淺談5G 技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用前景

周子涵

（黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027）

煤礦產(chǎn)業(yè)在我國社會生產(chǎn)活動中是一項極易產(chǎn)生安全事故且生產(chǎn)過程中不確定因素極多的工程體系，如果能將5G 技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下，勢必會將我國煤炭生產(chǎn)水平提高到一個新的高度。通過建設(shè)智慧礦山,讓危險因素可知可控，最終實現(xiàn)安全、無人、高效、清潔，是我們一直追尋的目標(biāo)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，第五代移動通信技術(shù)即將全面普及，相比較于4G 技術(shù)，5G建立了更加系統(tǒng)的接收模塊和抗干擾模塊，如果應(yīng)用于煤礦，將大大提高井下的信息傳輸效率及準(zhǔn)確性。目前，我國學(xué)者王國法等[1]已經(jīng)就煤礦智能化應(yīng)用5G 技術(shù)進(jìn)行了可行性分析，研究表明，從技術(shù)角度考慮采用3 個以上5G 微基站即可完全覆蓋原4G 網(wǎng)的管控范圍，并帶來帶寬、速率的大幅提升和延時的降低。我國學(xué)者孫繼平也在智慧礦山使用5G 和WiFi6 等無線通信技術(shù)做出比較分析，其中，5G 技術(shù)在時延性和跨區(qū)連接速度方面明顯優(yōu)于WiFi6 技術(shù)，隨著5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)成本也將大大降低[2]。此外，單個5G 微基站的功耗和體積比現(xiàn)有4G 基站的要小，更有利于井下長時間使用的安全性[1]。在煤礦智能化開采，在建設(shè)智慧礦山的基礎(chǔ)上，構(gòu)建5G+煤礦應(yīng)用平臺將為煤炭生產(chǎn)提供可靠保障。

1 5G 關(guān)鍵技術(shù)綜述

工業(yè)和信息化部辦公廳于2019 年11 月22 日發(fā)布了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512 工程推進(jìn)方案》，5G 技術(shù)是新一代信息通信技術(shù)演進(jìn)升級的重要方向，同時也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐，二者都是實現(xiàn)經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。相較于傳統(tǒng)的4G 技術(shù)以及wifi 組網(wǎng)存在的移動性差、覆蓋率低、頻段干擾、帶寬受限等劣勢，5G 技術(shù)無論是應(yīng)用規(guī)模、運行場景還是數(shù)據(jù)傳輸速率、時延管理、頻譜效率、連接密度等關(guān)鍵性指標(biāo)方面都有大幅度提升，基于此，全面推進(jìn)5G 技術(shù)的運行和升級，將為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的體驗[3]。

相關(guān)白皮書中認(rèn)為，5G 是大規(guī)模天線陣列與超密集組網(wǎng)體系組合而成的通信應(yīng)用結(jié)構(gòu)，內(nèi)部涉及新型多址技術(shù)，能建立新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，具備連接千億設(shè)備的能力，實現(xiàn)更加智能、高效的通信網(wǎng)絡(luò)管理目標(biāo)。

2 5G 技術(shù)在建設(shè)智慧礦山中的應(yīng)用

2.1 用于礦區(qū)安防系統(tǒng)。基于5G 的定位、高速數(shù)據(jù)傳輸和端端物聯(lián)等優(yōu)勢，5G 技術(shù)將助力實現(xiàn)井下的高效巡檢和安防。通過實時定位井下的裝備和人員，實時傳輸和共享井下的安全信息，將對井下作業(yè)人員的實施管控，針對目前出現(xiàn)的“檢修作業(yè)不規(guī)范，管理開展不到位”等問題做到有據(jù)可循、有理可依。智能終端的主動推送功能自動識別其他移動終端設(shè)備并按需推送相關(guān)信息，實現(xiàn)井下信息的泛在感知和共享。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳下發(fā)的利用方式，5G 模式下的數(shù)據(jù)利用更高效、延時更短、可靠性更高、經(jīng)濟性更好。5G 技術(shù)相比于4G 技術(shù)最大的提升優(yōu)勢莫過于網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，其理論峰值最高可達(dá)到10Gbps，這就意味著人們可以通過搭建5G 網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行高清影像的實時傳輸，全面覆蓋礦區(qū)，做到“監(jiān)控系統(tǒng)無盲區(qū)，巡查系統(tǒng)無死角”的快速響應(yīng)安全管理體系。

2.2 爆破作業(yè)與煤礦機器人應(yīng)用。在需要頻繁爆破的扎哈淖爾露天礦，土方的剝離必須經(jīng)過穿孔爆破后方可進(jìn)行采裝運輸，每天爆破點在3 處以上，爆破及警戒區(qū)域最大可達(dá)2km2，即使操作人員完全按照規(guī)章操作也存在較高的危險系數(shù)[4]。此時，煤礦機器人來代替操作或?qū)嵤┍O(jiān)控的作用凸顯出來，基于靈活、可移動、高帶寬、低時延和高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，未來煤礦井下需要更多的機器人來代替人工進(jìn)行各類作業(yè)，通過煤礦機器人的云端控制，將計算的結(jié)果即時返回，進(jìn)而在云端部署行動策略。

