5G通信網絡技術在煤礦智能化的應用*

冀 杰

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400)

0 引 言

近些年來，新技術應用使我國煤礦智能化建設的步伐不斷加快，煤炭開采和運輸設備的更新替代，煤炭生產的安全問題，以及加快煤礦安全管理體系的建設，推動無人煤礦這一終極目標成為目前行業關注的焦點。一直以來，井下和地面的通信問題以及井下復雜的開采環境是煤礦行業的難題，5G技術通過將人工智能、物聯網等技術應用到煤炭產業中，極大地提高了煤炭的生產安全性及便利性。目前，我國煤炭行業正處于從機械化向自動化、智能化方向轉變的重要時刻，其中5G技術的應用在加快煤礦產業變革，推動無人煤礦的進一步發展，提高煤炭生產安全性方面發揮著至關重要的優勢和作用，成為當前煤礦行業的重要發展目標[1]。

2020年2月，國家相關部門印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》(發改能源〔2020〕283號)，文件中指出，我國將在2021年建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，到2025年大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，到2035年各類煤礦基本實現智能化3個階段的工作任務目標[2]。

筆者結合礦山智能化建設目標，詳細闡述了5G技術在煤礦中的應用場景，包括設備的遠程控制、超高清視頻監控和無人駕駛礦車等應用，突出了5G技術的應用優勢，為促進煤礦產業信息化和智能化建設提供參考和借鑒。

1 煤礦智能化建設及存在問題

通過運用物聯網、人工智能和大數據等新技術實現煤礦智能化建設的目標，重點任務體現在：構建煤礦井下安全監控系統，實現對采煤機、運輸機和提升機等井下各種設備的自動化、智能化控制，達到遠程定位與監控的目的，對可能發生的事故進行預警和防范，在不影響煤炭生產效率的情況下提高下生產安全。截至目前，我國有52座煤礦達到了千萬噸級的生產規模，生產總量達到了8.21億噸/年，占我國煤炭生產總量的20%。為滿足我國煤炭資源的開采需求，加快煤礦的智能化建設刻不容緩。

截止目前，我國煤礦智能化建設仍然存在以下方面問題。

(1) 工業以太網的傳輸帶寬不夠。目前，煤礦企業基本上都是采用千兆工業以太網來實現井下與地面的通信和數據傳輸，然而，井下生產作業中所需要的帶寬不是單一的千兆網所能承載的。因此，為解決帶寬缺乏難題，往往選擇建設多個工業以太環網，這樣做的同時也使得網絡結構變得復雜，可靠性降低。

(2) 信息孤島。傳統的信息化建設使得各個智能系統模塊之間不能進行有效的信息共享，所使用的設施標準、規范規格也各有不同，不能實現良好的信息互通，不利于煤礦安全智能一體化建設。

(3) 網絡線路錯綜復雜。井下的設備和傳感器眾多，需要更多的線路將設備接入工業以太環網中，造成各種線路交織纏繞在一起，給井下的網絡建設和線路維護帶來困難，同時也會增加發生事故的風險。

(4) 數據處理不及時。井下各種信息通過光纖等傳輸媒介源源不斷地傳到地面控制中心，傳統數據庫技術在數據處理方面多存在延遲滯后，會造成井下信息掌互通不及時，計算機不能及時做出相應指令，如果遇到危險情況，會增大事故發生幾率。

隨著5G商用的不斷推進，5G技術的帶寬和低延時可以有效解決單一工業以太網傳輸帶寬不夠問題，通過融合人工智能和大數據等技術，將會提高數據庫對于數據處理的時效性，有效增加計算機數據處理的可靠性。

2 5G技術概要

5G，即第五代移動通信技術，它的出現意味著一個萬物互聯的社會即將成為可能，5G可以為用戶提供更大的容量、更高的數據傳輸速率以及更低的延遲。它極大地增加了移動互聯網用戶的上網體驗，同時還可以滿足工業監控、遠程醫療和自動駕駛等對時延有高要求的應用需求，此外還可以滿足智慧城市、智能家居等的應用需求。

2.1 5G性能指標

5G具備寬帶寬、低延時和大連接的特性，相比于4G，其數據傳輸速率有了巨大的提升，最高可快100倍，連接設備密度達到了106/km2，頻譜效率也要高3～5倍，而且5G的峰值速率可以達到20Gbps，終端到終端的時延最低能低至1ms，5G的應用場景也更加廣泛，帶來更好體驗的同時還能滿足不同的應用需求[3]。表1所列為4G和5G的部分技術指標對比。

表1 4G和5G的技術指標對比

2.2 5G關鍵技術

5G性能的巨大提升離不開多種關鍵技術的加持，這些技術主要包括大規模天線、設備到設備、全雙工技術和網絡切片技術等。

(1) 大規模天線。5G基站所能承載的天線數量多達上百根，而4G基站的天線數量遠遠達不到這個數目，因此，在移動網絡用戶數量比較多的情況下使用4G網絡，經常會出現卡頓的現象，在接入5G網絡之后便不需要再擔心這個問題。通過將上百根天線進行排列，組成相應的隊列，可以將信號發送到更多的用戶端口，將移動網絡用戶的可接入量提升10倍左右。

(2) 設備到設備。對于5G移動通信用戶，數據傳輸的過程是從終端到終端，不需要通過基站的轉接便可以實現信號傳輸。這樣便可降低核心組網的承載壓力，從而增加網絡用戶數量。

