錨索鉆車，該機操作需要三人協作，其中兩人需要控制鉆臂，一人需要在地面輔助操作，與單體相對比，其支護效率要更好[1]。

2 采掘工作面智能化目標

連采機中的電纜收放設備可以借助拖纜+排纜形式來迅速收放電纜，確保收放裝置的運行動力為液壓，同時還具備手動、自動和人為干預自動三種模式，電纜收放裝置的功能為可以對收放力進行自主控制，避免電纜因為拉力而受到損傷。收放裝置與防護設備協調使用，并不會對司機的視野造成影響；通過利用SLAM 技術可以幫助煤礦建立起巷道的三維地圖，完成路徑的規劃及梭車的定位；UWB 技術可正確評價煤機自身及四周存在的風險問題，并依據不同的風險來實施區域劃分，確保操作人員在進入到該區域之后設備可以立即停機，避免人員傷亡。

3 5G 無線通信設計

3.1 系統整體構成與供電設計

1）系統整體構成：主要包含了地面的控制中心、礦用的基站控制器及無線基站、礦用的信號轉換器等。核心網（5GC）所具有的功能主要為注冊、鑒權等。KT606-K（5G）是對信號進行處理，為數據傳輸提供相應的接口，對無線網絡的資源進行有效的管理。KT606-F 主要是保證礦井下可以連接到5G 網絡。KZC127（5G）的作用在于將礦井下部有線設備的信號進行轉換，使其成為5G 無線網絡，從而實現信號數據的遠程控制及轉換。

2）系統供電設計：在設計供電時，5G 基站的構建需要采取主從結合的形式，其中主為由礦井下方直接取電，從為利用相應的備用電池來取電，電源的設置需要在交接區域內完成，破碎機處需要添加相應的轉換器來完成電源的轉換，連采機則可以使用照明燈。

3.2 核心網及其組網設計

1）核心網設計：5G 核心網的建立需要遵循3GPP定義內的國際化標準，該網絡同時融合了多個網元，如PCF、UDM 等。除了N4 口之外，其他網元的構架均是標準化的服務構架。作為一個關鍵控制面節點，AMF 的功能在于幫助用戶注冊及連接等。SMF 的功能是對會話進行管理，其中包含了構建、糾正等，其實際功能在于對會話過程中用戶的IP、界面功能等進行控制。UPF 作為一個用戶面節點，其主要是通過PDN 網絡來進行連接，為用戶提供錨定、業務路由等業務處理功能。AUSF 主要功能在于鑒權和認證用戶。UDM 的作用在于對各個用戶的簽約、鑒權及標識等數據實施管理等。NRF（NF 保存功能）的功能在監測狀態、支持網絡功能服務注冊等，以完成網絡功能服務的自動化管理及選擇。PCFPCF 可利用統一性的策略框架來對網絡行為實施管理，提供策略規則來完成平面功能進行控制，訪問統一數據的儲存庫。

2）核心網組網設計：首先，優化設計5G 基站，確保各個安裝位置連接起來可以形成一個區域網絡。礦井作業面如果要向構建起專用的5G 區域網，就必須配置一個5G 基站和無線基站，實現集控中心的控制及數據傳輸，破碎機的安裝部位也需要配置一個5G 基站和無線基站，以此來保證設備的有效控制，連采機自身也需要配置這樣的基站，以此來接收相應的控制信息，同時將接收到的信息及時傳輸到破碎站周圍建立的基站內部。

4 5G 無線通信與智能連采機視頻設計

4.1 攝像儀的運行原理

礦井中配置的攝像儀都需要利用四根線來進行連接，其中信號線和電源線各兩根。每一個攝像儀需要利用一個四芯來屏蔽電纜連接到PLC 箱，四個攝像儀主要運用四根四芯來進行屏蔽。在PLC 箱之內利用四根四芯來對電纜進行屏蔽，其中兩芯是相互合并的，再經過一根四芯來對電纜從PLC 箱之中引入到司機室的防爆主機之中的網絡傳輸裝置實施屏蔽，這一網絡傳輸器主要與主機建立連接。系統采取的模式為一主、四從，其中主和從分別表示為主機和攝像儀內部安裝的網絡傳輸器。

4.2 攝像儀位置

在連采機上配置四個網絡攝像儀，其所處的位置詳見圖1。在連采機的駕駛室內，在司機左側安裝一個顯示屏，該顯示屏主要為主機控制機圖像，確保司機可以實時監測煤機運行的狀況，以便迅速作出反應，保證生產的安全性。

圖1 安裝位置及效果

4.3 攝像儀顯示設計

通過運用連采機與梭車之中配置的多個攝像機，實時收集作業現場各個方位的數據信息，利用5G 網絡可以將數據信息及時傳輸到監控中心。連采機中需要安裝各個方位的除塵攝像頭，其中分別采取熱成像儀和低照度的攝像頭，實現視頻信息的全方位采集，連采機上方需要安裝拾音器，以便對現場的音頻進行采集。視頻顯示單元可以實時顯示出現場各個生產設備的運行狀態，方便工作人員更加直觀察看設備運行狀態。

4.4 連采機視頻與5G 無線通信融合設計

首先將連采機之中運用的跟機電纜進行更換，使其成為4 芯控制電纜，將這種電纜與連采機之中PLC 箱進行連接，以此來確保煤機可以與饋電之間形成良好的通信，再引入一根控制線來完成煤機饋電與破碎機5G 基站之間的連接，保證數據可以實時傳輸到以太網之中，從而完成對煤機的遠程監控。其次，為了保證視頻的質量，連采機之中需要安裝一個硬盤錄像機，并將設備中所有的攝像儀進行打包接入，使視頻以一條路徑輸出，促使視頻可以正常傳輸。

5 結語

5G 通信技術與智能連采視頻技術的應用使煤礦操作人員不管是生產操作，還是設備檢修，可以對連采機的周圍狀況進行實時監控，使司機在遇到風險之后可以立即作出反應，促使連采機可以正常運行，從而使采掘作業可以得到安全有效的開展。