5G技術在煤礦掘進工作面運輸系統中的應用

顧義東

（1. 中煤科工集團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

煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的保障，是引領煤炭工業轉型升級的核心技術支撐[1-3]。掘進工作面是煤炭開采的最前沿，是井下勞動強度、危險性最大的場所，掘進工作面智能化是煤礦智能化的重要環節，是實現礦井少人化高效開采的關鍵。然而，與采煤工作面相比，掘進工作面的機械化、智能化發展嚴重滯后，導致采掘失衡，嚴重影響著煤礦安全、高效、智能生產[4-7]。快速掘進是為解決礦井采掘失衡問題而提出的創新技術，掘錨一體機是實現快速掘進的關鍵設備之一[8-11]，在掘錨一體機完成掘進、錨桿支護的同時，需通過配套的運輸系統完成掘進落煤/落矸的運輸。

根據作業條件及配套設備的不同，運輸系統一般采用間斷運輸或連續運輸方式，間斷運輸主要通過破碎機、梭車、帶式輸送機等裝備實現，連續運輸主要通過橋式（帶式）轉載機及帶式輸送機等裝備實現。這2種運輸方式各有利弊，均有其適合的應用場所[12]。但不論哪種運輸方式，運輸系統中均包括大量機械設備。在煤礦智能化發展過程中，需通過各類傳感器感知各機械設備的工況信息，通過攝像儀監控現場狀態，并進行設備間協同作業，這對通信網絡的性能提出很高要求。

礦井現有的4G、WiFi等無線通信技術存在一定的性能缺陷，難以完全滿足煤礦智能化建設的需求[13-15]。近年來，隨著5G技術在地面公網大規模商用[16-20]，5G產業鏈已逐步完善。在中國移動等3大運營商、華為/中興等設備制造商及中煤科工集團等行業內企業的共同努力下，5G技術在煤礦逐步得到推廣應用，成為推動煤礦智能化發展的關鍵技術之一。為提高巷道掘進和煤矸運輸效率，更好地利用5G網絡優越的傳輸性能，本文探討了5G技術在掘進工作面運輸系統中應用的必要性和可行性，給出了掘進工作面運輸系統5G網絡架構等，以期為煤礦掘進工作面智能化發展提供可靠的通信基礎。

1 掘進工作面運輸系統通信網絡存在的問題

（1） 網絡接入能力不足。在掘進工作面運輸系統運行過程中，需通過大量不同類型的傳感器對運輸設備（包括破碎機、轉載機、梭車、帶式輸送機）和供電設備的工作狀態、環境狀況（包括各類氣體濃度、溫度、頂板壓力等）進行監測，并通過網絡將監測信息及時、可靠地傳輸到井下控制臺或地面控制中心，以供分析應用。目前掘進工作面常用的4G等通信技術難以滿足大量感知節點接入需求。

（2） 傳輸可靠性低。掘進工作面包括掘進、支護、鉆錨、運輸等環節，這些環節由不同的單機設備完成。隨著煤礦智能化建設的推進，需要通過裝備成套化、監測數字化和控制自動化等技術，使各環節單機設備按照一定的空間、時間關系協同完成作業。同時，隨著掘進工作面少人化/無人化的發展，作業人員需遠程遙控工作面的設備。設備遠程遙控、設備間協同作業的實現依賴于相關指令的及時、可靠傳輸，目前掘進工作面通信系統的傳輸可靠性難以滿足應用需求。

（3） 傳輸帶寬不足。掘進工作面有大量機械設備，需安裝大量攝像儀進行監控，如利用紅外攝像儀實時監控掘進情況及巷道成型情況；在鉆錨部位安裝攝像儀，實時監控現場設備運轉情況；在運輸轉載點或關鍵點，利用高清攝像儀監控設備實時工況。視頻信號傳輸需占用大量網絡帶寬，而目前礦井常用的4G（上行速率為50 Mbit/s，下行速率為100 Mbit/s）、WiFi（速率為300 Mbit/s）均難以提供足夠的傳輸帶寬。

2 應用5G技術的必要性和可行性

2.1 必要性

掘進工作面運輸環境惡劣，存在瓦斯超限、冒頂、片幫、人機碰撞等隱患，嚴重危及工作面作業人員的安全，掘進作業時產生的粉塵對作業人員的身體健康也極為有害。因此，有必要對掘進工作面運輸系統進行智能化改造。

