5G 技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用研究

胡 晰， 王雪艷

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司陜西省分公司， 陜西 西安 710075；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司咸陽市分公司， 陜西 咸陽 712000）

0 引言

5G 技術(shù)是我國通信領(lǐng)域的最新技術(shù)，擁有極高的信息傳輸速度與信號(hào)強(qiáng)度，因此在性能上有著以往所有通信技術(shù)難以企及的優(yōu)勢，這讓5G 技術(shù)在非常短的時(shí)間內(nèi)在國內(nèi)普及，被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其中就包括煤礦智能化開采[1]。在5G 技術(shù)的支撐下，有效彌補(bǔ)了煤礦智能化開采以往性能上的缺陷，還展現(xiàn)出了更高的應(yīng)用價(jià)值，促使我國煤礦開采效率、精度、范圍等都大幅提升。

1 5G 技術(shù)在煤礦智能化建設(shè)中應(yīng)用的必要性及可行性

1.1 必要性

早期在進(jìn)行5G 開發(fā)時(shí)主要確定了三個(gè)應(yīng)用場景，包括高級(jí)移動(dòng)寬帶、多機(jī)通信、超可靠的低延遲通信。其中，高級(jí)移動(dòng)寬帶方案中的技術(shù)可以充分滿足高帶寬業(yè)務(wù)的服務(wù)要求，如可以將煤礦生產(chǎn)中傳回高清視頻；多機(jī)通信中的技術(shù)可以為傳感裝置數(shù)據(jù)收集提供幫助，比如在進(jìn)行煤礦監(jiān)管工作時(shí)；低延遲通信中的技術(shù)可以對(duì)空置的采礦車輛、挖掘設(shè)備及相關(guān)空置設(shè)備等進(jìn)行更加有效地利用，更好地滿足煤礦中智能設(shè)備的使用要求。通過分析可知，將5G 技術(shù)應(yīng)用到智能煤礦建設(shè)過程中可以對(duì)傳統(tǒng)的采煤方式進(jìn)行優(yōu)化并可以規(guī)范煤礦開采流程，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，在煤礦生產(chǎn)過程中還應(yīng)用了無線通信技術(shù)，但是無法充分滿足智能煤礦建設(shè)過程中對(duì)數(shù)據(jù)收集、處理與傳輸?shù)囊骩2]。在采用4G 技術(shù)時(shí)其為下行鏈路與上行鏈路提供的最高速度分別為100 Mbit/s 與50 Mbit/s，但是在智能煤礦建設(shè)過程中需要生產(chǎn)現(xiàn)場所應(yīng)用的設(shè)備可以回傳高清影像。也就是1080P 影象需要20 Mbit/s 上行鏈路帶寬，而4K 影像需要75 Mbit/s 上行鏈路寬帶，可見在智能煤礦建設(shè)過程中4K 技術(shù)無法滿足要求。如果使用WiFi 技術(shù)，首先使用便利性較差。AP 間切換時(shí)超過100 毫秒的延時(shí)，導(dǎo)致AGV 類移動(dòng)設(shè)備斷開連接且移動(dòng)范圍會(huì)被限制在AP 內(nèi)。其次覆蓋面較小。WiFi 信號(hào)在反射與衍射過程中非常容易受到外界因素的干擾。再次會(huì)給頻帶帶來影響。WiFi 在使用過程中會(huì)應(yīng)用頻帶，在這個(gè)過程中無法對(duì)不良情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后寬帶具有局限性。機(jī)械視覺所使用的寬帶為上行帶寬。

1.2 可行性

由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境中存在空間狹長和多分支的特點(diǎn)，以及煤壁會(huì)對(duì)無線電波傳輸干擾或吸收，加之井下狹小的作業(yè)空間中應(yīng)用多種電氣設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，在空氣中彌漫的煤塵等，開采作業(yè)環(huán)境比較特殊，對(duì)于5G 系統(tǒng)部署和應(yīng)用帶來較大難度。如5G 技術(shù)應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)高頻無線信號(hào)快速衰減，在提升定向傳輸能力時(shí)會(huì)降低繞射能力，因而減小其傳輸距離和覆蓋范圍。針對(duì)上述問題，目前5G技術(shù)中通過超密集組網(wǎng)技術(shù)和微基站技術(shù)的應(yīng)用加以解決。此外，在應(yīng)用5G 技術(shù)時(shí)，通過微基站的應(yīng)用，只需3 個(gè)微基站就可以覆蓋原有4G 網(wǎng)絡(luò)的管控范圍，同時(shí)提升帶寬和速率并降低時(shí)延。而且微基站體積小、功耗低、運(yùn)行安全性較高。針對(duì)煤礦生產(chǎn)中井下空間狹長以及分支多等特點(diǎn)，也可以利用5G 技術(shù)中的有線光纖主干和密集5G 微基站的布設(shè)方案解決，并且通過合理的網(wǎng)絡(luò)切片方式來解決視頻監(jiān)控和控制信號(hào)同步傳輸問題，起到有效安全隔離作用。由此可見，基于5G 技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸在目前的煤礦智能化中應(yīng)用是可行的。

