5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用探究

苗鑫

摘要：文章基于對5G技術(shù)概念的介紹，重點(diǎn)研究在目前的煤礦智能化中應(yīng)用的必要性并分析其可行性，介紹5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用場景，以供參考。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù);煤礦智能化;應(yīng)用

1、引言

我國在經(jīng)歷了經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段進(jìn)入經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步且追求高質(zhì)量發(fā)展的時期，對于煤炭資源的需求也趨于穩(wěn)定。煤炭企業(yè)在經(jīng)歷了落后產(chǎn)能逐漸被淘汰的階段，其產(chǎn)量也在穩(wěn)步增長，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求，對于推動國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到重要作用。但是由于煤炭行業(yè)屬于高危行業(yè)，且目前針對煤炭生產(chǎn)安全的要求也在不斷提高，這也要求改進(jìn)落后礦井的生產(chǎn)條件，解決不同地區(qū)煤炭技術(shù)發(fā)展不平衡的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)就需要突進(jìn)煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級來提升煤炭企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和安全性。但是傳統(tǒng)的煤炭自動化開采技術(shù)主要以傳統(tǒng)的無限通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，而此技術(shù)在帶寬、時延以及并發(fā)數(shù)量方面存在一定的技術(shù)限制，難以有效融合目前先進(jìn)的人工智能和大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)。而目前最為先進(jìn)的5G無限通信技術(shù)，則表現(xiàn)出帶寬大、時延低以及廣連接等優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場景之間的信息高效互通，對于推進(jìn)煤炭智能化發(fā)展以及數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將其與先進(jìn)技術(shù)融合來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新起到關(guān)鍵作用。

2、5G技術(shù)概述

所謂5G就是第五代移動通訊系統(tǒng)的簡稱，其不僅僅是一種單一的無線接入技術(shù)，而且時一種可以與現(xiàn)有無線接入技術(shù)可以高度融合的全新的無線接入技術(shù)，其與目前普及應(yīng)用的4G技術(shù)相比，從峰值速率、流量密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率、連接數(shù)密度、時延、移動性、頻譜效率、用戶體驗(yàn)速率等方面都表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，尤其表現(xiàn)出數(shù)據(jù)速率高、時延低以及可以大規(guī)模接入等優(yōu)勢。其與4G技術(shù)相比在很多技術(shù)方面有了較大突破，比如在高頻通信、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、設(shè)備到設(shè)備通信、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、移動邊緣計(jì)算等方面。

3、5G技術(shù)在煤礦智能化中應(yīng)用的必要性與可行性

3.1必要性分析

5G技術(shù)在設(shè)計(jì)階段就確定了增強(qiáng)型移動寬帶eMBB、超可靠低時延urLLC、海量機(jī)器通信mMTC等三大應(yīng)用場景，可以滿足煤礦井下生產(chǎn)中精確過程控制、傳輸超高清視頻、無人礦山智能設(shè)備之間的通信、不同煤礦安全監(jiān)測等傳感數(shù)據(jù)采集需求。因此，此技術(shù)在煤礦智能化開采中的應(yīng)用是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的必然之路。加之目前在煤礦智能化開采中普及應(yīng)用的4G以及WiFi無線通信技術(shù)，無法滿足目前煤礦智能化生產(chǎn)中精確過程控制要求和大量的機(jī)器視覺等場景需要高清視頻回放的帶寬需求，而且WiFi組網(wǎng)還具有較差的移動性和覆蓋范圍、容易受到頻段干擾以及帶寬受限等缺點(diǎn)。

但是在目前的煤礦智能化發(fā)展趨勢下，從智能化開采感知、智能化開采傳輸、智能化開采決策控制、智能化開采新技術(shù)新場景應(yīng)用、異構(gòu)物聯(lián)設(shè)備互聯(lián)互通等需求方面有了顯著的提升。比如在目前的智能化開采中需要大量傳感數(shù)據(jù)的支持，而且煤礦數(shù)據(jù)表現(xiàn)出多樣性、數(shù)據(jù)生成速度快以及數(shù)據(jù)體量增長快等特點(diǎn)。而對于開采傳輸需求來說，雖然通過將通信環(huán)網(wǎng)、視頻環(huán)網(wǎng)和安全環(huán)網(wǎng)相互獨(dú)立建設(shè)的方式可以解決數(shù)據(jù)互占通道以及安全數(shù)據(jù)隔離等問題，但是也表現(xiàn)出較高成本以及底層和上層物聯(lián)難度較大等問題。需要發(fā)揮5G技術(shù)中的切片管理技術(shù)，通過定制網(wǎng)絡(luò)的專網(wǎng)方式進(jìn)行隔離并實(shí)現(xiàn)底層端的互聯(lián)，滿足不同場景的開采傳輸需求。以開采決策控制需求為例，由于目前井下智能化綜采系統(tǒng)中的各類智能化設(shè)備數(shù)量較多，并且需要同意的中心控制系統(tǒng)收集這些設(shè)備的信息并開展統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理和控制，對于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時性的要求較高。以開采新技術(shù)新場景的應(yīng)用需求為例，在目前煤礦智能化生產(chǎn)水平不斷提高的發(fā)展趨勢下，井下大量智能設(shè)備的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時巡查以及遠(yuǎn)程會診，但是也需要消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，且要滿足信息快速反饋以及實(shí)時狀態(tài)控制等要求。然而目前主流的4G技術(shù)等已經(jīng)無法支撐智能化生產(chǎn)技術(shù)的需求，而5G技術(shù)則為煤礦智能生產(chǎn)中應(yīng)用各種業(yè)務(wù)場景提供了有力的技術(shù)支持。最后針對異構(gòu)物聯(lián)設(shè)備的互聯(lián)互通需求為例，由于目前煤礦生產(chǎn)中所用無線通信協(xié)議數(shù)量較多，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備之間的有效互通互聯(lián)，影響了用戶體驗(yàn)。而應(yīng)用5G技術(shù)則可以將現(xiàn)有或者未來的無線接入傳輸技術(shù)和功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合而形成統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)，可以為用戶提供超低時延以及超高速率的體驗(yàn)，滿足不同業(yè)務(wù)場景的需求。

