煤礦智能開(kāi)采初級(jí)階段問(wèn)題分析與5G應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

朱文剛

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)都發(fā)生了極大的變化，智能化技術(shù)對(duì)于各行各業(yè)都帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。智能化技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用處于初級(jí)階段，是煤炭產(chǎn)業(yè)變革的一個(gè)新的方向，是煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)。煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展主要方向是數(shù)據(jù)高效傳輸與有效利用，當(dāng)前煤礦智能化面臨的問(wèn)題主要是感知設(shè)備的可靠接入、智能終端低延時(shí)控制、大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸?shù)?。為了進(jìn)一步推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)智能化開(kāi)采的發(fā)展，本文著重分析了制約當(dāng)前煤礦產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展進(jìn)程的問(wèn)題，詳細(xì)的闡述了5G智能化關(guān)鍵技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤礦智能化;開(kāi)采;5G技術(shù);平臺(tái)建設(shè);

隨著5G技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，5G技術(shù)在各行各業(yè)都取得了突破性的進(jìn)展。煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化在之前就已經(jīng)提出，并且為了此目標(biāo)而奮斗，5G技術(shù)的到來(lái)為煤礦產(chǎn)業(yè)智能化帶來(lái)了曙光。但是，5G技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)智能化中起到什么作用，如何能夠?qū)?G技術(shù)更好的應(yīng)用到智能化開(kāi)采中，是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

一、當(dāng)前煤炭智能化開(kāi)采存在的問(wèn)題

（一）智能化開(kāi)采的局限性明顯

煤礦產(chǎn)業(yè)智能化通過(guò)多年的探索與實(shí)踐已經(jīng)取得了初步的成果，獲得了諸多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，主要有無(wú)人開(kāi)采技術(shù)、人-機(jī)協(xié)同巡視技術(shù)、智能化開(kāi)采裝備的研發(fā)等，但是，智能化開(kāi)采技術(shù)仍然處于初級(jí)階段。智能化開(kāi)采技術(shù)主要從三個(gè)方面敘述：感知環(huán)節(jié)、決策環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)。

目前，現(xiàn)有的傳感器可靠性差，容易損壞，且難以更換，感知的數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏。而智能化開(kāi)采主要依靠大量的感知數(shù)據(jù)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)雖然在一定程度解決了這個(gè)問(wèn)題，但是大量傳感器的無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)流量的管理等依然存在問(wèn)題。煤礦智能化的開(kāi)采系統(tǒng)是由諸多子系統(tǒng)組成的，不具備系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)能力和全局掌控的能力，不利于智能化開(kāi)采。某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)依靠軟件無(wú)法精準(zhǔn)的控制，新技術(shù)和裝備的使用不夠深入，使用中經(jīng)常需要維修，各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)匹配難度較大，不利于智能化開(kāi)采的發(fā)展。

（二）智能化技術(shù)保障差

智能化開(kāi)采的基礎(chǔ)是設(shè)備安全可靠，并且要達(dá)到自動(dòng)化、信息化，但是，當(dāng)前諸多基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵元部件、材料、精細(xì)化檢測(cè)、運(yùn)行維護(hù)、控制軟件等存在問(wèn)題。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，諸多煤礦企業(yè)的機(jī)械化開(kāi)采非常普遍，但是水平有限，設(shè)備的可靠性差，需要進(jìn)一步提高。智能化是建立在大數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)的，需要遠(yuǎn)程監(jiān)控得到可靠的數(shù)據(jù)，當(dāng)前是4G網(wǎng)絡(luò)傳輸，難以滿足快速傳輸?shù)囊螅?G技術(shù)的到來(lái)，正好解決了這一需求。當(dāng)前智能化開(kāi)采等位置服務(wù)系統(tǒng)欠缺，未來(lái)若是想要連續(xù)作業(yè)，需要配置路徑規(guī)劃管控系統(tǒng)和導(dǎo)航硬件系統(tǒng)。

（三）煤礦企業(yè)的工業(yè)控制軟件自主性差

雖然目前國(guó)內(nèi)對(duì)于智能化制造、人工智能的重視程度非常高，但是忽略了一個(gè)非常重要的工業(yè)基礎(chǔ)——工業(yè)控制軟件。前段時(shí)間，國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)華為等公司取消軟件授權(quán)，這件事應(yīng)該引起國(guó)內(nèi)的重視，若是煤礦產(chǎn)業(yè)的控制軟件被控，那么我國(guó)的能源安全將面臨巨大的、潛藏的危險(xiǎn)。因此，煤炭以及其它行業(yè)的工業(yè)控制軟件必須要做到可以自主控制。

（四）煤礦智能化技術(shù)應(yīng)用缺乏沉淀

煤礦產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的新技術(shù)主要有：人工智能化、云數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等，從目前煤礦產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，技術(shù)持有方缺乏行業(yè)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，而應(yīng)用方缺乏對(duì)技術(shù)的深入認(rèn)識(shí)，兩方缺乏深入的交流和磨合，最終導(dǎo)致技術(shù)的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用不足難以產(chǎn)生新的知識(shí)。例如，對(duì)現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)算法研究的人有很多，但是真正能夠踏踏實(shí)實(shí)的獲取數(shù)據(jù)的人較少，進(jìn)一步深入的研究信號(hào)源的特征獲取精確的數(shù)據(jù)的人更是鳳毛麟角，從海量的數(shù)據(jù)中清洗數(shù)據(jù)的人幾乎沒(méi)有。5G技術(shù)作為一種新的基礎(chǔ)技術(shù)，為其它技術(shù)的發(fā)展起到了高效、互聯(lián)互通的作用，但如何應(yīng)用到煤礦產(chǎn)業(yè)中還需要一步步的實(shí)踐。

