5G通信技術(shù)及其在煤礦的應(yīng)用構(gòu)想

胡松偉

（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)中平信息技術(shù)有限責(zé)任公司，河南平頂山，467000）

0 引言

煤礦開(kāi)采的過(guò)程伴隨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)性，隨著通信技術(shù)的發(fā)展在礦井開(kāi)采的過(guò)程中使用通信技術(shù)能夠提升煤礦開(kāi)采的安全性。我國(guó)在煤礦行業(yè)發(fā)展之初就一直致力于礦井通信技術(shù)的研發(fā)，近年來(lái)隨著感應(yīng)技術(shù)和透地通信技術(shù)的出現(xiàn)，通信系統(tǒng)得到不斷的優(yōu)化和完善。尤其在2010年之后，煤礦無(wú)線通信技術(shù)獲得了巨大的飛躍，但是因?yàn)榈V井的工作環(huán)境比較特殊，加上工作流程也比較復(fù)雜，因此對(duì)于寬帶網(wǎng)絡(luò)的要求較高。因?yàn)榈V井工作需要采用視頻監(jiān)控，這就對(duì)于通信的流暢性也產(chǎn)生了需求。從當(dāng)前技術(shù)出發(fā)，5G通信技術(shù)在煤礦行業(yè)中的應(yīng)用能夠促進(jìn)語(yǔ)音圖像等文件的良好傳輸，除此之外還能滿足礦井的基本通信業(yè)務(wù)需求。但是煤礦行業(yè)本身對(duì)通信質(zhì)量和通信效率都有更嚴(yán)格的要求，因此5G技術(shù)在突破傳統(tǒng)無(wú)限通信技術(shù)局限性的同時(shí)還有著巨大的發(fā)展空間，因此在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中積極對(duì)5G通信技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，從而保證礦井物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)得以順利進(jìn)行，從而確保通信鏈路科學(xué)建立。

1 5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 核心技術(shù)簡(jiǎn)述

5G的誕生是伴隨著多種場(chǎng)景的出現(xiàn)，因?yàn)槿祟?lèi)社會(huì)的發(fā)展導(dǎo)致人類(lèi)對(duì)于極端差異需求的滿足欲望越來(lái)越強(qiáng)烈。因此5G技術(shù)的基礎(chǔ)并非某種單一技術(shù)，主要是因?yàn)樗鉀Q的問(wèn)題也并非單一場(chǎng)景。5G技術(shù)的主要核心是無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從無(wú)線技術(shù)角度來(lái)探討5G技術(shù)，可以看出5G技術(shù)通過(guò)無(wú)線陣列和超密集組網(wǎng)等大規(guī)模的頻譜介入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的排布。而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域則需要軟件的支持，例如SDN和虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這些廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能夠讓正交頻得到良好的復(fù)用，還能讓濾波器組能夠?qū)崿F(xiàn)靈活雙工，從而能夠讓密度檢驗(yàn)得到良好的降低，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的科學(xué)合理檢驗(yàn)。而這些正是5G技術(shù)的核心技術(shù)，這些核心技術(shù)共同促成了5G技術(shù)強(qiáng)大的發(fā)展空間，實(shí)現(xiàn)了5G通信技術(shù)的飛躍和發(fā)展。

1.2 5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

5G的關(guān)鍵技術(shù)之所以占有一定的優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樗耐ㄐ畔到y(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能性，尤其與前幾代通信技術(shù)作比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)5G通信技術(shù)的傳輸效率得到了顯著的提升，而且延遲性得到良好的降低，除此之外其容量也得到了一定的增大。

1.2.1 體驗(yàn)速率高

5G通信技術(shù)船速速率得到顯著提升是業(yè)界產(chǎn)生的共識(shí)，其中每秒的傳輸可達(dá)到1G的速率，從而提高用戶的體驗(yàn)感。尤其在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，傳輸速率的良好提升能夠讓用戶獲得更好的體驗(yàn)感，

