5G通信技術(shù)及其在煤礦的應(yīng)用構(gòu)想

霍振龍，張袁浩

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

為滿足煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)對礦井無線通信的需求，自20世紀(jì)80年代起，我國先后研制并應(yīng)用了礦井漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS(小靈通)通信系統(tǒng)[1]。2010年后，通信技術(shù)發(fā)展愈來愈快，煤礦無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用隨時面臨礦井特定工作環(huán)境和作業(yè)流程的制約，如：寬帶要求，礦井提升機視頻監(jiān)控、采掘工作面實時移動視頻；流動性要求，機車運輸調(diào)度、巡檢員等流動作業(yè)人員之間及巡檢員和調(diào)度員之間的信號聯(lián)絡(luò)、對移動設(shè)備的數(shù)據(jù)采集等；即時性要求，設(shè)備及時維修、發(fā)生事故時組織緊急撤離和安全救護(hù)等。針對這些要求，各通信公司和研究院所科研人員經(jīng)過不懈努力，先后研制出礦井CDMA，WiFi，3G，4G通信系統(tǒng)并成功推廣應(yīng)用。相較而言，能夠保證較好的語音、圖像、視頻傳輸性能的WiFi和4G通信技術(shù)，近年來成為我國煤礦井下移動通信系統(tǒng)的首選，其性能基本滿足煤礦井下開采主要業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信需求[2]。然而，煤炭行業(yè)對于先進(jìn)通信技術(shù)的要求是不斷存在且愈加苛刻的[3-5]。一方面，井下特殊環(huán)境不僅要求通信系統(tǒng)具有傳輸速率高、時延低、并發(fā)量大、可靠性高的特點，還對網(wǎng)絡(luò)覆蓋、傳輸功率、安全防爆、傳輸繞射、抗干擾等能力有特殊要求；另一方面，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展及礦井智能化水平的提高，包括智能采煤、智能運輸、礦井物聯(lián)網(wǎng)、煤礦大數(shù)據(jù)、礦用機器視覺、煤礦機器人、虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)等新興技術(shù)的井下應(yīng)用，井下各類數(shù)據(jù)趨向規(guī)模化和復(fù)雜化，現(xiàn)階段煤礦無線通信系統(tǒng)的性能逐漸無法滿足智能化發(fā)展的各項需求。礦井無線寬帶通信是智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵[6]，5G技術(shù)將突破傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在傳輸帶寬、時延、連接數(shù)等方面的制約，搭建礦井5G通信網(wǎng)絡(luò)將為煤礦智能化開采[7-8]、礦井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、煤礦大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等方面提供高速率、低時延、大連接、高可靠的通信鏈路保障。

1 5G關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢

1.1 5G關(guān)鍵技術(shù)

面對多樣化場景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對所有場景的解決方案，5G技術(shù)創(chuàng)新主要來源于無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面[9-10]。在無線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點；在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已取得廣泛共識。此外，基于濾波的正交頻分復(fù)用(Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)-OFDM)、濾波器組多載波(Filter Bank Multicarrier，F(xiàn)BMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(Device to Device，D2D)、多元低密度奇偶檢驗(Q-ary Low-density Parity-check，Q-ary LDPC)碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、極化碼等也被認(rèn)為是5G潛在關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 5G技術(shù)性能優(yōu)勢

5G關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用使5G通信系統(tǒng)的性能大幅提高，與前幾代無線通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)具有傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、時延低、可靠性高、容量大等優(yōu)勢(表1)。

表1 2G/3G/4G/5G通信技術(shù)性能對比

(1)用戶體驗速率(真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率)：100 Mbit/s～1 Gbit/s。

(2)連接數(shù)密度(單位面積上支持的在線設(shè)備總和)：106/km2。

(3)端到端時延(數(shù)據(jù)包從源節(jié)點開始傳輸?shù)奖荒繕?biāo)節(jié)點正確接收的時間)：1 ms。

(4)移動性(滿足一定性能要求時，收發(fā)雙方時間的最大相對移動速度)：500 km/h以上。

(5)流量密度(單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量)：10 Mbit·s-1·m-2。

