5G通信網絡技術在煤礦智能化的應用

文｜ 錢柄旭

近年來，我國煤炭開采技術在不斷地創新和發展過程中，尤其是在全面淘汰落后產能的社會背景下，仍然可以保證煤炭產量的高度穩定，滿足我國社會發展對煤炭資源的需求總量，對于確保各行各業發展的能源供給以及保障能源安全作出了突出貢獻。但是伴隨著人們生活水平的不斷提升，煤炭安全、節約生產成為企業發展的核心課題，可通過對智能化技術的有效運用，比如5G技術，推動煤炭行業實現轉型和升級。

一、5G發展概述

5G技術在全球范圍內受到了廣泛關注，為全球發展帶來了顛覆性變化。其特征主要表現在以下幾個方面：

一是速率更高。通過5G技術，可以將毫米為單位對數據進行傳遞，有效規避3Ghz之下的數據信息傳遞擁擠問題，實現了分布與波束跟蹤和波束跟蹤之間的有機融合，在最小范圍內形成更大的天線，進一步規避高頻通信毫米波穿透的缺陷和不足之處。

二是峰值速率更高。5G技術的峰值速率可達到互聯網運行的最高速度，其最低速率相較于4G通信技術，速率可達到其10倍及以上。因此對于單個用戶流量來說，可實現質量的全面飛躍。

三是容量更大。基于同一空間之下，可實現密度更高的頻譜效率，主要是由于5G技術運用大規模MIMO，系統容量可直接達到4G技術的1000倍。

二、煤礦智能化應用5G技術的可行性

在煤礦企業的智能化開采過程中，將5G技術應用于其中，主要是通過5G技術對井下的特殊環境進行分析，對井下作業進行合理部署（如圖1）。相較于地面，井下作業及其環境特征主要表現在以下幾個方面：一是井下空間狹長，同時分支較多；二是容易吸收或對無線電波帶來干擾；三是設備布置較為復雜，有著非常強大的磁力干擾；四是粉塵、瓦斯較多，可能會對相關工作人員帶來安全威脅。

圖1 工作面 5G 布置示意

將5G技術運用在井下開采，其最大的問題就在于高頻無線信號可能會在井下環境中迅速衰減，定向傳輸能力雖可得到增強，但是其繞射能力將會得到下降，導致傳輸距離較短，覆蓋范圍無法達到理想化目標。近年來，這些問題在5G技術的研發過程中，已得到攻克，并衍生出了超密集組網技術、Massive MIMO等，這些技術的出現和發展，構建出了更為完善的5G核心技術體系。

基于網絡部署角度簡要分析，現階段在煤礦智能化開采過程中，網絡布置中的4G網絡大多數是4G技術+Wi-Fi，其覆蓋距離可達到1500米左右。但是5G技術分為兩大類，分別為微基站和宏基站，宏基站其設備容量更高，發射功率更強，在井下這種空間較小的地區不適合進行大規模使用。微基站雖然其中提到設備容量較小，但是總體發射功率較低，覆蓋距離可達到500米左右。因此，基于技術角度進行考量，可通過運用三個或三個以上的微基站，既可達到原有4G網絡覆蓋的管控范圍，同時可實現寬帶速率的全方位提升，延遲全方位降低。除此之外，5G偽基站的功能消耗以及設備體積，相較于4G基站來說要更小，更加可以保障在井下運用時的安全可靠性。面對井下作業時由于環境所帶來的安全因素，加強對5G技術的規劃和使用，可有效彌補井下作業的短板之處。需依照井下作業的實際現狀，制定出針對性的5G布設方案。舉例來說，對于狹長同時分支較多的井下空間，可以通過有線光纖主干+ 5G微基站，為煤礦企業的智能化開采奠定堅實的基礎，提供強有力的技術保障。

三、5G通信網絡技術在煤礦智能化的應用策略

（一）高精度實時定位與應用服務

目前在我國的煤礦井下工作過程中，定位系統大多是運用傳統的藍牙技術以及超寬帶無線傳輸技術，總體定位精準性無法達到要求，同時還需要單獨設置對應的基礎設施，信息傳遞真實性也無法得到保障。但是通過5G技術的低延時特點，開發出針對性的5G網絡井下定位系統和使用系統，為煤礦自動化發展未來的必然趨勢。可實現井下車輛管理，并對車輛進行精準推進，進一步彌補傳統移動設備實時控制的缺陷和不足之處，優化管理水平。

（二）虛擬交互應用

AR技術和VR技術是可以改變傳統煤礦井下作業管理水平的重要技術，顛覆傳統的人機交互，成為我國現代信息產業發展過程中的顛覆性變革。AR技術、VR技術的使用劃分為三大階段，首先可以用在虛擬展示和三維建模上，比較常見的如裸眼3D技術，既可滿足4G+Wi-Fi需求，又可促使寬帶速率全面提升，延時全面下降。其次是運用在互動模擬和可視化設計上，例如可以進行多人井下培訓。最后就是可用在云端實時渲染和虛擬操控上，例如可進行井下協同運維，進行無人開采工作。

（三）生產遠程實時控制

實現煤礦自動化生產過程的動態化控制，一直是我國煤礦智能化發展過程中的核心所在，也是這些年技術攻克的重點難題。在傳統的遠程控制終端系統中，需要運用多種路由，并建設多項協議，才可將分散數據信息進行集中匯集，集成到總控中心中再傳輸到遠程控制中心。因此，個別對實時性要求不高的功能可通過遠程控制來進行實現，但是對于實時性要求較高的功能，綜合考量安全因素，無法運用遠程控制。5G技術其延時較低，可為攻克這一難題提供堅實的基礎，通過5G技術的井上全功能遠程管控，即可達成這一目標。

（四）井下遠程協同運維

將5G技術應用在井下智能化開采，即可實現遠程協同。未來，在我國自動化技術不斷發展的過程中，煤礦井下智能化水平也將會得到全面提升，系統變得越來越復雜，傳統的維修技術及人工維修，已經無法獨立完成運維工作，需要通過系統的遠程控制，基于專家系統為其提供輔助，達成遠程協同運維目標。目前已有的煤礦智能化音頻信息，可通過對5G技術的運用，將其傳輸到遠端對應的虛擬模型，也可直接傳輸到現場設備。通過對虛擬現實技術的有效運用，可確保專家和一線工人獲得同樣的視覺場景，進行針對性的系統操作，還可以通過對機器人的運用，對井下人工維修進行替代。

（五）井下巡檢和安防

通過5G技術的定位功能以及數據傳輸速率較高等特征，可通過端口與端口之間的物聯網銜接，實現井下工作的高效率巡檢，保障安防工作的完整性。運用5G技術，可對井下設備和井下工作人員進行實時定位，并對數據進行第一時間的共享，傳輸到智能終端，可在第一時間推送數據信息，并對信息進行自動化識別，使得井下環境感知水平得到全方位提升，實現和井上工作人員的第一時間共享。傳統的數據上傳下發，5G技術支持之下的信息使用過程更為高效，延遲時間得到全面縮短，具備更強的可靠性，同時具備更高的性價比。

四、結論

綜上所述，將5G技術用在我國煤礦智能化發展中，可有效彌補目前煤礦作業的短板之處，促使環境感知精準度全方位提升，實現了安全監管工作效果的全面優化，對于改善我國煤礦智能化水平有著非常重要的現實作用，真正地實現智能化開采。因此需相關工作人員了解5G技術特征以及運用在煤礦智能化中的可行性，并圍繞定位與應用、虛擬交互、生產過程控制、井下運維、巡檢著手，保障5G技術應用場景的合理性，發揮出5G技術的最大價值。