煤礦智能化與礦用5G

孫繼平

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation Mobile Networks，5G)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)促進(jìn)了煤礦智能化。其中，5G是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有傳輸速率高、時(shí)延小、可靠性高、容量大等優(yōu)點(diǎn)，已在地面應(yīng)用[1-2]。2020年7月，安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心按照新產(chǎn)品審核發(fā)放模式，發(fā)放了我國第1個(gè)煤礦5G通信系統(tǒng)安全標(biāo)志準(zhǔn)用證[3](有效期2 a)。該系統(tǒng)沒有針對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)，僅將地面5G產(chǎn)品進(jìn)行防爆改造，僅可用于礦井語音通信和視頻圖像傳輸。目前正在安標(biāo)送審的礦用5G系統(tǒng)也沒有針對(duì)煤礦井下特殊需求進(jìn)行研發(fā)，僅將地面5G產(chǎn)品進(jìn)行防爆改造，難以滿足煤礦智能化建設(shè)需求。煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體，礦井無線傳輸衰減大等特殊性[1-2]，制約著5G直接在煤礦井下應(yīng)用。因此，需根據(jù)煤礦井下特殊需求，研究礦用5G技術(shù)和系統(tǒng)。

1 礦用5G宜采用本質(zhì)安全型防爆

煤礦井下有瓦斯等爆炸性氣體，用于煤礦井下的電氣設(shè)備必須是防爆型電氣設(shè)備。礦用防爆電氣設(shè)備防爆型式主要有本質(zhì)安全型、隔爆型、膠封型、增安型等[4]。其中，本質(zhì)安全型防爆性能最好，適用于煤礦井下所有場(chǎng)所和瓦斯超限等各種條件，具有防爆性能好、體積小、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。因此，礦用5G應(yīng)首選礦用本質(zhì)安全型。但本質(zhì)安全型防爆措施限制了大功率、高電壓、大電流、大電容和大電感。功率超過25 W的電氣設(shè)備難以做成礦用本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備。礦用隔爆及其復(fù)合型防爆5G基站體積大、質(zhì)量大、防爆性能不如本質(zhì)安全型，甲烷超限或停風(fēng)后需停電，不能在甲烷超限和停風(fēng)斷電控制區(qū)域工作。

煤礦井下無線發(fā)射會(huì)在金屬支護(hù)、機(jī)電設(shè)備金屬外殼等產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，引起瓦斯爆炸。為防止大功率無線發(fā)射引起瓦斯爆炸，GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》[4]規(guī)定，煤礦井下無線發(fā)射設(shè)備的射頻閾功率(無線發(fā)射設(shè)備的有效輸出功率與天線增益的乘積)不得大于6 W。5G基站一般采用多天線，多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)工作，發(fā)射功率疊加。因此，礦用5G基站應(yīng)按同時(shí)工作的多個(gè)發(fā)射天線的最大總功率考核其防爆性能。

電氣設(shè)備火花放電能量取決于放電時(shí)間、電源放電功率、負(fù)載中電容量和電感量等。放電時(shí)間越長、電源放電功率越大、負(fù)載中電容量和電感量越大，火花放電能量就越大，引爆瓦斯的概率就越大。天線的等效電感(含分布電感)和電容(含分布電容)會(huì)增加火花放電能量。因此，對(duì)于本質(zhì)安全型、隔爆兼本質(zhì)安全型礦用5G基站，應(yīng)考核天線的等效電感(含分布電感)和等效電容(含分布電容)。

對(duì)于發(fā)射功率軟件可調(diào)的礦用5G基站，調(diào)控發(fā)射功率的軟件應(yīng)固化，確保在正常工作和故障狀態(tài)下，最大發(fā)射功率不增大；不得因設(shè)備停電重啟、光纜斷纜、基站控制器損壞、交換機(jī)/路由器損壞、電磁干擾等，造成最大發(fā)射功率增大。無法保證最大發(fā)射功率不增大的軟件調(diào)控發(fā)射功率的礦用5G基站，應(yīng)按硬件最大發(fā)射功率考核其防爆性能。