3.2可行性分析

由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境中存在空間狹長和多分支的特點(diǎn)，其中的粗糙煤壁會對無線電波傳輸起到干擾或者吸收無線電波，加之井下狹小的空間中應(yīng)用多種電氣設(shè)備等會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，在空氣中彌漫著瓦斯和粉塵等，開采作業(yè)環(huán)境比較特殊，對于5G系統(tǒng)部署和應(yīng)用帶來較大的難度。比如在5G技術(shù)應(yīng)用中會出現(xiàn)高頻無線信號快速衰減，在提升定向傳輸能力時會降低繞射能力，因而減小其傳輸距離和覆蓋范圍。針對上述問題，目前5G技術(shù)中通過超密集組網(wǎng)技術(shù)和微基站技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行解決。此外，在應(yīng)用5G技術(shù)時，通過微基站的應(yīng)用，只需要3個微基站就可以覆蓋原有4G網(wǎng)絡(luò)的管控范圍，同時也提升帶寬和速率并降低時延。而且此微基站的體積小且功耗比較低，運(yùn)行安全性較高。而針對煤礦生產(chǎn)中的井下空間狹長以及多分支等特點(diǎn)，也可以利用5G技術(shù)中的有線光纖主干+密集5G微基站的布設(shè)方案來解決。并且通過合理進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片的方式來解決視頻監(jiān)控和控制信號同步傳輸?shù)膯栴}，并起到有效的安全隔離作用。由此可見，基于5G技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸和分發(fā)平臺在目前的煤礦智能化開采中的應(yīng)用是可行的。

4、5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用場景分析

一是在煤礦的不同應(yīng)用場景中，通過5G技術(shù)的應(yīng)用，可以發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合不同服務(wù)需求來劃分不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)，滿足大量并行業(yè)務(wù)上線以及端到端的性能需求。比如在高精實(shí)時定位與應(yīng)用服務(wù)中，基于5G網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的井下定位和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，可以在井下車輛管理和開采精準(zhǔn)推進(jìn)等應(yīng)用中解決移動設(shè)備的實(shí)時控制和管理的難題。二是基于5G技術(shù)開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以利用裸眼3D等技術(shù)進(jìn)行三維建模與虛擬展示，而且發(fā)揮其互動模擬以及可視化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于井下培訓(xùn)系統(tǒng)中。還可以發(fā)揮其混合現(xiàn)實(shí)、云端實(shí)時渲染和虛實(shí)融合操控等優(yōu)勢，在虛擬開采和協(xié)同運(yùn)維中應(yīng)用。三是在生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時控制中，發(fā)揮5G技術(shù)低時延的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)井上全功能的遠(yuǎn)程控制。四是在井下遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維中，面對更加復(fù)雜的井下裝備及其組成的智能化系統(tǒng)，可以通過5G網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場的音視頻信息向遠(yuǎn)端傳輸，且在現(xiàn)場設(shè)備上應(yīng)用虛擬模型，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，專家可以遠(yuǎn)程如同現(xiàn)場人員一樣進(jìn)行操作并使用機(jī)器代替人工進(jìn)行操作。五是在井下巡檢和安防中，發(fā)揮5G技術(shù)在定位、高速數(shù)據(jù)傳輸以及端端無鏈等方面的優(yōu)勢，將井下的安全信息進(jìn)行實(shí)時傳輸和共享，并且向其他移動撞斷設(shè)備主動推送相關(guān)信息，表現(xiàn)出更加高效、更可靠以及良好經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。

5、結(jié)語

5G技術(shù)由于具備了4G以及WiFi等無線通信技術(shù)不具備的顯著優(yōu)勢，在目前煤礦智能化發(fā)展的必然趨勢下，無論從未來發(fā)展的必然性，還是從技術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用的可行性上，都表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。未來會逐漸將5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，推動煤礦智能化建設(shè)與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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