1.2.2 連接密度高

5G通信技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于能夠最大限度的擴(kuò)充在線設(shè)備數(shù)量，傳統(tǒng)的通信技術(shù)無(wú)法保證單位面積上過(guò)多的設(shè)備在線，但是5G技術(shù)解決了這一問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)沒(méi)平方千米100多個(gè)在線設(shè)備同時(shí)在線。

1.2.3 延時(shí)比較低

在傳統(tǒng)的通信技術(shù)中，延時(shí)問(wèn)題一直都是制約傳輸?shù)闹饕獑?wèn)題。較短的延時(shí)能夠確保通信內(nèi)容良好的傳達(dá)，避免傳輸事故。5G技術(shù)將延時(shí)最大限度的降低到1毫秒，從而實(shí)現(xiàn)了較低的延時(shí)。

1.2.4 移動(dòng)性較好

傳統(tǒng)的通信技術(shù)在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的信號(hào)丟失，影響傳輸質(zhì)量。但是5G技術(shù)能夠在移動(dòng)的過(guò)程中也做到收發(fā)雙方的信號(hào)穩(wěn)定，因此可以更好的實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)中的信息傳輸。通常收發(fā)雙方的移動(dòng)速度最高可以達(dá)到500km/h。

2 礦井5G技術(shù)的架構(gòu)討論

2.1 系統(tǒng)組成

煤礦開(kāi)采的施工環(huán)境比較復(fù)雜，因此通信系統(tǒng)的構(gòu)成也與普通的5G通信系統(tǒng)相異。在礦井的5G通信系統(tǒng)當(dāng)中，核心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)成指揮中樞，地面的基站則負(fù)責(zé)進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收。井下的基站是為了實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)傳輸，因?yàn)槊旱V的礦井往往信號(hào)強(qiáng)度弱。除此之外，井上井下的HUB和AAU需要進(jìn)行良好的覆蓋，然后才能通過(guò)IR接口實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外的基帶連接，尤其要注重對(duì)井下的RRU網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這樣才能通過(guò)井上與井下的相連完成數(shù)據(jù)和信息的傳輸。

2.2 組網(wǎng)簡(jiǎn)要介紹

5G的網(wǎng)絡(luò)部署并非只是獨(dú)立組網(wǎng)的部署，通常來(lái)說(shuō)包括非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)兩類(lèi)。NSA組網(wǎng)需要4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的支持，但是它借用4G核心網(wǎng)進(jìn)行部署，然后實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的組建，這種組建方式能夠更好的實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期演進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式能夠在初期完成快速的網(wǎng)絡(luò)組建，而且成本比較低，但是因?yàn)殪`活性不高，所以會(huì)給后期的部署工作帶來(lái)巨大的工作量。而SA則是屬于5G網(wǎng)絡(luò)的新建，它不借助任何網(wǎng)絡(luò)，只是重新搭建5G網(wǎng)絡(luò)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)基站和基礎(chǔ)設(shè)施的部署和建立。因?yàn)镾A是重新部署，因此其初期成本會(huì)比較高，但是因?yàn)轷r有的4G基站也可以在SA部署的過(guò)程中獲得良好的升級(jí)和更新，因此SA的架構(gòu)形態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的功能性。而且其最終形態(tài)是5G基站與5G核心網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)還能摒除4G網(wǎng)絡(luò)的依賴性。這種組網(wǎng)方式能夠更好的視線5G網(wǎng)絡(luò)的新功能，并且滿足地下礦井的無(wú)限通信需求。但是煤礦開(kāi)采的地下礦井情況不同，在選擇組網(wǎng)的過(guò)程中要充分考慮煤礦的情況，然后進(jìn)行組網(wǎng)方式的選擇，這樣才能充分實(shí)現(xiàn)煤礦礦場(chǎng)良好的通信功能。

