5G技術在智能化煤礦的應用研究

摘要：在智能化煤礦建設過程中，受通信時延高、數(shù)據(jù)難匯聚等因素的影響，面臨系統(tǒng)協(xié)同性差、智能終端匱乏等一系列問題。5G技術具有低時延、大帶寬、支持邊緣計算等優(yōu)勢，能夠為解決煤礦智能化難題提供支持。文章從理論與實踐兩個方面探究5G技術在智能化煤礦中的應用思路和方法，在合理設計智能化煤礦架構的基礎上，結合項目實例提出礦用5G網(wǎng)絡構建方法，對智能探測、智能開采等主要智能化應用場景展開分析，希望能為智能化煤礦建設提供參考。

關鍵詞：5G通信技術；智能化煤礦；礦用5G網(wǎng)絡；應用場景

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.044

中圖分類號：TD 655，TN 929.53" " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-0-03

Abstract： In the process of intelligent coal mine construction， due to factors such as high communication latency and difficulty in data aggregation， there are a series of problems such as poor system collaboration and a lack of intelligent terminals. 5G communication technology has the advantages of low delay， large bandwidth， and edge computing support， which can provide support for solving the intelligent problems in coal mines. This paper explores the application ideas and methods of 5G communication technology in intelligent coal mines from theory and practice. On the basis of reasonable design of intelligent coal mine architecture， combined with project examples， it proposes the construction method of mine 5G network， and analyzes the main intelligent application scenarios such as intelligent detection and intelligent mining， I hope to provide guidance for the construction of intelligent coal mines.

Key words： 5G communication technology; intelligent coal mines; mining 5G network; application scenario

1" 5G技術在智能化煤礦的應用思路

1.1 智能化煤礦架構設計

國內煤礦多為地下開采模式，面對復雜地質條件和較高開采風險，許多煤礦陸續(xù)引進了采煤工作面機器人等設備，機械化程度越來越高。但由于未實現(xiàn)系統(tǒng)建設統(tǒng)一規(guī)劃，地面和井下通信網(wǎng)絡建設相對滯后，難以實現(xiàn)設備、系統(tǒng)間大規(guī)模互聯(lián)，給各種智能化應用實現(xiàn)帶來了阻礙[1]。為解決煤礦信息孤島問題，引入5G網(wǎng)絡打造智能化煤礦信息平臺，做到全息感知煤礦信息，通過數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)業(yè)務聯(lián)動，為生成智能管理決策提供支持。加強平臺頂層設計，需完成平臺架構科學部署，如圖1所示，完成由傳輸網(wǎng)絡、平臺層和應用層構成的智能化煤礦信息系統(tǒng)建設，應用5G技術等實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入，打造能夠有效感知煤礦人、機、環(huán)、管要素的網(wǎng)絡。根據(jù)網(wǎng)絡拓撲關系，從場所、地點等多維度完成海量異構數(shù)據(jù)融合，在云計算、大數(shù)據(jù)等技術支撐下實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能分析和應用，能夠實現(xiàn)煤礦ERP等系統(tǒng)協(xié)同控制，為加強煤礦安全生產等各方面管理提供科學決策[2]。

1.2 5G技術應用要點

從智能化煤礦實現(xiàn)關鍵來看，需擁有可靠的通信技術支撐，確保順利實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)匯聚，然后通過云計算、大數(shù)據(jù)等新技術實現(xiàn)煤礦智能管理。5G技術為各種系統(tǒng)提供溝通途徑，是數(shù)據(jù)大融合的重要渠道，在煤礦智能化應用中應把握以下要點。

（1）注重物聯(lián)感知。在實現(xiàn)煤礦全要素信息采集的過程中，應用5G技術連接各種終端，完成大量數(shù)據(jù)信息傳遞，確保實現(xiàn)萬物互聯(lián)目標。

（2）強化數(shù)據(jù)融合。應用5G技術需要融合各類數(shù)據(jù)信息，保證系統(tǒng)間能夠協(xié)同運轉。

（3）實現(xiàn)智能管控。應用5G技術可保證終端和中控系統(tǒng)間實時通信，實現(xiàn)機械設備遠程智能管控，為采煤活動安全開展提供保障。

（4）做到綜合管理。應用5G網(wǎng)絡打造綜合管理系統(tǒng)，通過對接多系統(tǒng)，開展煤礦生產指揮調度、安全事故防控、人員監(jiān)管等各種業(yè)務，在實現(xiàn)多系統(tǒng)業(yè)務聯(lián)動和協(xié)同控制的同時，可以做到快速響應煤礦管理中的各種需求，提升煤礦綜合管理水平。