掘進工作面是一個不斷移動的工作場所，光纖通信存在光纖易損壞且移動不便的問題，采用無線通信代替光纖連接是必然之選。但是礦井目前常用的無線通信技術主要為4G和WiFi，兩者在用戶峰值速率、可靠性、時延、連接數密度等方面均存在不足，難以滿足掘進工作面運輸系統數據傳輸與處理需求，有必要采用性能更好的礦用無線通信技術。

2.2 可行性

5G技術是當前最先進的移動通信技術，具備大帶寬（用戶體驗速率達1 Gbit/s）、低時延（低至1 ms）、廣接入（用戶連接能力達100萬連接/km2）等特征。將5G技術應用于掘進工作面運輸系統，可解決當前掘進工作面運輸系統所面臨的接入能力不足、可靠性低及帶寬不足等通信問題。隨著5G產業鏈的完善及礦用5G通信技術的發展，5G技術已具備在掘進工作面安裝應用的條件。

2.2.1 5G系統的性能

礦用5G技術來源于地面5G通用技術，由于礦用5G應用場景不同，對5G核心網、基站等主要網元進行了優化，雖然犧牲了部分性能，但降低了系統的建設成本、設備功耗及射頻輸出功率，使其更符合礦井應用的特殊要求。經過優化設計的礦用5G系統性能指標達到預期，完全能夠滿足當前煤礦智能化建設對無線通信系統的需求。

礦用5G系統的主要技術指標如下：系統峰值速率為1 Gbit/s以上，最高可達20 Gbit/s；用戶峰值速率可達下行800 Mbit/s，上行200 Mbit/s，并可根據需要配置成幀結構為3U1D的超級上行模式；室內基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）與井下5G基站之間的拉遠距離支持至少10 km；井下5G基站覆蓋距離不小于400 m；端到端時延小于10 ms；傳輸可靠性為99.99%；系統用戶接入數大于20 000。

2.2.2 5G終端的支持

5G通信網絡的建設為5G應用提供了技術基礎，通過5G通信模組可實現掘進工作面各類設備的接入。5G通信模組目前已較為成熟，可選方案較多，如ZM9011通信模組采用標準的M.2 封裝，可支持5G/4G頻段高速接入，其理論下行速率為1 Gbit/s，上行速率為100 Mbit/s，完全可滿足煤礦應用需求。將5G通信模組與井下設備、攝像儀、傳感器相結合，形成豐富的5G+無線終端設備，可應用于視頻監控、井下機器人/無人機、工業互聯等多種行業應用場景，實現井下各類設備的高質量無線網絡接入。目前，礦用5G通信模組已有部分廠家取得礦用產品安全標志證書并用于煤礦井下。

5G客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）可實現5G、WiFi、以太網及RS485等信號的接入及轉換，可為具有4G、WiFi或RS485接口的設備接入5G網絡提供路由，保障了礦井原有投資。目前5G手機、CPE等已有廠家取得礦用產品安全標志證書，具備了在煤礦井下使用的條件，為5G在井下的應用提供了設備支持。

3 5G技術的礦用化

5G技術商用化以來，煤炭行業一直是5G行業應用落地的重點行業。5G設備的礦用化改造重點解決了以下問題。

（1） 建立了礦用5G網絡架構。地面主要由5G核心網、服務器、基站等組成，其中5G核心網針對行業應用特點進行了優化，并且有用戶面功能（User Plane Function，UPF）/移 動 邊 緣 計算（Mobile Edge Computing，MEC）下沉和獨立專網建設2種方案可供選擇，礦井可根據實際需要進行選擇。井下采用多級有源分布式無線覆蓋解決方案，包括BBU、遠端匯聚站（Remote Radio Unit Hub，RHUB）、遠端射頻單元（pico Remote Radio Unit，pRRU）（含板狀天線）等設備，很好地適應了礦井巷道長度大、分支多的特點，滿足了井下5G信號覆蓋需求。

（2） 針對5G BBU，RHUB，pRRU等設備功耗大的問題，對其結構進行了優化設計，并設計了散熱裝置，使其符合GB 3836-2010《爆炸性環境》中對礦用產品表面溫度的規定。

（3） 解決了5G基站多路射頻輸出與天線增益疊加后射頻功率超標的問題，使射頻輸出功率不超過6 W。2018年，首批符合煤礦安全、性能要求的5G產品已經取得礦用產品安全標志證書，標志著5G技術可以安全、合規地應用于煤礦井下。目前國內已有華陽集團新元公司、鄂爾多斯市伊化礦業資源有限責任公司等應用了礦用5G系統，取得了較好的應用效果。