(6)用戶峰值速率(用戶可獲得的最高傳輸速率)：10～20 Gbit/s。

2 礦井5G無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

礦井5G無線通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)平臺、地面5G基站、井下基站、井下HUB等組成，如圖1所示。井上采用AAU(Active Antenna Unit,有源天線單元)完成地面覆蓋，通過Ir接口與BBU(Building Baseband Unit,室內(nèi)基帶處理單元)相連；井下采用Pico RRU(Remote Radio Unit,射頻拉遠(yuǎn)單元)井下基站實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，井下基站通過井下HUB進(jìn)行匯聚后，與井上BBU相連，傳輸接口為Ir接口。

圖1 礦井5G無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 組網(wǎng)方式

5G網(wǎng)絡(luò)部署包含非獨立組網(wǎng)(Non-Standalone，NSA)和獨立組網(wǎng)(Standalone，SA)2種方式[11]。NSA是利用現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施，融合4G核心網(wǎng)部署5G網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)5G與長期演進(jìn)(Long Term Evolution，LTE)聯(lián)合組網(wǎng)，這種方式在演變過程中涉及核心網(wǎng)的切換和增強型4G基站的改造，初期建網(wǎng)速度快，成本相對較低，但靈活性較差，中后期部署工作量大；SA則是重新搭建一張5G網(wǎng)絡(luò)，所用基站和基礎(chǔ)設(shè)施均要重新部署和建設(shè)，初期成本較高，雖然也可將現(xiàn)有的4G基站升級增強后與5G核心網(wǎng)連接，但SA架構(gòu)的最終形態(tài)是5G基站連接5G核心網(wǎng)，不依賴現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)和基站設(shè)備，這種組網(wǎng)方式支持5G所有的新功能和新應(yīng)用。礦井可依據(jù)現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的裝備情況和對無線通信的需求選擇合適的組網(wǎng)方式。

3 5G通信技術(shù)在礦井的應(yīng)用

從礦山智慧化發(fā)展的角度來看，要實現(xiàn)煤礦作業(yè)人員、環(huán)境和設(shè)備全面感知下的“萬物互聯(lián)”，“一網(wǎng)一站”的高速井下通信網(wǎng)絡(luò)搭建，礦山關(guān)鍵設(shè)備遠(yuǎn)程控制，礦井上下實景三維模型虛擬仿真，礦山數(shù)據(jù)的深層次挖掘等應(yīng)用，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、SDN、VR和增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)等數(shù)字化進(jìn)程的關(guān)鍵技術(shù)，催生著煤炭行業(yè)不斷創(chuàng)新，為煤礦智能化建設(shè)和煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)提供了新的技術(shù)手段，而5G通信網(wǎng)絡(luò)則將這些技術(shù)和礦井應(yīng)用場景緊密連接起來。通過分析5G技術(shù)三大應(yīng)用場景，初步認(rèn)為5G技術(shù)的優(yōu)勢特點與煤炭行業(yè)智能化發(fā)展進(jìn)程中對通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求相契合，5G技術(shù)的三大應(yīng)用場景均覆蓋了井下通信技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方向，見表2。

表2 5G技術(shù)煤礦應(yīng)用場景

3.1 井下無人駕駛及智能運輸

井下無人駕駛對礦井無線網(wǎng)絡(luò)的需求極高，而機器對機器之間的通信一直是無線通信網(wǎng)絡(luò)的難題。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、低時延及精確的定位能力。井下車輛行駛過程中，5G技術(shù)的高速率能夠?qū)崟r對巷道大量3D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。

井下運輸系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化，需要在頂層對井下煤流、物料、人員運輸整個過程中所涉及的運輸車輛、運料裝備、膠帶、集裝箱、調(diào)度裝備、自動化轉(zhuǎn)運裝置及相關(guān)的運輸對象進(jìn)行整體協(xié)調(diào)，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，以提高車輛運輸和設(shè)備運行效率，保證運輸系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程安全高效。