二、5G技術(shù)在煤礦智能化應(yīng)用中的關(guān)鍵作用

根據(jù)前期的煤礦設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，5G技術(shù)在煤礦智能化開(kāi)采的應(yīng)用主要以以下五方面為主。①頂級(jí)專業(yè)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。5G系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需要考慮地面應(yīng)用需要、井下需要、內(nèi)外網(wǎng)的安全需要，建立好核心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，匹配好各個(gè)基站與應(yīng)用場(chǎng)景之間的關(guān)系，規(guī)劃好終端形式。②靈活配置多種網(wǎng)絡(luò)融合。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間并無(wú)矛盾，應(yīng)該是互補(bǔ)關(guān)系，合理的利用資源，使得信息高效互聯(lián)互通。③嚴(yán)格控制各個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。5G在延時(shí)方面具有天生的優(yōu)勢(shì)，信號(hào)通路的路由器會(huì)增加延時(shí)，因此，延時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂妻D(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)和數(shù)量。④優(yōu)先考慮工業(yè)控制安全。工業(yè)控制場(chǎng)景必須通過(guò)光纖直接連接各基站和承載網(wǎng)，不能采用跳轉(zhuǎn)的方法，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)時(shí)要著重思考工業(yè)控制網(wǎng)。⑤垂直應(yīng)用。5G設(shè)計(jì)主要有三大應(yīng)用場(chǎng)景：大寬帶的應(yīng)用、廣連接的應(yīng)用、低延時(shí)的應(yīng)用，煤礦企業(yè)5G技術(shù)的應(yīng)用可以根據(jù)這三大特點(diǎn)進(jìn)行單一或者組合開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮5G優(yōu)勢(shì)。

三、5G技術(shù)平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

1.微服務(wù)體系構(gòu)建

微服務(wù)主要應(yīng)用于單體。單體應(yīng)用于一般同業(yè)務(wù)邏輯重復(fù)，應(yīng)用的邊界不夠清晰，功能歸屬較為混亂，單體應(yīng)用的增加會(huì)使得開(kāi)發(fā)、部署、測(cè)試與維護(hù)變得異常困難。因此，需要重新部署與規(guī)劃各個(gè)系統(tǒng)的公共服務(wù)，只獲取所需要的數(shù)據(jù)，整個(gè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化，提升系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

2.邊緣計(jì)算的應(yīng)用

邊緣計(jì)算主要是為了快速的服務(wù)響應(yīng)與更加安全的數(shù)據(jù)保護(hù)。煤礦行業(yè)存在著大量的實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于安全的要求特別高，若在未來(lái)大規(guī)模的應(yīng)用智能設(shè)備，多數(shù)計(jì)算與決策將在終端完成，就需要應(yīng)用5G技術(shù)將煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)、管理控制系統(tǒng)重新規(guī)劃與梳理，打造更加安全的智能應(yīng)用。

3.網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)切片是5G技術(shù)的核心價(jià)值所在，以共享無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對(duì)特定的業(yè)務(wù)提供精準(zhǔn)的服務(wù)。煤礦產(chǎn)業(yè)的場(chǎng)景較為復(fù)雜，擁有幾百個(gè)子系統(tǒng)，且各個(gè)系統(tǒng)的需求差異較大，采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，提高網(wǎng)絡(luò)智能化水平，保持業(yè)務(wù)分隔，充分的保障業(yè)務(wù)的安全。

4.5G智能終端的研發(fā)

5G智能化的根基是5G技術(shù)的智能終端，為了確保5G技術(shù)的成熟，國(guó)家予以重視，并且大力支持，為5G技術(shù)服務(wù)實(shí)體經(jīng)濟(jì)奠定堅(jiān)固的基礎(chǔ)。但國(guó)內(nèi)的技術(shù)積累不夠，場(chǎng)景的應(yīng)用模糊。因此，煤礦行業(yè)需要積累智能手持終端、無(wú)人運(yùn)輸車(chē)、虛擬開(kāi)采等技術(shù)，逐漸形成自己的核心技術(shù)，為智能化開(kāi)采服務(wù)。

5.5G應(yīng)用場(chǎng)景的算法與軟件研發(fā)

智能化開(kāi)采與以往的機(jī)械化開(kāi)采是一個(gè)質(zhì)的飛躍，將原始數(shù)據(jù)提取并凝練成“信息”，而不是原始的“信號(hào)”，通過(guò)感知提前制定計(jì)劃，而不是實(shí)時(shí)決策控制，這個(gè)過(guò)程中算法與軟件的研發(fā)特別重要，這是未來(lái)智能化的基本要求，也是當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G技術(shù)在煤礦智能化的研發(fā)與應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走，用好5G技術(shù)，能夠更好的推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)智能化的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 王國(guó)法， 趙國(guó)瑞， 任懷偉. 智慧煤礦與智能化開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2019， 44（01）：34-41.

[2] 苗鑫. 關(guān)于煤炭智能化開(kāi)采模式及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)， 2020， No.302（09）：145+147.

[3] 張優(yōu)訓(xùn). 5G關(guān)鍵技術(shù)及其在智慧能源行業(yè)應(yīng)用探討[J]. 輕松學(xué)電腦， 2019， 000（011）：1-2.

[4] 康紅普， 姜鵬飛. 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目"煤礦千米深井圍巖控制及智能開(kāi)采技術(shù)"（編號(hào)：2017YFC0603000）進(jìn)展摘要[C]// 2018年中國(guó)地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（四十二）——專題91：地球科學(xué)社會(huì)責(zé)任、專題92：深地資源勘查開(kāi)采年度進(jìn)展. 2018.

山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司杭州辦事處 浙江汾西物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司