2 用于控制的礦用5G應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力

煤礦井下空間狹小，大型機(jī)電設(shè)備相對(duì)集中，電磁干擾嚴(yán)重。采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、水泵、提升機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備啟停，大功率變頻設(shè)備工作，架線電機(jī)車火花，礦井人員和車輛定位系統(tǒng)等其他無線設(shè)備，均影響著礦用5G系統(tǒng)的正常工作。因此，用于控制的礦用5G應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力[5]，通過GB/T 17626.3—2016《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》[6]的嚴(yán)酷等級(jí)為2級(jí)的射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)為A；通過GB/T 17626.4—2018《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》[7]規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為2級(jí)的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)為A；交流端口通過GB/T 17626.5—2019《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》[8]規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為3級(jí)的浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)為B；直流端口和信號(hào)端口通過GB/T 17626.5—2019《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》[8]規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為2級(jí)的浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)為B。

使用電容和電感濾波是提高設(shè)備抗干擾能力的有效方法。但是，本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備除限制最大工作電壓、最大電流和最大功率外，還限制電路中的電容量和電感量。因此，在本質(zhì)安全防爆的條件下，提高5G系統(tǒng)的抗干擾能力，是礦用5G亟需解決的技術(shù)難題。

3 采煤工作面和掘進(jìn)工作面地面遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G

事故調(diào)查表明，我國煤礦死亡事故主要發(fā)生在采煤工作面和掘進(jìn)工作面[9]。因此，通過煤礦自動(dòng)化、信息化和智能化，減少煤礦井下作業(yè)人員，特別是減少采煤工作面和掘進(jìn)工作面作業(yè)人員，是煤礦安全生產(chǎn)亟需解決的問題。目前，采煤工作面已實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱機(jī)架聯(lián)動(dòng))，記憶割煤，工作面巷道遠(yuǎn)程控制。但是，煤巖界面自動(dòng)識(shí)別等技術(shù)難題仍然沒有解決；采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等工作面設(shè)備定位精確度難以滿足無人采煤工作面要求。人們研發(fā)了通過工作面巷道探測(cè)頂?shù)装逦恢?地質(zhì)鉆孔估算頂?shù)装逦恢玫牡刭|(zhì)模型方法，但當(dāng)頂?shù)装遄兓^大時(shí)，誤差較大，難以滿足無人采煤工作面對(duì)頂?shù)装鍦?zhǔn)確位置的需求。在煤巖界面自動(dòng)識(shí)別、采煤工作面設(shè)備精確定位等技術(shù)難題被攻克前，為盡早實(shí)現(xiàn)采煤工作面無人或少人作業(yè)，減少采煤工作面作業(yè)人員，筆者提出了機(jī)架聯(lián)動(dòng)+記憶割煤+地質(zhì)模型+地面遠(yuǎn)程控制方法(以下簡(jiǎn)稱地面遙控方法)。

地面遙控方法中的機(jī)架聯(lián)動(dòng)、記憶割煤、地質(zhì)模型等方法已在采煤工作面應(yīng)用，亟需解決地面遠(yuǎn)程控制問題。地面遠(yuǎn)程控制需解決采煤工作面信息(包括采煤工作面視頻圖像,語音,通過傳感器采集的環(huán)境、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備運(yùn)行和狀態(tài)信息等)實(shí)時(shí)可靠采集與上傳，地面控制命令實(shí)時(shí)可靠下傳等問題。采煤工作面粉塵大，采煤機(jī)工作時(shí)有噴霧，造成視頻圖像不清晰，難以通過視頻圖像在地面遠(yuǎn)程識(shí)別頂?shù)装迕簬r界面等。采用透霧透塵攝像機(jī)，可較好地解決采煤工作面視頻圖像不清晰問題，優(yōu)于工作面現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀察。采煤工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備是移動(dòng)設(shè)備，宜采用無線傳輸技術(shù)。采煤工作面視頻圖像實(shí)時(shí)可靠無線上傳，要求傳輸系統(tǒng)傳輸速率高、時(shí)延小、可靠性高。