3.2 全礦井位置服務(wù)

目前井下定位系統(tǒng)或位置跟蹤系統(tǒng)都是針對單一需求而設(shè)計，僅滿足了礦井部分場合和局部的業(yè)務(wù)需求。井下作業(yè)的少人化和無人化發(fā)展對位置服務(wù)的需求日益顯現(xiàn)，對井下位置服務(wù)系統(tǒng)的精度、容量和響應(yīng)時間等指標(biāo)都提出了更高的需求。5G技術(shù)利用大規(guī)模天線、高頻段通信等技術(shù)特征，為實現(xiàn)高精度定位提供了技術(shù)保障。

3.3 設(shè)備遠(yuǎn)程操控

設(shè)備遠(yuǎn)程操控是智能開采的重要組成部分[12]，實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制對網(wǎng)絡(luò)實時性的要求極高，井下設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)通信鏈路長、環(huán)境苛刻，5G技術(shù)所提供的高可靠和超低時延的控制網(wǎng)絡(luò)是保證井下設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的前提。同時，井下開采作業(yè)伴隨著大量數(shù)據(jù)的生成，設(shè)備高精度傳感器要采集掘進(jìn)機、采煤機、液壓支架等主要設(shè)備的實時狀態(tài)參數(shù)信息，環(huán)境傳感器要采集作業(yè)巷道環(huán)境參數(shù)信息，高清攝像頭要采集工作面作業(yè)視頻和煤壁圖像。這些數(shù)據(jù)種類繁多、體量巨大、生成速度極快，必須依靠5G通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延、高可靠、高連接的傳輸特性，才能在遠(yuǎn)端搭建實時同步的開采可視化模型，人員在地面利用可視化系統(tǒng)實時跟蹤工作面現(xiàn)場場景，下達(dá)控制指令，實現(xiàn)設(shè)備及整套作業(yè)工序的智能遠(yuǎn)程控制。

3.4 故障遠(yuǎn)程診斷

井下設(shè)備故障遠(yuǎn)程診斷依賴5G網(wǎng)絡(luò)的低時延和高服務(wù)質(zhì)量保障特性，利用智能傳感器實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測，并與云端AI平臺、數(shù)據(jù)庫進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和處理，對設(shè)備進(jìn)行主動監(jiān)測，提出定制化的診斷方案，維修人員不必專門前往井下判斷設(shè)備故障類型，大幅降低了檢修班工作強度。此外，5G技術(shù)與AR/VR技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，通過回傳的現(xiàn)場高清視頻，有望實現(xiàn)地面人員對井下設(shè)備的遠(yuǎn)程運維，或指導(dǎo)當(dāng)班人員現(xiàn)場進(jìn)行維修作業(yè)，如對檢修設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，甚至不用人員下井就能完成故障修復(fù)。

3.5 大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸

5G技術(shù)可滿足礦井高清視頻監(jiān)控服務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，井下大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來源于主要作業(yè)點，包括采掘工作面、進(jìn)回風(fēng)巷、主要運輸巷道等重點視頻監(jiān)控區(qū)域，視頻采集設(shè)備為作業(yè)點固定安裝和搭載在各類巡檢機器人上的高清攝像裝置。基于人工智能的礦井視頻監(jiān)控將有效提高人員作業(yè)安全性，提升井下生產(chǎn)效率，其主要用于生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的人員違規(guī)識別、煤巖介質(zhì)識別、煤流運輸狀況識別、煤矸分揀圖像識別、作業(yè)安全質(zhì)量識別、設(shè)備狀態(tài)巡檢等場景。此外，災(zāi)后救援現(xiàn)場的圖像和視頻也可用于指導(dǎo)開展救援工作。