5G 網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將煤礦機器人連接到云端處理器，其低延遲特性滿足云端處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間之和不超過100ms 的要求，高帶寬特性（10 Gbit/s 以上）能為機器人提供足夠的反應(yīng)速度，通過5G 高清云臺攝像機的實時監(jiān)控，定向無死角監(jiān)控爆破作業(yè)現(xiàn)場和炸藥運輸車輛也能大大提高爆破作業(yè)和其他危險作業(yè)的可靠性。

2.3 VR 技術(shù)和AR 技術(shù)進(jìn)一步在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用。VR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)和AR（增強現(xiàn)實技術(shù)）在煤礦領(lǐng)域的成功運用將會徹底改變傳統(tǒng)人機交互的模式。

基于VR 技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的研究已經(jīng)存在較多研究成果，其中運用在三維建模、互動模擬等方面居多，可如果要運用該項技術(shù)進(jìn)行煤礦井下的云端實時渲染、融合實際操控則需要能提供100Mbps～10Gbps 帶寬、+2ms 延時要求的5G 技術(shù)滿足。

AR 技術(shù)不同于VR 技術(shù)之處在于AR 技術(shù)可以將虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實世界的同步，依托于5G 技術(shù)傳輸速率高、延時極低、能滿足高用戶密度的優(yōu)勢，如果應(yīng)用于為井下礦工制定逃生路線、或地面救援路線模擬則會極大降低出錯率，AR 技術(shù)還可以應(yīng)用于設(shè)備檢修，及時的顯現(xiàn)設(shè)備的安全狀態(tài)并提供可行性維修方案。

2.4 應(yīng)用于井下定位系統(tǒng)精度改善。漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、RFID、WiFi、PHS（小靈通）、ZIGBEE 等傳統(tǒng)無線通信技術(shù)和設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用，實現(xiàn)了煤礦井下移動通信、人員位置監(jiān)測、為煤礦安全生產(chǎn)提供了手段[5]。但因為井下環(huán)境過于復(fù)雜，存在著大量的信號干擾，且井下作業(yè)設(shè)備眾多，定位精度不高的問題也隨之產(chǎn)生，而一旦需要單獨布設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，實時性則也難以保障。基于5G 的低延時特性開發(fā)的井下定位與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向，伴隨開發(fā)的井下車輛管理、開采精準(zhǔn)推進(jìn)等應(yīng)用，解決移動裝備的實時控制和管理難題。

2.5 應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程實時控制。實時遠(yuǎn)程控制一直是煤礦智能化開采的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要經(jīng)過多重路由和多種協(xié)議才能將所需的各種傳感信息匯集到集控中心再傳至遠(yuǎn)程控制中心。因此，過去僅有部分對實時性要求不高的功能才可以用遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)，實時性要求高的功能出于安全性角度一直沒被考慮。井下采掘作業(yè)生成數(shù)據(jù)大、變化速度快，5G 低延時、高帶寬、高可靠的特性為這一難題的解決提供了基礎(chǔ)支撐，基于5G 的井上全功能的遠(yuǎn)程控制將會實現(xiàn)。在“萬物互聯(lián)”的今天，5G技術(shù)尤可以在系統(tǒng)繁雜煤礦井下發(fā)揮巨大作用，5G 系統(tǒng)大容量低功耗的特點得到展現(xiàn)。

2.6 在井下無人駕駛領(lǐng)域應(yīng)用前景。目前，地面的無人駕駛技術(shù)趨于成熟，但限于井下環(huán)境因素，無人駕駛對礦井無線網(wǎng)絡(luò)的需求極高，目前，只有5G 技術(shù)才能為井下通信網(wǎng)絡(luò)提供充足的帶寬、優(yōu)良的服務(wù)質(zhì)量、較低的時延和準(zhǔn)確定位能力。在井下車輛行駛過程中，5G 技術(shù)的高比特率能夠?qū)崟r對巷道大量的三維地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳感器數(shù)據(jù)的共享也將提升車輛的環(huán)境感知能力。通過5G 網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備，車輛具備精確定位、安全監(jiān)測、自主感知、主動避障、自動錯車、風(fēng)門聯(lián)動等功能，實現(xiàn)井下運輸車輛無人駕駛[6]。井下運輸系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化，將會很大程度提高作業(yè)效率，實現(xiàn)智能管理。5G 技術(shù)將大規(guī)模、實時傳輸采集到的車輛、車皮、設(shè)備、煤流、物資及附近環(huán)境等相關(guān)參數(shù)信息，以提升車輛運輸和設(shè)備運行效率，保證運輸系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程安全高效。

3 結(jié)論

煤炭行業(yè)運用5G 技術(shù)目前還處在初步摸索階段，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，5G 技術(shù)基站建設(shè)費用等成本會不斷降低，在煤礦行業(yè)廣泛應(yīng)用5G 技術(shù)的可能性也將大幅增加。5G 技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用也將會是推進(jìn)煤礦行業(yè)智慧礦山建設(shè)的重要轉(zhuǎn)折點。5G 技術(shù)與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的結(jié)合也將逐一在煤礦落地，實現(xiàn)煤礦大數(shù)據(jù)的實時分析與決策支持。從“無人則安、少人則安”的治理原則出發(fā),依靠科技的進(jìn)步，才能真正實現(xiàn)煤炭行業(yè)工業(yè)質(zhì)量的飛躍。