5G技術(shù)在煤礦智能化中的運用研究

＊武喜章

（太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司 山西 030303）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和進步，煤礦行業(yè)發(fā)展速度也在不斷增快。在煤炭采掘時期，需要積極地創(chuàng)新各項核心的技術(shù)，持續(xù)地提升工業(yè)信息化水平，促進自身的產(chǎn)業(yè)升級。本文分析了5G技術(shù)背景下煤礦智能化開采技術(shù)，創(chuàng)新傳統(tǒng)采掘方式和信息化管理，5G技術(shù)的應用可以給煤炭企業(yè)帶來更多的效益，促進煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.智能化建設時期存在的問題

(1)信息孤島問題

在進行煤礦智能化建設的時候，要防止產(chǎn)生信息孤島的情況。由于生產(chǎn)工藝種類較多，進而容易產(chǎn)生局部自動化的獨立島。獨立島中自動化水平較高，不過各個島之間的聯(lián)系較少，存在的關系比較弱，難以有效地完成信息的共享，在信息管理時期需要借助人力資源來落實，進而無法充分地顯示出基礎自動化的作用。如今現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展速度持續(xù)增快，在生產(chǎn)和經(jīng)營管理時期，都開始積極地完成人工向自動化的轉(zhuǎn)型，存在的要求也在持續(xù)提升，相關的數(shù)據(jù)信息變得越來越多。相關的自動化不能夠是獨立島形式的機電一體化，需要做到完整統(tǒng)一的整體。

(2)標準化問題

為了提升機電自動化程度，就需要先保障煤礦生產(chǎn)的標準化。生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程的標準化是自動化的主要保障，在設置礦山自動化系統(tǒng)的時候，需要確保系統(tǒng)具備高質(zhì)量的標準化程度。例如皮帶自動化，要是沒有合理的措施來應對皮帶問題，對于皮帶的集中控制會受到一定的影響，各個皮帶轉(zhuǎn)載點的人員沒有及時地進行撤除，還是需要時刻處于自身的崗位中，要及時地減少損失，防止由于大塊和異物等問題造成皮帶損傷或者是堵塞的情況?，F(xiàn)階段皮帶異物識別系統(tǒng)得到了社會各界的高度重視，這個系統(tǒng)能夠幫助工作人員在崗位上進行監(jiān)控，如果產(chǎn)生問題還是需要讓工作人員來進行維護。因此需要在源頭進行控制，選擇合理的方法來防止大塊的煤炭和異物在皮帶上運行。其中可以選擇標準化的割煤措施來防止產(chǎn)生大塊的情況，選擇標準化的工作流程也能夠更好地保障煤炭質(zhì)量。所以在開展自動化建設的時候，需要先仔細地分析標準化工作的實際情況，避免造成消極的影響。

(3)管理問題

在建設煤礦智能化的時候，礦山?jīng)Q策層沒有一個清楚的理念，智能化建設過于形式化，雖然我國政府部門都開始積極地設置標準來促進智能化礦山建設的順利進行，不過在企業(yè)中的落實效果較差，沒有一個整體的規(guī)劃建設方向，自動化系統(tǒng)過于獨立，各個部門之間的職能存在重合的情況，信息共享能力較差，如此也難以發(fā)揮智能化礦山的作用和價值。在建設智能化礦山的過程中，需要正確整合各個部門，礦山智能化包括較多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因此需要促進各個系統(tǒng)的信息共享，給生產(chǎn)和經(jīng)營管理決策提供更加全面的信息。對于各個部門來說要積極地進行整合，建設統(tǒng)一的調(diào)度指揮管理中心，隨著智能化礦山的持續(xù)推廣，越來越多的人員開始重視管理工作，研究相關的管理問題，使得礦山生產(chǎn)質(zhì)量可以得到更加可靠的保障。

2.5G技術(shù)及優(yōu)勢

5G技術(shù)，也就是第5代移動通信系統(tǒng)技術(shù)。與以往的第2代、第3代、第4代等單一的無線接入技術(shù)相比，5G技術(shù)有著特殊優(yōu)勢，是全新的無線接入技術(shù)高度融合的重要技術(shù)類別，也是現(xiàn)階段最新的通信技術(shù)類型，在全世界范圍內(nèi)受到了社會各界人士的廣泛關注。在5G技術(shù)的應用過程中，5G技術(shù)能夠應對多樣化場景下極端的、各式各樣的差異化性能需求，用各式各樣的技術(shù)糅合解決傳統(tǒng)模式下某單一技術(shù)為基礎的所有場景解決方案存在的不足。也就是說，5G技術(shù)創(chuàng)新來源于5G技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)兩方面的高效融合，在無線技術(shù)領域，大規(guī)模的天線陣列技術(shù)、多址技術(shù)、全頻譜接入技術(shù)等成為5G關鍵技術(shù)的重要內(nèi)容，而在網(wǎng)絡技術(shù)領域，基于軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化架構(gòu)的模式，已然受到5G技術(shù)創(chuàng)新升級研究人員的關注與重視。此外，基于5G移動網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的濾波正交頻分復用技術(shù)甚至靈活雙工技術(shù)、終端直通技術(shù)等也成為5G技術(shù)的關鍵內(nèi)容。5G技術(shù)的應用使得第5代網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的性能得到大幅度優(yōu)化和提升。與前幾代無線通信技術(shù)相比，5G移動網(wǎng)絡通信技術(shù)具有頻譜更寬、時延更低、可靠性更強、安全性更高、傳輸速率更快以及傳輸容量更大等諸多優(yōu)勢。