4 5G技術在掘進工作面運輸系統中的應用

4.1 掘進工作面運輸系統5G網絡架構

掘進工作面運輸系統5G網絡包含5G核心網、BBU、5G基站（含天線）、5G CPE等設備，如圖1所示。5G核心網安裝于地面機房中，通過光纖網絡或切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）等與井下5G基站連接。5G基站、5G CPE及其天線可根據設備型式和安裝條件等，靈活部署在掘錨一體機或巷道合適位置上。礦用高清攝像儀、傳感器及電氣控制系統可通過5G CPE接入5G網絡。掘進工作面長度一般為2 000～8 000 m，以5G基站覆蓋半徑為400 m計算，3～10個基站即可實現掘進工作面5G信號的全覆蓋。5G設備布置如圖2所示。

圖1 掘進工作面運輸系統5G網絡架構Fig. 1 5G network architecture for heading face transportation system

圖2 掘進工作面5G設備布置Fig. 2 Layout of 5G equipments in the heading face

4.2 掘進工作面運輸系統5G網絡功能

（1） 各類感知設備接入。為保證掘進工作面運輸順利進行，需要安裝大量傳感器，這些傳感器因出自不同廠家、采用不同技術而難以互聯互通。礦用5G網絡及5G通信模組、5G CPE的應用，可為各類傳感設備提供高可靠、低時延、廣接入的通信平臺，原有傳感器中可方便地加入5G通信模組或利用5G CPE進行路由轉接。5G CPE支持5G、WiFi、以太網及RS485/CAN等協議或接口，可方便地進行各種協議轉換。將各類傳感設備統一接入5G通信平臺，使得各類信息能在設備間互聯互通并加以綜合利用，對掘進工作面運輸系統智能化發展具有促進作用。

（2） 高清視頻監控。借助5G大帶寬、低時延的特性，可實現掘進工作面運輸系統各環節的高清視頻監控。通常在掘錨一體機前端安裝2臺紅外熱像儀，實現截割斷面輪廓監視；在掘錨一體機前后部各安裝1臺全景攝像儀，實現對掘錨一體機的整體監控；在錨桿鉆車上安裝2臺全景攝像儀，實現對錨桿鉆車前后及鉆臂的視頻監控；在刮板輸送機、轉載機和剛性輸送帶的搭接處各安裝1臺高清攝像儀，實現對轉載點的視頻監控；在集控室前后各安裝1臺攝像儀，監控設備側面情況；在易發生堆煤的地點安裝高清攝像儀，實時采集帶式輸送機圖像并通過人工智能（Artificial Intelligence，AI）進行分析，判斷是否發生堆煤。

通過攝像儀采集井下高清視頻數據，利用5G網絡和工業環網組成的高速網絡，將高清視頻實時傳輸到后臺，可實現對掘錨一體機、轉載機、帶式輸送機等關鍵點信息的自動識別，通過AI分析視頻圖像，可及時發現現場設備工作狀況是否正常，實時輸出分析結果并進行遙控或預警。

（3） 遠程集中控制。5G網絡可為掘進工作面運輸系統集中控制提供可靠的通信平臺。建立掘進工作面地面集控中心，并在掘進工作面自移機尾附近建立區域集控中心，通過5G網絡將掘進工作面掘錨一體機、配套運輸設備（破碎機、帶式輸送機）、供配電設備的狀態及人員、環境、關鍵點視頻、進尺/進度等關鍵數據實時傳送到地面集控中心及區域集控中心，集控中心對信息進行存儲、分析，并根據需要對相關設備進行遠程控制及協同管理，保障掘進工作面運輸系統安全可靠運行。

5 結語

掘進工作面運輸系統智能化建設中面臨著傳輸接入能力不足、傳輸可靠性低及傳輸帶寬不足的問題，現有4G、WiFi等常用礦用無線通信技術難以完全滿足現場應用需求。5G技術具有大帶寬、低時延、高可靠、廣接入的特性，5G設備已經完成礦用化設計并取得了一定的應用效果，其性能可滿足掘進工作面運輸系統智能化建設要求。礦用5G通信模組、5G CPE為掘進工作面各類設備及傳感器接入5G網絡提供了設備支持，有利于實現設備間的互聯互通及對信息的綜合利用，對掘進工作面運輸系統智能化發展具有促進作用。但BBU、5G基站等設備功耗較大，其礦用產品大多設計成礦用隔爆型，體積大且笨重，給現場安裝施工帶來不便。在下一步的研究中，一方面，需要進一步優化隔爆型5G井下設備的電路、結構及散熱設計，降低設備的功耗，減小質量和尺寸，使其更便于安裝應用；另一方面，需要開發、研制礦用本質安全型5G設備。