3 5G通信技術(shù)的礦井應(yīng)用

現(xiàn)代煤礦開(kāi)采朝著更加智能化的角度發(fā)展，不僅要實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)人員的物聯(lián)，更加要實(shí)現(xiàn)高速通信網(wǎng)絡(luò)的搭建。但是煤礦礦山的環(huán)境比較復(fù)雜，在進(jìn)行組網(wǎng)的過(guò)程中還需要考慮到實(shí)景的情況，這就需要對(duì)礦山數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的挖掘，從而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等的綜合應(yīng)用。煤炭行業(yè)在不斷創(chuàng)新的過(guò)程中也需要進(jìn)行更加智能化的通信更新，但是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將這些內(nèi)容具體的聯(lián)系起來(lái)，然后通過(guò)發(fā)揮5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)從而完成井下通信技術(shù)的發(fā)展。

3.1 無(wú)人駕駛和智能運(yùn)輸應(yīng)用

礦井的工作對(duì)安全性要求較高，近年來(lái)許多礦井在開(kāi)采的過(guò)程中通過(guò)無(wú)人駕駛來(lái)完成工作，這樣可以降低工作人員的安全隱患。但是無(wú)人駕駛需要良好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持，這樣才能保證機(jī)器與機(jī)器之間良好的對(duì)接，而機(jī)器與機(jī)器之間的這一對(duì)接需要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就給井下網(wǎng)絡(luò)通信提出了一個(gè)難題。5G技術(shù)的出現(xiàn)能夠?yàn)榫绿峁└己玫膶拵Лh(huán)境，在增加傳輸速度和提升傳輸效率的過(guò)程中，能夠保證機(jī)器與機(jī)器之間的精準(zhǔn)定位和對(duì)接。尤其在無(wú)人駕駛的過(guò)程中，5G通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)3D地圖的轉(zhuǎn)換，從而讓傳感器的感知能力得到顯著提升。而5G網(wǎng)絡(luò)也為其他設(shè)備，例如安全監(jiān)測(cè)設(shè)備和定位設(shè)備提供了必要的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而良好地保證了地下運(yùn)輸車(chē)輛的無(wú)人駕駛功能實(shí)現(xiàn)。除了無(wú)人駕駛技術(shù)以外，運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化也需要良好的通信網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫逻\(yùn)輸必須要精確。而傳統(tǒng)的通信技術(shù)不能對(duì)井下的煤流和無(wú)聊進(jìn)行良好的檢測(cè)，從而保證自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)裝置的協(xié)調(diào)。5G技術(shù)的出現(xiàn)不僅能夠確保附近環(huán)境和相關(guān)參數(shù)信息的良好的監(jiān)測(cè)，還能讓車(chē)輛運(yùn)輸和設(shè)備運(yùn)行的效率得以提升，從而確保系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的良好性。

3.2 礦井位置的良好服務(wù)

井下定位系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)能夠保證煤礦開(kāi)采的順利進(jìn)行。目前我國(guó)煤礦開(kāi)采中往往需要進(jìn)行定位系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)的安裝，這些定位系統(tǒng)的安裝需要根據(jù)礦井的具體情況來(lái)來(lái)設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@些系統(tǒng)不僅需要滿足礦井的需求，還需要滿足其也無(wú)需求。現(xiàn)代煤礦開(kāi)采的機(jī)械化程度逐漸提升，這意味著未來(lái)煤礦開(kāi)采的人數(shù)會(huì)不斷降低，無(wú)人化的需求加深了對(duì)定位系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量和技術(shù)要求，良好的通信技術(shù)才能保證定位系統(tǒng)更好額而工作。5G技術(shù)通過(guò)天線的排布來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻段的通信任務(wù)，從而保證定位系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)的對(duì)井下情況進(jìn)行定位。