5G具有傳輸速率高、時(shí)延小、可靠性高、容量大等優(yōu)點(diǎn)。在FR1(450～6 000 MHz)頻率范圍內(nèi)，5G的最高傳輸速率為1.2 Gbit/s(上行)和2.2 Gbit/s(下行)[1，10-11]。5G面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，支持0.5～1 ms空口時(shí)延、不大于5 ms的端到端時(shí)延和更高的可靠性[12-13]。而WiFi6平均時(shí)延為20 ms[1]，可靠性不能保證。在傳輸時(shí)延和可靠性方面，5G優(yōu)于WiFi6等其他常用無線通信技術(shù)。因此，采煤工作面和掘進(jìn)工作面地面遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G。

4 煤礦井下車輛無人駕駛地面遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G

煤礦井下膠輪車、電機(jī)車等礦用車輛無人駕駛，是減少煤礦井下作業(yè)人員、避免或減少重特大事故發(fā)生、提高運(yùn)輸效率的有效措施。礦用車輛無人駕駛包括自動(dòng)駕駛、地面遙控、自動(dòng)駕駛+地面遙控等方法。礦用車輛無人駕駛，需通過礦用車輛精確定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)車輛定位和導(dǎo)航；通過激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、熱像儀、攝像機(jī)、車載傳感器和巷道傳感器等感知車輛和周邊環(huán)境；通過時(shí)延小、可靠性高、傳輸速率高的礦用無線通信系統(tǒng)構(gòu)成車聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)礦用車輛運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境，控制信號(hào)燈、電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)(僅用于軌道運(yùn)輸系統(tǒng))和車輛運(yùn)行等。

5G具有傳輸速率高、時(shí)延小、可靠性高、容量大等優(yōu)點(diǎn)。5G面向車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，支持V2V(Vehicle to Vehicle,車與車)和V2I(Vehicle to Infrastructure,車與路邊單元)直連通信等[12-13]。因此，煤礦井下車輛無人駕駛遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G。

5 沒有針對(duì)礦井移動(dòng)通信特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G性價(jià)比低

煤礦井下通信從功能上劃分，可分為有線調(diào)度通信、廣播通信、救災(zāi)通信、應(yīng)急通信和移動(dòng)通信。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)用于日常煤礦生產(chǎn)調(diào)度和安全調(diào)度，具有不需煤礦井下供電、抗災(zāi)變能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。礦用廣播通信系統(tǒng)用于通知煤礦井下作業(yè)人員緊急撤離和緊急避險(xiǎn)，并具有報(bào)告井下災(zāi)變情況等功能，日常用于安全生產(chǎn)調(diào)度廣播。礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)由礦山救護(hù)隊(duì)員攜帶，用于救護(hù)隊(duì)員與救援基地、救護(hù)隊(duì)員之間通信。礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)用于災(zāi)后遇險(xiǎn)人員與地面通信，具有抗災(zāi)變能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前有線調(diào)度通信系統(tǒng)兼做礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)[14]。礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)用于手機(jī)等移動(dòng)終端之間、手機(jī)等移動(dòng)終端與地面調(diào)度室之間通信，具有及時(shí)、方便等優(yōu)點(diǎn)。礦長、礦總工程師、區(qū)隊(duì)長、工程技術(shù)人員、班組長、爆破工、安全檢查員、瓦斯檢查工、流動(dòng)電鉗工、安全監(jiān)測(cè)工、司機(jī)等關(guān)鍵崗位和流動(dòng)作業(yè)人員，宜佩戴手機(jī)等移動(dòng)終端。

礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)主要有漏泄移動(dòng)通信系統(tǒng)、感應(yīng)移動(dòng)通信系統(tǒng)、透地移動(dòng)通信系統(tǒng)、多基站移動(dòng)通信系統(tǒng)等。目前，礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采用多基站移動(dòng)通信系統(tǒng)，多基站移動(dòng)通信系統(tǒng)主要有4G/5G，WiFi等。WiFi礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)具有成本低等優(yōu)點(diǎn)，但不適用于手機(jī)等移動(dòng)終端移動(dòng)速度較快的場(chǎng)景。煤礦井下膠輪車和電機(jī)車等行駛速度受限，手機(jī)等移動(dòng)終端移動(dòng)速度較慢，WiFi礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)可滿足煤礦井下移動(dòng)通信需求。4G/5G礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)具有手機(jī)種類多、語音通話質(zhì)量高、可用于快速移動(dòng)通信等優(yōu)點(diǎn)，但成本高。因此，沒有針對(duì)礦井移動(dòng)通信特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G性價(jià)比低于礦用WiFi移動(dòng)通信系統(tǒng)。

6 嚴(yán)禁用礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)

礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，在生產(chǎn)和安全調(diào)度中發(fā)揮著重要作用。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)主要由本質(zhì)安全型防爆電話、安全柵、交換機(jī)、調(diào)度臺(tái)、電纜和分/接線盒等組成。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)在井下沒有需要供電的設(shè)備，安裝在井下的本質(zhì)安全型防爆電話由地面交換機(jī)經(jīng)安全柵和電纜供電。煤礦井下甲烷超限停電和停風(fēng)停電等，不影響礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)正常工作。當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸(包括瓦斯爆炸、煤塵爆炸和瓦斯煤塵爆炸)、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板冒落、炸藥爆炸等各類事故時(shí)，只要電纜不斷、電話不壞，系統(tǒng)均能正常工作。迄今為止，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)是煤礦井下最可靠的通信系統(tǒng)，不但用于日常生產(chǎn)和安全調(diào)度通信，還用于事故應(yīng)急救援通信，在事故應(yīng)急救援工作中發(fā)揮著重要作用。例如，2007年7月29日河南省陜縣支建煤礦發(fā)生透水事故，共有69人遇險(xiǎn)，經(jīng)76 h營救，遇險(xiǎn)人員全部安全升井。事故發(fā)生后，遇險(xiǎn)人員通過有線調(diào)度電話及時(shí)將被困人數(shù)、位置和狀況向地面調(diào)度室匯報(bào)，為救援提供了準(zhǔn)確信息，縮短了救援時(shí)間[14]。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)是煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”之一。《煤礦安全規(guī)程》[15]規(guī)定：所有煤礦必須裝備有線調(diào)度通信系統(tǒng)；有線調(diào)度通信系統(tǒng)通信電纜必須專用。為進(jìn)一步提高有線調(diào)度通信系統(tǒng)抗災(zāi)變能力，有線調(diào)度通信系統(tǒng)的礦用本質(zhì)安全型防爆電話應(yīng)設(shè)置在機(jī)電硐室內(nèi)；電纜應(yīng)設(shè)置在巷幫與底板的夾角處，或設(shè)置在壓風(fēng)管路中。

礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由礦用手機(jī)等移動(dòng)終端、礦用基站和天線、礦用基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器、地面調(diào)度終端、地面5G核心網(wǎng)、光纜、光纜分/接線盒、礦用電源(可以與礦用基站、礦用基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器一體)等組成。礦用5G必須在井下敷設(shè)光纜。設(shè)置在煤礦井下的礦用5G基站、礦用5G基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器等均由井下電網(wǎng)供電。因礦用備用電源工作時(shí)間有限，煤礦井下瓦斯超限停電和停風(fēng)停電，將影響礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)正常工作。當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板冒落、炸藥爆炸等事故時(shí)，會(huì)造成礦用5G基站和天線、礦用5G基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器等損壞，光纜斷纜。雖然也可以將礦用5G基站、礦用5G基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器等設(shè)置在機(jī)電硐室，光纜設(shè)置在巷幫與底板的夾角處或壓風(fēng)管路中,但礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)在煤礦井下的設(shè)備較多，并需由井下電網(wǎng)供電，因此，礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)抗災(zāi)變能力遠(yuǎn)不如礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)，難以滿足應(yīng)急通信要求。嚴(yán)禁用礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。