(3) 全雙工技術。全雙工技術應用使得互為傳輸對象的設備之間可以同時進行數據的雙向傳輸，突破了半雙工技術的瓶頸，是5G通信實現低延遲的關鍵技術之一[4]。

(4) 網絡切片技術[5]。國際電信聯盟將5G的應用場景劃分為三類，分別為eMBB、mMTC、uRLLC。在這三類應用場景之中，eMBB主要是為了應對移動互聯網流量用戶的大量增長，mMTC主要是面向智能家居和監測監控等需要傳感和數據采集的應用類型，而uRLLC是面向需要低時延和高可靠性的應用類別，例如遠程醫療和自動駕駛等。利用網絡功能虛擬化和軟件定義網絡，將5G網絡切分成不同的子網，從而可以應對不同的應用需求。圖1所示為網絡切片的架構。

圖1 網絡切片架構

3 5G在煤礦中的應用

3.1 遠程控制

煤炭生產工作中，作業人員需要長期工作在復雜的井下環境中，設備噪音、煤炭粉塵以及有害氣體對作業人員的生命健康及安全存在很大影響和威脅。工人長期工作在幽暗封閉的環境中，如果精神處于崩潰緊張狀態時，無法對設備操作保持高度集中的狀態，有可能因操作不當而引發事故。

遠程控制是保障井下安全的重要手段，是加快構建無人礦井的關鍵措施，能夠有效提高機電設備的穩定性。安裝在井下的傳感器能夠采集井下機電設備等需要遠程操控的裝置的各種信息，將設備接入工業以太環網后，信息就會被傳輸到地面控制室，控制中心對信息進行分析處理后，發出各種控制指令并傳給各設備，從而實現遠程控制的目的。網絡傳輸帶寬的大小和傳輸速率的穩定將直接決定控制系統的可靠性，工業以太網雖具有寬帶寬的優點，但靈活性不高，煤礦都遠離市區，環境復雜，對于有線網絡的部署有一定的困難，因此無線網絡更適合作為煤礦的通信網絡[6]。

將5G基站部署于煤礦，依托5G網絡低時延和寬帶寬的特點，能夠有效提高數據傳輸的能力，大幅度增加控制系統的可靠性，結合多種類型的傳感器，實現對井下機電設備的監控和保護，實現對井下排水、變電、煤炭輸送等各方面的遠程控制。圖2所示為遠程控制系統的控制內容。

圖2 遠程控制系統的控制內容

3.2 礦車無人駕駛

近來年，無人駕駛的算法日趨完善，技術也越來越成熟，但煤礦的環境復雜多變，因此想要實現礦車無人駕駛，必然要求性能優異的網絡環境。就目前而言，只有5G網絡，才能為礦車的無人駕駛提供較低的延遲和精準的定位以及閃避障礙物的能力。2019年，一臺由航天三江重工公司研發的基于5G網絡的無人駕駛礦用車在世界VR產業大會上展出[7]。

無人駕駛主要是通過控制系統、GPS、無線通信技術和軟件取代駕駛室內的司機來實現。地面管理與監控系統和其他導引裝置能夠確定礦車的坐標并根據周圍的情況對礦車發出無線指令，使得礦車能在復雜的環境中進行裝載、運輸和卸載。礦車上裝備有多種類型的傳感器，包括攝像頭和激光雷達等，其中，主要基于攝像頭實現對周圍環境的感知，利用深度學習感知算法，靈巧地避過障礙物和作業人員，并按照系統指定的路線進行運輸。圖3為無人駕駛礦車控制系統的原理圖。

圖3 無人駕駛礦車控制系統的原理圖

3.3 超高清視頻

安全生產是煤炭生產的宗旨，目前，礦區的作業范圍比較大，人員和設備眾多，仍然采用“人盯人”的檢查方式，委派專門的工作人員對作業區域進行巡查，這種方式不僅需要耗費大量的人力成本，效率低，而且不能實時保障作業區域的安全。而利用視頻監控可以實時地對井下進行查看，傳統的視頻監控像素不高，成像畫質比較差，在接入5G網絡之后，可以將監控視頻的顯示質量提高到4K超高清，依托5G網絡的高傳輸速率，可以滿足超高清視頻內容的實時傳輸[8]。

得益于5G網絡的高傳輸速率，井下的超高清視頻監控圖像可以實時傳輸到地面監控室，通過分析監控畫面，及時發現事故災害，增強煤炭生產的安全性。對井下設備進行維護的過程中，作業人員往往難以獨立完成維修工作，5G網絡的應用，可以將現場的視頻畫面傳輸給遠端的專家，經過專家的遠程協助，更好地完成維修工作。同時，還可以借助人臉識別技術，對井下的職工進行識別和指揮，實現人員的智能調度。

4 結 語

5G技術的應用給煤礦行業帶來了前所未有的變化，通過將人工智能和大數據等新技術與5G技術進行融合，實現對煤炭的開采、運輸等生產信息的實時采集，同時還實現了對煤礦內機電設備的遠程監控和保護，推動礦井朝著安全、綠色、無人化的方向發展。本文對5G技術在煤礦中的實際應用場景進行了介紹，憑借5G網絡低時延、寬帶寬的優勢，實現了煤礦井下機電設備的遠程控制、礦車的無人駕駛以及超高清視頻的顯示。5G技術在煤礦產業的成功應用，將進一步加快煤礦智能化建設的步伐，極大地提高煤炭生產效率及安全性。