5G在煤礦智能化應用的探討①

董亮 仲繼穎 陳莉

(兗礦集團信息化中心 山東鄒城 273500)

1 現(xiàn)狀及趨勢

我國是煤炭資源比較多的國家，煤礦企業(yè)也是我國支柱產(chǎn)業(yè)之一。改革開放以來，隨著煤礦科技的發(fā)展，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)技術也突飛猛進，向著安全、高效、高利用和綠色開采方向發(fā)展。其中井下機械化開采、井下有線通信技術、無線通信技術、自動化生產(chǎn)、遠程控制及監(jiān)控技術等都得到實際應用，實現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)。但是我國目前的煤炭生產(chǎn)行業(yè)依舊是人員密集型，實現(xiàn)煤礦智能化生產(chǎn)依舊任重道遠，其主要原因是受目前通信技術的約束。目前主要的通信技術為有線通信和無線通信技術，其中有線通信傳輸系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生線纜斷裂、接頭松動等故障，可靠性差；無線通信技術主要有4G通信技術和井下WiFi通信技術，這兩種無線技術帶寬低、延時長、穩(wěn)定性差等缺點。所以以目前的通信技術都無法實現(xiàn)煤礦智能化生產(chǎn)的需求。因此，我國煤炭行業(yè)當前處于煤礦智能化發(fā)展的初級階段，仍然面臨通信數(shù)據(jù)速率慢、多類型數(shù)據(jù)同步傳輸不可靠、遠程控制實時性差、融合大數(shù)據(jù)的智能決策效率低等問題。

隨著新的智能化應用第五代移動通信技術問世，為上述問題的解決提供了契機。第五代移動通信技術外語縮寫為：5G,5G技術是建立在4G的基礎上開發(fā)出來的，其主要特點是數(shù)據(jù)利用更高效、延時更短、可靠性更高、經(jīng)濟性更好等。如煤礦生產(chǎn)結合5G技術，可實現(xiàn)井下智能開采、井下智能運輸、高精度實時定位與應用服務、遠程實時控制、井下巡檢與安防等，為煤礦智能化生產(chǎn)的實際需求奠定了基礎。

2 5G的相關性能

5G技術是為2020新時代的需求而研發(fā)的，是目前世界公認在將來主要的通信方式，也是我國信息技術與產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展最為重要的任務之一。現(xiàn)根據(jù)目前5G的主要通信技術，結合煤礦智能生產(chǎn)的實際應用場景，總結相關性能如下。

2.1 可移動性

移動性是歷代移動通信系統(tǒng)重要的性能指標。5G移動通信系統(tǒng)作為將來主要的通信方式同樣需要高速移動、低速移動或非移動場景下進行數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等場景。

2.2 高傳輸性

5G的傳輸功能方面主要支持超高帶寬、高可靠低延時、海量物聯(lián)、超高可靠性傳輸，其主要體現(xiàn)5G的高速、可靠、穩(wěn)定性。其主要參數(shù)為：峰值數(shù)據(jù)速率≥1Gbps，上行穩(wěn)定帶寬不小于100MB，下行穩(wěn)定帶寬不小于200MB，連接數(shù)接近1000K每平方公里，空口時延＜10ms。

2.3 網(wǎng)速快

5G移動通信技術主要特點就是速度高。只有網(wǎng)絡速度大大提升，在面對VR/超高清業(yè)務時才能不受限制。通過研究，5G網(wǎng)絡的理論傳輸速率可達 10Gbps。

2.4 故障弱化性

5G智能傳輸平臺除了可以實現(xiàn)5G傳輸系統(tǒng)的無線化、超高可靠、超高帶寬、超低時延外，還能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足礦山業(yè)務需求的情況下，將部分核心網(wǎng)控制業(yè)務下移至邊緣計算設備，并在核心網(wǎng)斷網(wǎng)情況下不中斷已有業(yè)務的傳輸，盡可能地對傳輸故障進行了弱化，提高整個傳輸平臺的安全性和可靠性，降低平臺整體建設和運維成本。