3.6 煤礦機器人云端控制

靈活、可移動、高帶寬、低時延和高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是煤礦機器人實現(xiàn)安全協(xié)同生產(chǎn)作業(yè)的基本要求。未來煤礦井下需要更多的機器人代替人工進(jìn)行各類作業(yè)，但每個機器人的計算能力有限。煤礦機器人云端控制即實時地將機器人獲取的外部信息發(fā)送給云端，再將計算結(jié)果即時返回機器人，煤礦機器人自身只作為純粹的執(zhí)行器，計算資源部署在云端。5G網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將煤礦機器人連接至云端“大腦”，其擁有的低時延特性滿足云端處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間相加不超過100 ms的要求，高帶寬特性為機器人提供足夠的帶寬(10 Gbit/s以上)。

3.7 全礦井安全監(jiān)測信息采集

目前井下感知設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)無法做到全礦井安全監(jiān)測信息的泛在感知，如采空區(qū)等危險區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測未能有較好的解決方案。井下巷道、硐室和設(shè)備需要布置大量的感知節(jié)點，不僅要求終端具備低能耗、低成本、高安全性的特點，還對無線網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)密度、傳輸速率和實時性有較高要求。5G技術(shù)的低功耗大連接場景將端到端時延控制在10 ms以內(nèi)，連接數(shù)密度達(dá)106/km2，滿足全礦井安全監(jiān)測信息采集的需求。井下環(huán)境監(jiān)控、作業(yè)設(shè)備監(jiān)控、人員體征監(jiān)控、儀器儀表監(jiān)控、通風(fēng)及排水監(jiān)控等系統(tǒng)均需要5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大規(guī)模感知節(jié)點的互聯(lián)互通，用一張容納海量傳感器的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全礦井安全監(jiān)測信息的采集[13]，并接入移動邊緣計算服務(wù)器，對所采集的信息進(jìn)行分析和處理，結(jié)合云計算和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，回傳數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

3.8 VR/AR礦山

VR、AR技術(shù)在煤礦的應(yīng)用主要有礦山模型可視化展示、教學(xué)和操作培訓(xùn)、仿真環(huán)境下施工和開采模擬、工作面設(shè)備作業(yè)規(guī)劃和控制[14]、綜采監(jiān)測監(jiān)控[15]、遠(yuǎn)程設(shè)備維修[16]等。基于VR、AR技術(shù)建立真正意義上的虛擬礦山模型需要采集所有井下實時更新的巷道環(huán)境和作業(yè)數(shù)據(jù)，通過激光測距儀等專業(yè)測距儀器獲取的點云數(shù)據(jù)建立3D模型，通過大量傳感節(jié)點獲取實時環(huán)境參數(shù)和設(shè)備工況信息，從而真實、同步反映礦山數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程，建立礦井遠(yuǎn)程透明監(jiān)控系統(tǒng)[17]。5G技術(shù)所特有的低時延、高帶寬使大量源數(shù)據(jù)持續(xù)不斷地被用于對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行更新和校正，滿足虛擬礦山構(gòu)建的需要。

混合現(xiàn)實(Mixed Reality，MR)采礦是VR技術(shù)在煤礦應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入煤礦現(xiàn)實場景信息，在虛擬礦山、現(xiàn)實礦山和煤礦作業(yè)人員之間搭起一個交互反饋的信息回路，所利用的技術(shù)包括5G、物聯(lián)網(wǎng)、精確定位，對井下全景信息進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，實現(xiàn)全礦井生產(chǎn)、安全狀況的實時監(jiān)測。

4 結(jié)語

5G通信技術(shù)具備優(yōu)異的性能，是礦井無線通信發(fā)展的趨勢；但是目前來看，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還不夠完善，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)及部署方式均還存在一定的不確定性，針對煤炭行業(yè)的5G技術(shù)應(yīng)用場景還需不斷挖掘和完善，且由于5G網(wǎng)絡(luò)對承載網(wǎng)要求較高，煤礦應(yīng)預(yù)估部署成本，結(jié)合自身發(fā)展?fàn)顩r和需求搭建礦井5G通信網(wǎng)絡(luò)。