5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦智能化的應(yīng)用*

冀 杰

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400)

0 引 言

近些年來，新技術(shù)應(yīng)用使我國煤礦智能化建設(shè)的步伐不斷加快，煤炭開采和運(yùn)輸設(shè)備的更新替代，煤炭生產(chǎn)的安全問題，以及加快煤礦安全管理體系的建設(shè)，推動(dòng)無人煤礦這一終極目標(biāo)成為目前行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。一直以來，井下和地面的通信問題以及井下復(fù)雜的開采環(huán)境是煤礦行業(yè)的難題，5G技術(shù)通過將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用到煤炭產(chǎn)業(yè)中，極大地提高了煤炭的生產(chǎn)安全性及便利性。目前，我國煤炭行業(yè)正處于從機(jī)械化向自動(dòng)化、智能化方向轉(zhuǎn)變的重要時(shí)刻，其中5G技術(shù)的應(yīng)用在加快煤礦產(chǎn)業(yè)變革，推動(dòng)無人煤礦的進(jìn)一步發(fā)展，提高煤炭生產(chǎn)安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)和作用，成為當(dāng)前煤礦行業(yè)的重要發(fā)展目標(biāo)[1]。

2020年2月，國家相關(guān)部門印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2020〕283號(hào))，文件中指出，我國將在2021年建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，到2025年大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，到2035年各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化3個(gè)階段的工作任務(wù)目標(biāo)[2]。

筆者結(jié)合礦山智能化建設(shè)目標(biāo)，詳細(xì)闡述了5G技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用場景，包括設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、超高清視頻監(jiān)控和無人駕駛礦車等應(yīng)用，突出了5G技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為促進(jìn)煤礦產(chǎn)業(yè)信息化和智能化建設(shè)提供參考和借鑒。

1 煤礦智能化建設(shè)及存在問題

通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦智能化建設(shè)的目標(biāo)，重點(diǎn)任務(wù)體現(xiàn)在：構(gòu)建煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和提升機(jī)等井下各種設(shè)備的自動(dòng)化、智能化控制，達(dá)到遠(yuǎn)程定位與監(jiān)控的目的，對(duì)可能發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)警和防范，在不影響煤炭生產(chǎn)效率的情況下提高下生產(chǎn)安全。截至目前，我國有52座煤礦達(dá)到了千萬噸級(jí)的生產(chǎn)規(guī)模，生產(chǎn)總量達(dá)到了8.21億噸/年，占我國煤炭生產(chǎn)總量的20%。為滿足我國煤炭資源的開采需求，加快煤礦的智能化建設(shè)刻不容緩。

截止目前，我國煤礦智能化建設(shè)仍然存在以下方面問題。

(1) 工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸帶寬不夠。目前，煤礦企業(yè)基本上都是采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)井下與地面的通信和數(shù)據(jù)傳輸，然而，井下生產(chǎn)作業(yè)中所需要的帶寬不是單一的千兆網(wǎng)所能承載的。因此，為解決帶寬缺乏難題，往往選擇建設(shè)多個(gè)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，這樣做的同時(shí)也使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，可靠性降低。

(2) 信息孤島。傳統(tǒng)的信息化建設(shè)使得各個(gè)智能系統(tǒng)模塊之間不能進(jìn)行有效的信息共享，所使用的設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)格也各有不同，不能實(shí)現(xiàn)良好的信息互通，不利于煤礦安全智能一體化建設(shè)。

(3) 網(wǎng)絡(luò)線路錯(cuò)綜復(fù)雜。井下的設(shè)備和傳感器眾多，需要更多的線路將設(shè)備接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中，造成各種線路交織纏繞在一起，給井下的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和線路維護(hù)帶來困難，同時(shí)也會(huì)增加發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 數(shù)據(jù)處理不及時(shí)。井下各種信息通過光纖等傳輸媒介源源不斷地傳到地面控制中心，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面多存在延遲滯后，會(huì)造成井下信息掌互通不及時(shí)，計(jì)算機(jī)不能及時(shí)做出相應(yīng)指令，如果遇到危險(xiǎn)情況，會(huì)增大事故發(fā)生幾率。

隨著5G商用的不斷推進(jìn)，5G技術(shù)的帶寬和低延時(shí)可以有效解決單一工業(yè)以太網(wǎng)傳輸帶寬不夠問題，通過融合人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將會(huì)提高數(shù)據(jù)庫對(duì)于數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性，有效增加計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的可靠性。