3.3 輔助實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控

遠(yuǎn)程操控設(shè)備是5G通信技術(shù)與礦井結(jié)合的重要方面，因?yàn)檫h(yuǎn)程設(shè)備控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下開(kāi)采過(guò)程的推動(dòng)，因此遠(yuǎn)程控制設(shè)備需要更多的通信資源才能實(shí)現(xiàn)其功能。這就意味著遠(yuǎn)程控制對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)效性要求較高，但是煤礦礦井的井下環(huán)境比較復(fù)雜，而且網(wǎng)絡(luò)通信控制的鏈路比較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致遠(yuǎn)程控制設(shè)備本身的功能實(shí)現(xiàn)存在一定的問(wèn)題。5G技術(shù)能夠通過(guò)降低延時(shí)性來(lái)實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的良好，從而為井下控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)提供良好的通信環(huán)境。除此之外，井下作業(yè)也需要其他掘進(jìn)機(jī)和采煤機(jī)的共同運(yùn)作，而5G通信技術(shù)一旦應(yīng)用就能保證這些數(shù)據(jù)快速生成，從而確保液壓支架等信息的良好，地面能夠通過(guò)傳感器對(duì)井下的情況進(jìn)行良好的了解，從而生成良好的影響。這些數(shù)據(jù)往往具有數(shù)目繁多，體量巨大的特點(diǎn)。如果僅僅依靠傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并不能實(shí)現(xiàn)高效率和高速度的傳輸，而且現(xiàn)代井下開(kāi)采技術(shù)還需要進(jìn)行可視化模型，這就需要工作人員對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，保證可視化系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 遠(yuǎn)程故障診斷

井下設(shè)備一旦出現(xiàn)故障很容易導(dǎo)致開(kāi)采的安全事故，因此對(duì)井下設(shè)備的安全診斷具有重要的意義。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供更好的通信傳遞，一旦傳感器感知到設(shè)備出現(xiàn)故障之后，能夠與云端平臺(tái)進(jìn)行溝通，數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)備份數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)現(xiàn)有故障進(jìn)行診斷和處理。對(duì)設(shè)備的主動(dòng)監(jiān)測(cè)能夠讓系統(tǒng)對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行更好的判斷，從而進(jìn)行不同應(yīng)對(duì)方案的撰寫(xiě)。以往的維修過(guò)程需要維修人員的親自介入，但是5G網(wǎng)絡(luò)介入之后，通過(guò)遠(yuǎn)程故障診斷可以更好的對(duì)井下情況進(jìn)行判斷，從而減少了維修難度。5G技術(shù)與VR技術(shù)的結(jié)合是井下通信技術(shù)的革新，因?yàn)榛貍骶赂咔逡曨l能夠讓地面人員對(duì)井下設(shè)備有更好的觀測(cè)和指導(dǎo)。甚至對(duì)于某些系統(tǒng)故障，系統(tǒng)可以根據(jù)具體的故障情況進(jìn)行自動(dòng)分析，然后智能化系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自我調(diào)整與修復(fù)，對(duì)于這種故障，工作人員不需要進(jìn)入井下就能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的維修。不僅解決了故障問(wèn)題，還保障了工作人員的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤礦開(kāi)采事關(guān)我國(guó)的能源事業(yè)發(fā)展，不斷提升煤礦開(kāi)采技術(shù)的科學(xué)性有助于提升煤炭事業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。近年來(lái)我國(guó)不斷優(yōu)化相應(yīng)的設(shè)備技術(shù)，但是這些設(shè)備技術(shù)需要通信技術(shù)的連接才能保證設(shè)備的功能得以發(fā)揮。5G通信技術(shù)的到來(lái)，讓煤礦開(kāi)采得到更好的網(wǎng)絡(luò)支持。從目前我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)備及部署來(lái)看，煤礦行業(yè)的5G技術(shù)部署方式仍然存在一定的多元性和不確定性，這意味著5G技術(shù)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用還存在更多的空間，因?yàn)槟壳捌洚a(chǎn)業(yè)鏈尚不夠完整，而且煤礦行業(yè)本身對(duì)于5G技術(shù)的應(yīng)用深度和廣度都有待完善。除此之外，煤礦行業(yè)本身在發(fā)展過(guò)程中就需要對(duì)發(fā)展成本進(jìn)行估量，而5G網(wǎng)絡(luò)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦開(kāi)采的效率提升，但是其成本也不低。這意味著在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，煤礦行業(yè)既要注重于5G網(wǎng)絡(luò)的良好的結(jié)合，還要考慮到5G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，不斷降低成本的同時(shí)還要保證井下物聯(lián)網(wǎng)的建立。