2" 5G技術在智能化煤礦的應用實踐

2.1 項目概況

某煤礦依照《安全高效現(xiàn)代化礦井技術規(guī)范》（MT/T 1167—2019）要求，在井下建設4G網(wǎng)絡實現(xiàn)礦井通信、信息管理等功能。在煤礦智能化建設背景下，為實現(xiàn)煤礦各種系統(tǒng)功能集中統(tǒng)一調度，決定進行煤礦5G專網(wǎng)建設，覆蓋井下綜采工作面、連掘工作面、煤輔運大巷等重要場所，實現(xiàn)與4G網(wǎng)絡互通，為打造煤礦大數(shù)據(jù)倉庫奠定扎實基礎[3]。

2.2 礦用5G網(wǎng)絡部署

2.2.1 性能分析

在項目實施過程中，可知煤礦5G應用場景和地面5G應用場景存在差異，可以通過部署礦用5G網(wǎng)絡優(yōu)化主要網(wǎng)元，在滿足實踐應用中設備低功耗運行等需求的同時，降低系統(tǒng)建設成本。結合以往技術經驗可知，礦用5G網(wǎng)絡峰值速率在1～20 Gbps之間，用戶峰值速率應達到上行200 Mbps，下行800 Mbps，將成幀結構設置為3U1D，能夠啟動超級上行通信模式[4]。在室內基帶處理單元和井下基站之間，5G通信距離至少應達到10 km，而井下5G基站覆蓋距離至少達到400 m。在網(wǎng)絡通信時延方面，要求端到端時延不超10 ms。此外，網(wǎng)絡接入用戶數(shù)至少達到20 000，通信可靠性應達到99.99%。

2.2.2 系統(tǒng)架構

在礦用5G網(wǎng)絡設計實踐中，包含核心網(wǎng)、基帶處理單元BBU、遠端匯聚站RHUB、5G基站等多個部分，如圖2所示。其中，核心網(wǎng)用于提供無線網(wǎng)絡注冊、數(shù)據(jù)交換、業(yè)務鑒權等功能，在5G核心網(wǎng)建設過程中，可以實現(xiàn)移動邊緣計算MEC功能下沉，面向專門用戶提供云計算等服務，也可以選擇建設獨立專網(wǎng)。在煤礦井下無線分布方面，需采用BBU、RHUB等多級有源分布式設備共同構成通信基站，確保在長巷道、多分支場景中實現(xiàn)網(wǎng)絡信號全面覆蓋。其中，BBU能夠實現(xiàn)無線資源管理，為信號提供傳輸接口，RHUB則能實現(xiàn)遠端數(shù)據(jù)的匯聚和傳輸。核心網(wǎng)位于地面機房，需通過光纖或切片分組網(wǎng)與5G基站連接。為確保礦井中系統(tǒng)、設備等能夠順利接入5G網(wǎng)絡，需要做好5G通信模組和客戶終端設備CPE選擇。在CPE設備選擇上，應確保設備能夠完成以太網(wǎng)、RS-485、Wi-Fi等信號轉換，為各種接口設備提供路由，確保設備可以接入5G網(wǎng)絡。

2.2.3 部署實踐

結合煤礦實際情況，在部署礦用5G網(wǎng)絡時決定自建5G MEC邊緣計算核心網(wǎng)，在連接BBU時則建設井下專用環(huán)網(wǎng)，兼顧移動通信和工業(yè)環(huán)網(wǎng)需求，為各種智能化應用實現(xiàn)提供支持。應用5G技術建設工業(yè)環(huán)網(wǎng)，需選用IP RAN設備建設環(huán)網(wǎng)，能夠兼容以太網(wǎng)等通信業(yè)務，為各移動終端提供最大1 Gbps的帶寬。通過BBU連接礦井5G基站，確認5G網(wǎng)絡在直巷內覆蓋半徑能夠達到200 m以上，實現(xiàn)綜采工作面、井下變電所等場所全覆蓋。針對彎道和存在坡道的場景，需進行多個5G基站級聯(lián)處理，達到增強信號覆蓋強度的目標。實際將基站天線布置在彎道切點位置，能夠覆蓋巷道1 200 m，邊緣場強至少達到-115 dBm。針對井下避難硐室等區(qū)域，布置分布式天饋系統(tǒng)實現(xiàn)定向覆蓋，在巷道交叉區(qū)域設立分站，使用多天線實現(xiàn)無縫覆蓋。

