試析5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用

李敏，張龍

（1.山東能源集團(tuán)兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦信息中心，山東鄒城，273500;2.山東能源集團(tuán)兗州煤業(yè)股份有限公司信息化中心，山東鄒城，273500）

0 引言

作為我國的一種主導(dǎo)能源種類，煤炭資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源。很長一段時(shí)間以來，煤炭資源開發(fā)和應(yīng)用模式較為粗放。為此，在后續(xù)的發(fā)展進(jìn)程中，煤礦生產(chǎn)務(wù)必提升智能化與信息化水平，盡量地降低煤礦生產(chǎn)工人的規(guī)模，以智能化手段監(jiān)測圍巖、水、電力、瓦斯等，以及提升預(yù)警水平，從而建構(gòu)現(xiàn)代化的安全、高效礦井。鑒于此，探究煤礦智能化發(fā)展中5G技術(shù)的應(yīng)用對于煤礦領(lǐng)域的整體發(fā)展具備十分關(guān)鍵的作用。

1 基于5G的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位以及應(yīng)用服務(wù)

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在創(chuàng)新應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的基礎(chǔ)上劃分煤礦智能化應(yīng)用的物理空間網(wǎng)絡(luò)為一系列虛擬空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合各種虛擬網(wǎng)絡(luò)空間的不同服務(wù)需求強(qiáng)化相應(yīng)的功能，注重各種虛擬空間對運(yùn)行可控性、帶寬數(shù)據(jù)、傳輸結(jié)構(gòu)的性能劃分，對煤礦智能化應(yīng)用中各自網(wǎng)絡(luò)場景進(jìn)行靈活應(yīng)對[1]。常規(guī)模式下的煤礦井下定位系統(tǒng)需要應(yīng)用傳統(tǒng)超帶寬傳輸技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等，基于5G技術(shù)的高精實(shí)時(shí)定位以及應(yīng)用服務(wù)技術(shù)在此過程中真正扭轉(zhuǎn)了常規(guī)模式中的煤礦井下定位缺少精確性而不適應(yīng)煤礦智能化應(yīng)用需求的局面，結(jié)合5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)并非對獨(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施方式進(jìn)行設(shè)置，從而確保了智能化應(yīng)用中煤礦數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因?yàn)?G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的時(shí)延性比較低，所以可以對5G網(wǎng)絡(luò)定位和應(yīng)用服務(wù)模塊進(jìn)行開發(fā)，這屬于煤礦智能化的發(fā)展趨勢，這樣可以精準(zhǔn)管控煤礦開采車輛和線路。

2 基于5G的虛擬交互應(yīng)用

煤礦智能化開采中5G三維建模技術(shù)的虛擬呈現(xiàn)以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用即基于5G的虛擬交互應(yīng)用。基于5G的虛擬交換應(yīng)用可以真正打破常規(guī)煤礦開采中的人機(jī)互動(dòng)方式的束縛，讓煤礦智能化開采歷經(jīng)三個(gè)階段的技術(shù)更新進(jìn)程，即基礎(chǔ)階段（三維建模以及虛擬呈現(xiàn)）、可視化設(shè)計(jì)和互動(dòng)模式階段、云端實(shí)時(shí)渲染和混合現(xiàn)實(shí)階段[2]。例如，對于云端實(shí)時(shí)渲染和混合現(xiàn)實(shí)階段而言，應(yīng)用5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠協(xié)同維護(hù)和虛擬開采礦井空間煤炭資源，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延與高帶寬的需要，應(yīng)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)其性能目標(biāo)。