7 沒有針對(duì)煤礦安全監(jiān)控特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G不能替代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有甲烷、一氧化碳、溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)向、饋電狀態(tài)等監(jiān)測(cè)功能；當(dāng)甲烷超限或停風(fēng)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并切斷相關(guān)區(qū)域電源，避免瓦斯爆炸等事故發(fā)生；具有煤與瓦斯突出感知、報(bào)警和斷電功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故，撤出遇險(xiǎn)人員，避免瓦斯爆炸等事故發(fā)生。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。煤礦井下頂板冒落和機(jī)械碰撞等，會(huì)造成線纜(光纜或電纜)斷纜。為避免系統(tǒng)線纜斷纜和主機(jī)故障，影響甲烷超限斷電和停風(fēng)斷電，《煤礦安全規(guī)程》[15]規(guī)定，當(dāng)主機(jī)和系統(tǒng)線纜發(fā)生故障時(shí)，必須保證實(shí)現(xiàn)甲烷電閉鎖和風(fēng)電閉鎖全部功能。

目前，礦用5G核心網(wǎng)在地面，控制整個(gè)系統(tǒng)工作，地面采用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)冗余，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。但當(dāng)煤礦井下光纜斷纜或交換機(jī)/路由器等出現(xiàn)故障，井下系統(tǒng)將癱瘓。甲烷超限或停風(fēng)后，非本質(zhì)安全防爆的5G基站、基站控制器和交換機(jī)/路由器等必須停電。因此，不針對(duì)煤礦安全監(jiān)控特點(diǎn)進(jìn)行二次開發(fā)，僅對(duì)現(xiàn)有地面5G進(jìn)行防爆改造的礦用5G，不能替代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。

8 沒有針對(duì)礦井動(dòng)目標(biāo)精確定位特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G定位精度低

礦井人員和車輛精確定位技術(shù)是煤礦智能化關(guān)鍵技術(shù)之一。為遏制煤礦井下超定員生產(chǎn)，避免或減少煤礦重特大事故發(fā)生，《煤礦安全規(guī)程》[15]規(guī)定，煤礦必須裝備礦井人員位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。煤礦井下人員定位系統(tǒng)在遏制煤礦井下和采掘工作面等重點(diǎn)區(qū)域超定員生產(chǎn)、重特大事故發(fā)生，搜尋遇險(xiǎn)遇難人員，防止人員進(jìn)入盲巷等危險(xiǎn)區(qū)域，控制作業(yè)人員超時(shí)下井，特種作業(yè)人員管理，領(lǐng)導(dǎo)下井帶班管理，持證上崗管理，井下作業(yè)人員考勤等方面發(fā)揮著重要作用。礦井人員和車輛精確定位技術(shù)還將用于防治違章乘坐膠帶，防止車輛傷人和車輛碰撞，煤礦井下膠輪車和電機(jī)車等無人駕駛等。

早期的煤礦井下人員定位系統(tǒng)主要采用RFID技術(shù)，不能定位，只能判別識(shí)別卡在哪個(gè)分站識(shí)別區(qū)。隨著煤礦井下人員定位技術(shù)的發(fā)展，先后研制成功基于ZigBee，UWB等技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，定位誤差由數(shù)十米、幾米發(fā)展到今天的0.2 m。

5G未來的定位目標(biāo)是定位精度1 m，但目前還沒有實(shí)現(xiàn)[16-17]。煤礦井下巷道及巷道中設(shè)備和車輛等會(huì)造成嚴(yán)重的多徑干擾。因此，沒有針對(duì)礦井動(dòng)目標(biāo)精確定位特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G定位精度低于礦用UWB精確定位系統(tǒng)。