2.3 主要應用場景開發(fā)

2.3.1 智能探測

在煤礦信息探測方面，應用5G技術實現(xiàn)傳感器、智能終端、視頻探測等各種技術融合，能夠做到精準探查井下地質條件和環(huán)境，為煤礦綜合勘查工作開展提供有力支持。如在地層信息采集方面，應用BIM技術和GIS技術等實現(xiàn)礦井信息綜合感知，建立虛擬數(shù)字化地質模型完成工程采掘數(shù)據(jù)分析，能夠有效提高地質探查精度。在綜采作業(yè)面，通過5G網(wǎng)絡實時上傳高清全景視頻，并通過視頻AI輔助等技術展開分析，能夠智能識別膠帶機堆煤、跑偏等情況，也能及時發(fā)現(xiàn)人員進入危險作業(yè)區(qū)等行為。因此，在5G網(wǎng)絡支撐下，實現(xiàn)礦井人、機、環(huán)等全要素信息探測，在各種系統(tǒng)中動態(tài)更新數(shù)據(jù)，可以為實現(xiàn)煤礦井下管理提供有效數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。

2.3.2 智能調度

通過綜合運用各種有線和無線通信技術，建立煤礦日常指揮調度和應急指揮調度系統(tǒng)，能夠利用5G技術完成海量音視頻文件傳輸，為實現(xiàn)煤礦電力、通信、設備、人員等各方面調度提供支持。如在綜采作業(yè)面物資指揮調度方面（如圖3所示），通過5G環(huán)網(wǎng)將各種視頻上傳至云平臺，并利用邊緣服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，生成全景拼接視頻發(fā)送至遠程工作站，可以結合巷道占用情況、輔助車輛位置等合理調度運輸車輛，加強井下運輸管控。通過5G網(wǎng)絡同時承載視頻、廣播等各種設備通信，使各分站相互補充和協(xié)同，能夠實現(xiàn)煤礦多級智能調度功能。

2.3.3 智能開采

在5G生態(tài)下，應用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術完成采煤機、掘進機等各種設備數(shù)據(jù)融合，利用成套裝備協(xié)同控制算法實現(xiàn)采、掘、運等各種數(shù)據(jù)處理，能夠實現(xiàn)掘進、支護、運輸?shù)茸鳂I(yè)工序結合，解決連續(xù)作業(yè)問題。通過建設遠程數(shù)字化集控系統(tǒng)，實現(xiàn)掘錨機自動定向截斷等功能，能夠做到精準預測超前位置，通過協(xié)調推進和多級聯(lián)動控制等實現(xiàn)自動化作業(yè)，將每掘進100 m導航偏差控制在±10 cm，保證斷面成形精度良好。在5G技術支持下煤礦井下無須專人跟機作業(yè)，能夠通過實時監(jiān)測加強生產過程控制，達到煤礦安全高效開采的效果。

2.3.4 智能管控

應用5G技術實現(xiàn)煤礦智能管控，能夠實現(xiàn)無人高效巡察、故障精準定位、電纜高溫預警等功能，并通過與防火系統(tǒng)聯(lián)動等加強設備運行、環(huán)境安全等各方面管理。如在礦井通風方面，通過5G網(wǎng)絡在實現(xiàn)各區(qū)域通風狀態(tài)感知的基礎上，應用智能通風軟件完成在線監(jiān)測，在判斷個別區(qū)域通風無法達到安全規(guī)程要求的情況下，能夠自動啟動井下通風設施，并通過實現(xiàn)局域風量、風速等指標監(jiān)測、調控保證作業(yè)安全。利用5G網(wǎng)絡匯聚大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)應急聯(lián)動、災害預警等各項功能，能夠達到煤礦綜合運營管理目標。

3" 結束語

應用5G技術建設智能化煤礦，應理清頂層設計思路，通過轉變系統(tǒng)平臺建設思維模式，借助5G技術完成分布式架構設計，真正將各種技術融入到不同煤礦場景中，推動煤礦生產和管理水平的提升。結合相關理論，從物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)融合等角度把握5G技術應用要點。在智能化煤礦建設實踐中還應做好礦用5G網(wǎng)絡部署，在順利實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信的同時，使底層數(shù)據(jù)和上層業(yè)務緊密耦合，為智能調度、智能開采等各種智能化應用場景提供支持，充分突顯5G技術在信息感知、遠程操控等方面的應用優(yōu)勢，全面推動智能化煤礦高質量發(fā)展。

參考文獻

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