2 5G技術(shù)概要

5G，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，它的出現(xiàn)意味著一個(gè)萬物互聯(lián)的社會(huì)即將成為可能，5G可以為用戶提供更大的容量、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率以及更低的延遲。它極大地增加了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)，同時(shí)還可以滿足工業(yè)監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療和自動(dòng)駕駛等對(duì)時(shí)延有高要求的應(yīng)用需求，此外還可以滿足智慧城市、智能家居等的應(yīng)用需求。

2.1 5G性能指標(biāo)

5G具備寬帶寬、低延時(shí)和大連接的特性，相比于4G，其數(shù)據(jù)傳輸速率有了巨大的提升，最高可快100倍，連接設(shè)備密度達(dá)到了106/km2，頻譜效率也要高3～5倍，而且5G的峰值速率可以達(dá)到20Gbps，終端到終端的時(shí)延最低能低至1ms，5G的應(yīng)用場景也更加廣泛，帶來更好體驗(yàn)的同時(shí)還能滿足不同的應(yīng)用需求[3]。表1所列為4G和5G的部分技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

表1 4G和5G的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2.2 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G性能的巨大提升離不開多種關(guān)鍵技術(shù)的加持，這些技術(shù)主要包括大規(guī)模天線、設(shè)備到設(shè)備、全雙工技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等。

(1) 大規(guī)模天線。5G基站所能承載的天線數(shù)量多達(dá)上百根，而4G基站的天線數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)數(shù)目，因此，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量比較多的情況下使用4G網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，在接入5G網(wǎng)絡(luò)之后便不需要再擔(dān)心這個(gè)問題。通過將上百根天線進(jìn)行排列，組成相應(yīng)的隊(duì)列，可以將信號(hào)發(fā)送到更多的用戶端口，將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶的可接入量提升10倍左右。

(2) 設(shè)備到設(shè)備。對(duì)于5G移動(dòng)通信用戶，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是從終端到終端，不需要通過基站的轉(zhuǎn)接便可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。這樣便可降低核心組網(wǎng)的承載壓力，從而增加網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量。

(3) 全雙工技術(shù)。全雙工技術(shù)應(yīng)用使得互為傳輸對(duì)象的設(shè)備之間可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，突破了半雙工技術(shù)的瓶頸，是5G通信實(shí)現(xiàn)低延遲的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。

(4) 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)[5]。國際電信聯(lián)盟將5G的應(yīng)用場景劃分為三類，分別為eMBB、mMTC、uRLLC。在這三類應(yīng)用場景之中，eMBB主要是為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量用戶的大量增長，mMTC主要是面向智能家居和監(jiān)測監(jiān)控等需要傳感和數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用類型，而uRLLC是面向需要低時(shí)延和高可靠性的應(yīng)用類別，例如遠(yuǎn)程醫(yī)療和自動(dòng)駕駛等。利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)，將5G網(wǎng)絡(luò)切分成不同的子網(wǎng)，從而可以應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用需求。圖1所示為網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

3 5G在煤礦中的應(yīng)用

3.1 遠(yuǎn)程控制

煤炭生產(chǎn)工作中，作業(yè)人員需要長期工作在復(fù)雜的井下環(huán)境中，設(shè)備噪音、煤炭粉塵以及有害氣體對(duì)作業(yè)人員的生命健康及安全存在很大影響和威脅。工人長期工作在幽暗封閉的環(huán)境中，如果精神處于崩潰緊張狀態(tài)時(shí)，無法對(duì)設(shè)備操作保持高度集中的狀態(tài)，有可能因操作不當(dāng)而引發(fā)事故。

遠(yuǎn)程控制是保障井下安全的重要手段，是加快構(gòu)建無人礦井的關(guān)鍵措施，能夠有效提高機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性。安裝在井下的傳感器能夠采集井下機(jī)電設(shè)備等需要遠(yuǎn)程操控的裝置的各種信息，將設(shè)備接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)后，信息就會(huì)被傳輸?shù)降孛婵刂剖遥刂浦行膶?duì)信息進(jìn)行分析處理后，發(fā)出各種控制指令并傳給各設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的大小和傳輸速率的穩(wěn)定將直接決定控制系統(tǒng)的可靠性，工業(yè)以太網(wǎng)雖具有寬帶寬的優(yōu)點(diǎn)，但靈活性不高，煤礦都遠(yuǎn)離市區(qū)，環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)的部署有一定的困難，因此無線網(wǎng)絡(luò)更適合作為煤礦的通信網(wǎng)絡(luò)[6]。