9 450～6 000 MHz頻率范圍的礦用5G傳輸速率低于礦用WiFi6

第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)目前發(fā)布的5G標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍分為FR1(450～6 000 MHz)和FR2(24 250～52 600 MHz)[1-2，10-11]。在我國，F(xiàn)R1(450～6 000 MHz)頻率范圍的5G發(fā)展較快[1-2]。中國移動(dòng)的5G頻率范圍為2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz，最高上行傳輸速率為1.2 Gbit/s，最高下行傳輸速率為2.2 Gbit/s，已在地面應(yīng)用。中國聯(lián)通的5G頻率范圍為3 500～3 600 MHz，最高上行傳輸速率為1.2 Gbit/s，最高下行傳輸速率為2.2 Gbit/s，已在地面應(yīng)用。中國電信的5G頻率范圍為3 400～3 500 MHz，最高上行傳輸速率為1.2 Gbit/s，最高下行傳輸速率為2.2 Gbit/s，已在地面應(yīng)用。中國廣電的5G頻率范圍為702～798 MHz，未見有應(yīng)用報(bào)道。我國FR2(24 250～52 600 MHz)頻率范圍的5G還未劃分給運(yùn)營商，實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日，頻率范圍為24.75～27.5，37～42.5 GHz，最高上行傳輸速率為10 Gbit/s，最高下行傳輸速率為20 Gbit/s。

在煤礦井下，F(xiàn)R1(450～6 000 MHz)頻段同F(xiàn)R2(24 250～52 600 MHz)頻段相比，具有信號(hào)傳輸損耗低、無線傳輸距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，礦用5G無線工作頻段宜選用FR1(450～6 000 MHz)，以提高礦井無線傳輸距離和繞射能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少基站用量、降低組網(wǎng)成本和維護(hù)工作量。

WiFi6(802.11ax)的頻段為2.4 GHz和5 GHz，最高傳輸速率為9.6 Gbit/s。在FR1(450～6 000 MHz)頻率范圍內(nèi)，5G最高傳輸速率為1.2 Gbit/s(上行)和2.2 Gbit/s(下行)，WiFi6最高傳輸速率為9.6 Gbit/s[1]。顯然，在FR1(450～6 000 MHz)頻率范圍內(nèi)，WiFi6的傳輸速率高于5G。因此，沒有針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G性價(jià)比低于礦用WiFi6。時(shí)延要求不高的礦井視頻圖像監(jiān)視，宜選用礦用WiFi6，以降低成本和維護(hù)工作量。

10 帶式輸送機(jī)、供電、排水等固定設(shè)備監(jiān)控和地面遠(yuǎn)程控制宜選用有線傳輸

5G同其他常用無線通信系統(tǒng)相比，具有傳輸速率高、時(shí)延小、可靠性高、容量大等優(yōu)點(diǎn)。煤礦井下無線傳輸損耗受無線傳輸頻段，天線位置，巷道斷面、分支、彎曲、傾斜、支護(hù)和表面粗糙度，巷道中電纜、水管和鐵軌等縱向?qū)w，巷道中工字鋼等橫向?qū)w，巷道中膠輪車、電機(jī)車、帶式輸送機(jī)和機(jī)電設(shè)備等影響[1]。因此，沒有針對(duì)煤礦井下固定設(shè)備監(jiān)控特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G可靠性低于礦用有線監(jiān)控系統(tǒng)。帶式輸送機(jī)、供電、排水等固定設(shè)備監(jiān)控和地面遠(yuǎn)程控制，宜選用有線傳輸。

11 結(jié)論

煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體，礦井無線傳輸衰減大等特殊性，制約著5G直接在煤礦井下應(yīng)用。僅將地面5G產(chǎn)品進(jìn)行防爆改造的礦用5G，難以滿足煤礦智能化建設(shè)需求。因此，亟需針對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)特殊需求，研發(fā)礦用5G。

(1) 礦用5G宜采用本質(zhì)安全型防爆。礦用5G基站應(yīng)按同時(shí)工作的多個(gè)發(fā)射天線的最大總功率考核其防爆性能。應(yīng)考核礦用5G基站天線的等效電感(含分布電感)和等效電容(含分布電容)。對(duì)于發(fā)射功率軟件可調(diào)的礦用5G基站，調(diào)控發(fā)射功率的軟件應(yīng)固化，確保在正常工作和故障狀態(tài)下，最大發(fā)射功率不增大；不得因設(shè)備停電重啟、光纜斷纜、基站控制器損壞、交換機(jī)/路由器損壞、電磁干擾等，造成最大發(fā)射功率增大。無法保證最大發(fā)射功率不增大的軟件調(diào)控發(fā)射功率的礦用5G基站，應(yīng)按硬件最大發(fā)射功率考核其防爆性能。