2.5 網(wǎng)絡覆蓋全

5G通信技術中的網(wǎng)絡全覆蓋即泛在網(wǎng)，指在每一個角落都有網(wǎng)絡存在，只有這樣才能在復雜的場景上使用。5G網(wǎng)絡布控大量的小型基站，形成密集網(wǎng)絡群，形成信號全覆蓋。

3 5G技術在煤礦智能化生產(chǎn)的應用場景

5G技術在礦山的主要應用場景包括：智能采掘、智能輔助運輸、智能巡檢、智能檢修等。本方案的設計應用，是5G技術在礦山主要場景的應用。通過上述實際應用，可實現(xiàn)煤礦智能化，在煤礦減員增效，大大提高煤礦生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率。

3.1 智能采掘功能

在煤礦采掘工作面的工作難度大、環(huán)境復雜、設備多、安全條件差等，相對實現(xiàn)智能開采是非常必要的。在井下生產(chǎn)面順槽部署邊緣服務器（MEC），接入多個礦用基帶處理單元（BBU）采集信息，將信息經(jīng)過井下工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至地面5G核心網(wǎng)。最終形成智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)傳輸網(wǎng)。智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)傳輸網(wǎng)與礦用5G超高清攝像儀、礦用5G支架壓力傳感器、安裝有礦用5G裝置和慣導系統(tǒng)的采煤機（掘進機）等裝備組成智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)。智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)對網(wǎng)絡可靠性的要求非常高，，從而實現(xiàn)生產(chǎn)工作面與地面機房通訊故障時運行中的業(yè)務不中斷。

3.2 智能輔助運輸功能

基于5G 的低延時特性開發(fā)5G 網(wǎng)絡的井下定位與應用服務系統(tǒng)，組建井下5G網(wǎng)絡，在井下無軌膠輪車、電機車、單軌吊等車輛上安裝5G裝備，通過礦用5G傳輸網(wǎng)進行行駛狀態(tài)、精準位置信息等數(shù)據(jù)采集、上傳、分析，從而實現(xiàn)智能輔助運輸。

3.3 遠程智能協(xié)同運維

隨著技術的進步，井下裝備的智能化程度會越來越高，系統(tǒng)也愈加復雜，只依靠傳統(tǒng)的維修工人已難以獨立完成維修工作，需借助5G傳輸網(wǎng)遠程將現(xiàn)場采集到的設備信息、運行狀態(tài)、故障情況等信息傳給工程師協(xié)助完成。工程師通過5G網(wǎng)絡傳輸來的現(xiàn)場的音視頻信息，利用虛擬現(xiàn)實技術可實現(xiàn)工程師與現(xiàn)場工人同樣的視場和操作。隨著科技技術的進步甚至還可以用機器人代替人在井下完成維修。

3.4 井下智能巡檢和安防

基于 5G 的精準定位、高速數(shù)據(jù)傳輸和物聯(lián)技術將實現(xiàn)井下的智能巡檢和安防。通過井下無人機、智能VR/AR等設備可實時定位井下的裝備和人員，實時傳輸和共享井下的安全信息，實現(xiàn)井下信息的泛在感知和共享，以便能夠?qū)ΜF(xiàn)場進行及時巡查工作。而無論是無人機飛行控制、無人機巡檢視頻回傳，還是VR/AR智能遠程設備故障診斷與維修，都需要高效的5G網(wǎng)絡帶寬資源和快速的信息反饋，實現(xiàn)實時狀態(tài)控制。

4 結語

隨著5G技術的發(fā)展，煤炭行業(yè)借助5G的技術定能得到廣泛的應用，煤礦生產(chǎn)在5G技術的推動下正從自動化向智能化發(fā)展，實現(xiàn)智能化采掘、智能化運輸、智能化巡檢和協(xié)同運維等遠程智能控制。這樣不僅提高了煤炭的產(chǎn)量，還減少了運行成本，同時減少煤礦職工的井下工作時間和次數(shù)，降低煤礦職工的勞動強度，最主要的是給煤礦行業(yè)帶來的可觀經(jīng)濟效效益。5G為實現(xiàn)煤礦智能化奠定了基礎。