將5G基站部署于煤礦，依托5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延和寬帶寬的特點(diǎn)，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ蠓仍黾涌刂葡到y(tǒng)的可靠性，結(jié)合多種類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下排水、變電、煤炭輸送等各方面的遠(yuǎn)程控制。圖2所示為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制內(nèi)容。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制內(nèi)容

3.2 礦車無人駕駛

近來年，無人駕駛的算法日趨完善，技術(shù)也越來越成熟，但煤礦的環(huán)境復(fù)雜多變，因此想要實(shí)現(xiàn)礦車無人駕駛，必然要求性能優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。就目前而言，只有5G網(wǎng)絡(luò)，才能為礦車的無人駕駛提供較低的延遲和精準(zhǔn)的定位以及閃避障礙物的能力。2019年，一臺(tái)由航天三江重工公司研發(fā)的基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人駕駛礦用車在世界VR產(chǎn)業(yè)大會(huì)上展出[7]。

無人駕駛主要是通過控制系統(tǒng)、GPS、無線通信技術(shù)和軟件取代駕駛室內(nèi)的司機(jī)來實(shí)現(xiàn)。地面管理與監(jiān)控系統(tǒng)和其他導(dǎo)引裝置能夠確定礦車的坐標(biāo)并根據(jù)周圍的情況對(duì)礦車發(fā)出無線指令，使得礦車能在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行裝載、運(yùn)輸和卸載。礦車上裝備有多種類型的傳感器，包括攝像頭和激光雷達(dá)等，其中，主要基于攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的感知，利用深度學(xué)習(xí)感知算法，靈巧地避過障礙物和作業(yè)人員，并按照系統(tǒng)指定的路線進(jìn)行運(yùn)輸。圖3為無人駕駛礦車控制系統(tǒng)的原理圖。

圖3 無人駕駛礦車控制系統(tǒng)的原理圖

3.3 超高清視頻

安全生產(chǎn)是煤炭生產(chǎn)的宗旨，目前，礦區(qū)的作業(yè)范圍比較大，人員和設(shè)備眾多，仍然采用“人盯人”的檢查方式，委派專門的工作人員對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行巡查，這種方式不僅需要耗費(fèi)大量的人力成本，效率低，而且不能實(shí)時(shí)保障作業(yè)區(qū)域的安全。而利用視頻監(jiān)控可以實(shí)時(shí)地對(duì)井下進(jìn)行查看，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控像素不高，成像畫質(zhì)比較差，在接入5G網(wǎng)絡(luò)之后，可以將監(jiān)控視頻的顯示質(zhì)量提高到4K超高清，依托5G網(wǎng)絡(luò)的高傳輸速率，可以滿足超高清視頻內(nèi)容的實(shí)時(shí)傳輸[8]。

得益于5G網(wǎng)絡(luò)的高傳輸速率，井下的超高清視頻監(jiān)控圖像可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室，通過分析監(jiān)控畫面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故災(zāi)害，增強(qiáng)煤炭生產(chǎn)的安全性。對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的過程中，作業(yè)人員往往難以獨(dú)立完成維修工作，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以將現(xiàn)場的視頻畫面?zhèn)鬏斀o遠(yuǎn)端的專家，經(jīng)過專家的遠(yuǎn)程協(xié)助，更好地完成維修工作。同時(shí)，還可以借助人臉識(shí)別技術(shù)，對(duì)井下的職工進(jìn)行識(shí)別和指揮，實(shí)現(xiàn)人員的智能調(diào)度。

4 結(jié) 語

5G技術(shù)的應(yīng)用給煤礦行業(yè)帶來了前所未有的變化，通過將人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與5G技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的開采、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)信息的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦內(nèi)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和保護(hù)，推動(dòng)礦井朝著安全、綠色、無人化的方向發(fā)展。本文對(duì)5G技術(shù)在煤礦中的實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行了介紹，憑借5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、寬帶寬的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、礦車的無人駕駛以及超高清視頻的顯示。5G技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)的成功應(yīng)用，將進(jìn)一步加快煤礦智能化建設(shè)的步伐，極大地提高煤炭生產(chǎn)效率及安全性。