(2) 用于控制的礦用5G應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在本質(zhì)安全防爆限制電容量和電感量的條件下，提高5G系統(tǒng)的抗干擾能力，是礦用5G亟需解決的技術(shù)難題。

(3) 采煤工作面無人或少人作業(yè)，宜采用機(jī)架聯(lián)動(dòng)+記憶割煤+地質(zhì)模型+地面遠(yuǎn)程控制方法。采用透霧透塵攝像機(jī)，解決采煤工作面視頻圖像不清晰問題。采煤工作面和掘進(jìn)工作面地面遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G。

(4) 煤礦井下車輛無人駕駛地面遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G，通過礦用車輛精確定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)車輛定位和導(dǎo)航，通過激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、熱像儀、攝像機(jī)、車載傳感器和巷道傳感器等感知車輛和周邊環(huán)境。

(5) WiFi礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)具有成本低等優(yōu)點(diǎn)。煤礦井下膠輪車和電機(jī)車等行駛速度受限，手機(jī)等移動(dòng)終端移動(dòng)速度較慢，WiFi礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)可滿足煤礦井下移動(dòng)通信需求。5G礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)具有手機(jī)種類多、語音通話質(zhì)量高、可用于快速移動(dòng)通信等優(yōu)點(diǎn)，但成本高。沒有針對(duì)礦井移動(dòng)通信特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G性價(jià)比低于礦用WiFi移動(dòng)通信系統(tǒng)。

(6) 礦用5G必須在井下敷設(shè)光纜。設(shè)置在煤礦井下的礦用5G基站、礦用5G基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器等均由井下電網(wǎng)供電。煤礦井下瓦斯超限停電和停風(fēng)停電，將影響礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)正常工作。當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板冒落、炸藥爆炸等事故時(shí)，會(huì)造成礦用5G基站和天線、礦用5G基站控制器、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/路由器等損壞，光纜斷纜。因此，礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)抗災(zāi)變能力遠(yuǎn)不如礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)，難以滿足應(yīng)急通信要求。嚴(yán)禁用礦用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。

(7) 礦用5G核心網(wǎng)在地面，控制整個(gè)系統(tǒng)工作。當(dāng)煤礦井下光纜斷纜或交換機(jī)/路由器故障，井下系統(tǒng)將癱瘓。甲烷超限或停風(fēng)后，非本質(zhì)安全防爆的5G基站、基站控制器和交換機(jī)/路由器等必須停電。因此，沒有針對(duì)煤礦安全監(jiān)控特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G不能替代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。

(8) 礦用UWB精確定位系統(tǒng)定位精度為0.2 m。5G未來的定位目標(biāo)是定位精度1 m，但目前還沒有實(shí)現(xiàn)。沒有針對(duì)礦井動(dòng)目標(biāo)精確定位特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G定位精度低于礦用UWB精確定位系統(tǒng)。

(9) 在FR1(450～6 000 MHz)頻率范圍內(nèi)，5G最高傳輸速率為1.2 Gbit/s(上行)和2.2 Gbit/s(下行)，WiFi6最高傳輸速率為9.6 Gbit/s，WiFi6的傳輸速率高于5G。因此，沒有針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G性價(jià)比低于礦用WiFi6。時(shí)延要求不高的礦井視頻圖像監(jiān)視，宜選用礦用WiFi6，以降低成本和維護(hù)工作量。

(10) 沒有針對(duì)煤礦井下固定設(shè)備監(jiān)控特點(diǎn)研發(fā)的礦用5G可靠性低于礦用有線監(jiān)控系統(tǒng)。帶式輸送機(jī)、供電、排水等固定設(shè)備監(jiān)控和地面遠(yuǎn)程控制，宜選用有線傳輸。