3 生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

針對煤礦智能化應(yīng)用中的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)來講，煤礦開采資源的控制向來都是煤礦智慧化建設(shè)和智能化開采的重要事項(xiàng)。常規(guī)的煤礦開采生產(chǎn)以及遠(yuǎn)程控制重點(diǎn)應(yīng)用各種互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、傳感器、路由器等，然后借助傳感器設(shè)施在集控中心匯集一系列數(shù)據(jù)信息，再向遠(yuǎn)程控制中心傳輸[3]，這樣只是可以實(shí)現(xiàn)一些對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)較低的遠(yuǎn)程控制要求。而對于一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)較高以及煤礦工人安全、礦井空間結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安全的考慮，上述遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不適用，而應(yīng)用5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)智能化開采煤礦可以很好地完善這種不足。基于5G的礦井遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制可以使數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)非常高的煤礦安全管理目標(biāo)以及資源開采目的的實(shí)現(xiàn)，建構(gòu)真正的智能化開采實(shí)時(shí)控制模塊。

4 礦井遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維

礦井遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)運(yùn)維屬于煤礦智能化礦井空間中應(yīng)用5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的情景。在后續(xù)的煤礦開采中，由于礦井空間比較小，基于礦井空間的持續(xù)縮小礦井設(shè)備智能化的水平不斷提升，裝備系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)不斷提升復(fù)雜化程度，常規(guī)的人工維修方式較難適應(yīng)礦井高智能化設(shè)備維護(hù)以及狹小空間的運(yùn)營要求。為此，常常應(yīng)用遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)輔助進(jìn)行礦井空間設(shè)備的維護(hù)和運(yùn)營，結(jié)合5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對礦井空間場地的數(shù)據(jù)信息（視頻和音頻等）進(jìn)行傳輸，能夠在礦井空間智能化設(shè)備中連接煤礦智能化應(yīng)用牽涉到的虛擬操作系統(tǒng)或模型，在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上可以使煤礦工人和專家的同時(shí)操作、觀察等目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，也有助于通過機(jī)器人取代礦井工人來管理和維護(hù)礦井空間設(shè)備。其中，基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程運(yùn)維如圖1所示。

圖1 基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程運(yùn)維

5煤礦5G移動(dòng)邊緣計(jì)算

移動(dòng)邊緣計(jì)算將計(jì)算能力和IT服務(wù)環(huán)境提供給靠近終端用戶，在靠近終端用戶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)下沉一些網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的縮短，以5G網(wǎng)絡(luò)提高用戶體驗(yàn)。為此，當(dāng)今5G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)必備基礎(chǔ)設(shè)施是移動(dòng)邊緣計(jì)算，其普遍地應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)等場景當(dāng)中。可是，由部署節(jié)點(diǎn)至重要技術(shù)，移動(dòng)邊緣計(jì)算都要求結(jié)合實(shí)際場景來設(shè)計(jì)方案，即當(dāng)前固有的移動(dòng)邊緣計(jì)算方案難以在煤礦智能化中直接應(yīng)用。為此，基于煤礦智能化的移動(dòng)邊緣計(jì)算需要設(shè)計(jì)架構(gòu)，且對適宜的重要技術(shù)（計(jì)算任務(wù)卸載和遷移、云邊協(xié)同等）進(jìn)行研發(fā)。其中，煤礦移動(dòng)邊緣計(jì)算中的多層次智能架構(gòu)（云+邊緣+端）的云邊協(xié)同非常適用。在此需要明確的是，移動(dòng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)不但涵蓋網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而且囊括自動(dòng)化的掘進(jìn)機(jī)和采煤機(jī)等終端設(shè)備[4]。在“端”以人工智能算法（深度學(xué)習(xí)等）使單臺(tái)輸送和采礦設(shè)備的智能實(shí)現(xiàn)，在“邊緣”對多臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行和環(huán)境感知參數(shù)進(jìn)行收集，以及對生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制等時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)非常高的緊急事件予以處理，以使緊急設(shè)備托管實(shí)現(xiàn)，在“云”中對“端”的信息進(jìn)行采集，深入優(yōu)化智能算法，從而提高單臺(tái)設(shè)備的智能化水平。計(jì)算卸載指的是用戶終端設(shè)備在移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中卸載計(jì)算任務(wù)，重點(diǎn)完善設(shè)備存在的計(jì)算能效或性能、資源儲(chǔ)存等缺陷。計(jì)算卸載技術(shù)中尤為重要的是明確計(jì)算任務(wù)怎樣在云和端間實(shí)現(xiàn)切割。計(jì)算遷移指的是在各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間分配計(jì)算任務(wù)，這一系列節(jié)點(diǎn)能夠是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或端節(jié)點(diǎn)。計(jì)算卸載和遷移算法的重點(diǎn)是怎樣明確計(jì)算任務(wù)在邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和用戶終端間實(shí)現(xiàn)科學(xué)切割，通過最小的帶寬標(biāo)準(zhǔn)和能耗達(dá)到服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。煤礦場景下應(yīng)結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)明確在云、邊、端各自進(jìn)行計(jì)算或處理的任務(wù)。例如針對高清視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，能夠在監(jiān)控射向頭位置先初步處理畫面，將一部分非異常或重復(fù)性畫面去除，僅僅對感興趣的畫面進(jìn)行傳輸。也能夠在5G基站位置部署的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)深入壓縮處理上傳之后的畫面，最終向云端上傳。