2 煤礦智能化建設(shè)中的問題

煤礦在進(jìn)行智能化建設(shè)過程中無法保證建設(shè)過程的科學(xué)性與可行性，而且煤礦智能化建設(shè)處于起步階段，專業(yè)性強(qiáng)且經(jīng)驗(yàn)豐富的人才較少，這樣就無法對(duì)智能化建設(shè)中的問題進(jìn)行及時(shí)的處理，有的設(shè)備甚至無法正常使用，這些問題均給煤炭行業(yè)智能化建設(shè)帶來不利的影響[3]。因此各煤礦企業(yè)中的管理人員認(rèn)識(shí)到智能化技術(shù)應(yīng)用的重要性，并與自身企業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)還應(yīng)將5G 技術(shù)應(yīng)用到煤礦智能化建設(shè)工程中，提升建設(shè)水平。但是現(xiàn)階段，在進(jìn)行煤礦智能化建設(shè)過程中處理人才缺乏，5G 技術(shù)也沒有得到全面應(yīng)用，因此相關(guān)管理人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3 5G 技術(shù)在煤礦智能化中的運(yùn)用

3.1 虛擬交互中的應(yīng)用

虛擬交互過程中融入5G 技術(shù)后可以增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)度與效果，同時(shí)利用5G 虛擬交互技術(shù)后可以為煤礦智能化建設(shè)構(gòu)建5G 三維虛擬展示圖。在工程中采用5G 虛擬交互技術(shù)后對(duì)原有的人機(jī)互動(dòng)技術(shù)進(jìn)行取代，這樣在進(jìn)行煤礦智能化建設(shè)過程中需要基于三個(gè)技術(shù)改革階段，三維建模虛擬展示階段、互動(dòng)模式與可視化設(shè)計(jì)階段、混合現(xiàn)實(shí)與云端實(shí)時(shí)渲染階段。例如混合現(xiàn)實(shí)與云端實(shí)時(shí)渲染階段，利用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)后可以確定該階段可以實(shí)時(shí)開展井下空間虛擬開采并可以將運(yùn)營與維護(hù)進(jìn)行融合，充分滿足高寬帶與低延時(shí)需求，體現(xiàn)出5G 技術(shù)的優(yōu)勢。

3.2 井下巡檢及安防

基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的井下巡檢與安防是煤礦智能化應(yīng)用的重要組成部分。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能和智能定位功能，將實(shí)現(xiàn)煤礦井下空間的高效巡查和安全防護(hù)。通過安防網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)，可以實(shí)時(shí)共享地下空間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、人員身體狀況等信息。通過地下空間安全信息和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，利用智能終端的推送功能，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備終端之間不同數(shù)據(jù)信息的相互傳輸和交流，從而實(shí)現(xiàn)地下數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享，快速提高數(shù)據(jù)共享效率，更加高效、可靠、經(jīng)濟(jì)地開采煤礦資源。

3.3 井下遠(yuǎn)程協(xié)作

5G 技術(shù)在礦井中的應(yīng)用也是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。隨著礦井設(shè)備的智能化水平不斷提高，系統(tǒng)的復(fù)雜性也會(huì)不斷提高，傳統(tǒng)的維護(hù)人員很難獨(dú)自進(jìn)行維護(hù)，需要由遠(yuǎn)距離的專家進(jìn)行輔助。現(xiàn)場的聲音、視頻信息可以經(jīng)由5G 網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方，也可以將相應(yīng)的虛擬模型虛擬到現(xiàn)場裝置中，利用虛擬技術(shù)讓專家和現(xiàn)場工作者擁有一樣的視野和操作，甚至可以在井下由機(jī)器人代替人工進(jìn)行維護(hù)。

3.4 實(shí)時(shí)定位與應(yīng)用服務(wù)中的應(yīng)用

5G 移動(dòng)通信技術(shù)在應(yīng)用時(shí)是利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)完成創(chuàng)新，在煤礦智能化建設(shè)過程中將物理空間進(jìn)行劃分，分為不同的虛擬模擬網(wǎng)絡(luò)空間，不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)空間功能不同，所提供的服務(wù)也有差別，因此應(yīng)對(duì)虛擬空間性能進(jìn)行劃分并確保傳輸結(jié)構(gòu)、寬帶數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與運(yùn)行的穩(wěn)定性，可以在煤礦智能化建設(shè)過程中靈活切換各網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。在切換的過程中，應(yīng)充分利用5G 定位技術(shù)與服務(wù)技術(shù)，以往煤礦在進(jìn)行井下定位時(shí)主要以藍(lán)牙技術(shù)、超寬帶傳輸技術(shù)等為主，但是并無法滿足煤礦智能化建設(shè)要求，也無法確保定位的精準(zhǔn)性，采用5G 技術(shù)后不需要單獨(dú)設(shè)置基礎(chǔ)設(shè)施，從而保證煤礦智能化建設(shè)過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。5G 移動(dòng)通信技術(shù)延時(shí)性較低，因此應(yīng)用5G 通信技術(shù)對(duì)井下定位與服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化也是煤礦智能化建設(shè)中的主要方向，同時(shí)也可以為井下資源開采線路進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保證開采車輛管理效果。

4 結(jié)語

社會(huì)發(fā)展和煤礦產(chǎn)業(yè)之間是密切相連的，在當(dāng)前時(shí)期，若是想進(jìn)一步加快煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展，既要落實(shí)智能化建設(shè)，還要使用5G 技術(shù)，借助該技術(shù)增強(qiáng)煤礦智能化建設(shè)水平，從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。