6 煤礦5G切片技術(shù)應(yīng)用

一般運(yùn)營商的切片實(shí)例對應(yīng)mMTC、URLLC、eMMB三種應(yīng)用場景。事實(shí)上，如此的分類是基于垂直行業(yè)的基本場景。煤礦具體應(yīng)用中能夠深入細(xì)分為多個(gè)場景（遠(yuǎn)程運(yùn)維、環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)控制、人員調(diào)度等），且確定各種應(yīng)用場景中牽涉到的一些具體業(yè)務(wù)，以及把它們向服務(wù)級別轉(zhuǎn)換，即所謂的端至端的網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)，像是覆蓋安全性、容量、時(shí)延等。在5G網(wǎng)絡(luò)切片管理實(shí)體中下發(fā)服務(wù)級別即完成此應(yīng)用場景的煤礦5G網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例化。不過，并非網(wǎng)絡(luò)切片粒度愈細(xì)愈佳，切片太細(xì)一是不傳輸信息的情況下會(huì)使很多網(wǎng)絡(luò)資源被占用，二是切片管理系統(tǒng)的負(fù)荷會(huì)增加。特別是在當(dāng)今沒有完備定義煤礦智能化應(yīng)用場景的條件下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源整體一定的條件下，也應(yīng)預(yù)留一部分智能化業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)資源。為此，5G網(wǎng)絡(luò)切片基于煤礦智能化場景不但應(yīng)定制一部分場景的切片，而且也應(yīng)將公共網(wǎng)絡(luò)切片提供給服務(wù)級別較低或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用率高的場景。以此思想作為指導(dǎo)，圖2給出了基于智能化的煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)。在此架構(gòu)當(dāng)中劃分網(wǎng)絡(luò)資源為共用切片以及專用切片。各個(gè)切片涵蓋組合5G核心網(wǎng)的全部網(wǎng)元，有會(huì)話管理、用戶面管理、接入和移動(dòng)管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、策略控制等功能并且，還涵蓋移動(dòng)邊緣計(jì)算功能。而專用切片具備一套完善（邊緣計(jì)算、核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)等）的虛擬5G網(wǎng)元設(shè)備，對QoS具備非常嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景（生產(chǎn)控制類）是其重點(diǎn)服務(wù)對象[5]。而公用切片的重點(diǎn)服務(wù)對象是網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用率低、對QoS標(biāo)準(zhǔn)具備相應(yīng)容忍度的場景，像是盡管遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維對QoS的標(biāo)準(zhǔn)較低，可是因?yàn)椴唤?jīng)常應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，所以在公用切片中劃分，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用率的提升。需要明確的是，公用切片對三種切片（mMTC、URLLC、eMMB）都支持，能夠聯(lián)合應(yīng)用這三種切片傳輸信息。

圖2 基于智能化的煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)