3.以5G技術(shù)的煤礦智能化開采技術(shù)的具體內(nèi)容

(1)通信技術(shù)發(fā)展和煤礦開采的關系

對于煤炭行業(yè)來說煤礦開采技術(shù)和實踐是比較重要的，煤礦生產(chǎn)的智能化和自動化程度也在不斷提升，通過對煤礦開采行業(yè)發(fā)展情況的分析可以看出，通信技術(shù)直接影響技術(shù)升級，于通信技術(shù)的使用有助于促進開采技術(shù)的發(fā)展和進步，進而實現(xiàn)智能化的無人開采。在多源傳輸和融合控制時期，對于先進技術(shù)的引進得到了相關企業(yè)的高度重視，達到自主創(chuàng)新的目的。

(2)以5G技術(shù)為基礎的智能化開采發(fā)展形勢

采煤技術(shù)是煤礦生產(chǎn)作業(yè)時期的重要技術(shù)，通過使用這項先進的技術(shù)能夠促進煤礦生產(chǎn)建設關鍵技術(shù)的發(fā)展和進步。在煤礦開采時期，借助5G技術(shù)生態(tài)，可以促進智能化無人開采技術(shù)的推廣和使用，技術(shù)突破的主要方向就是多源數(shù)據(jù)的融合和精準的定位，保障煤礦智能化開采技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

①由于存在較多的影響因素，井下綜合開采作業(yè)面和掘進作業(yè)面會受到較大的影響，所以通過使用5G技術(shù)可以更好地部署性能良好的傳感器，獲取更加全面的數(shù)據(jù)信息。在當前時期，借助5G技術(shù)，可以正確布置大量高清攝像頭的信息回轉(zhuǎn)，獲取更加高清的視頻信息，實現(xiàn)對于工作面環(huán)境的分析，保障工作人員的人身安全。其中可以給各項設備的使用提供一定的參考，而且能夠為智能決策以及控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

②5G技術(shù)的主要特點就是可靠性較高，延遲較低，采煤機在運行的時候，為了控制采煤機的速度和姿態(tài)，增強煤巖識別能力，各項動作和判定需要在邏輯控制程序中完成，空口時延以及端對端時延需要達到毫秒的級別，要有著較高的可靠性。在煤礦開采時期通過使用5G技術(shù)，可以提升設備運行的準確性和可靠性，使得各項設備在使用的過程中實現(xiàn)智能聯(lián)動。

③在使用5G網(wǎng)絡的過程中，可以選擇借助切片技術(shù)完成對于物理網(wǎng)絡的分隔，建立多個單獨存在的虛擬網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡可以適用于煤礦智能化開采的不同場景，在這個時期，借助移動邊緣計算技術(shù)，可以保障煤炭開采更加順利地進行。

4.5G技術(shù)下煤礦智能化的具體使用

(1)以5G技術(shù)為基礎的精確定位和應用服務

煤礦行業(yè)在進行生產(chǎn)運營的時候，井下定位操作就是以藍牙和超寬帶等無線傳輸技術(shù)來進行各項工作。這部分無線傳輸技術(shù)切換時間比較長，覆蓋的范圍有限，寬度不高，在運行的時候難以避免產(chǎn)生這些問題。因此在生產(chǎn)經(jīng)營的時候，容易影響到定位的準確性，工作人員無法做出正確的判斷和合理的決策。由于這些工作需要設置有關的基礎設施，定位信息的實時性難以得到保障。5G技術(shù)的主要優(yōu)勢就是延時低，以5G技術(shù)為基礎的井下定位工作，可以實現(xiàn)準確的定位，獲取精確度更高的信息，可以幫助工作人員做出合理的判斷和決策，進而促進煤炭行業(yè)的發(fā)展。在這個時期，相關的服務系統(tǒng)也需要重視對于5G技術(shù)的使用，實現(xiàn)實時監(jiān)控和有效的管理，增強對于井下車輛的管理，提升開采推進的準確性。如此以5G技術(shù)為基礎的精確定位和應用服務不僅能夠保障煤炭行業(yè)的高效運行，而且可以顯著減少整體的生產(chǎn)成本。

(2)以5G技術(shù)為基礎的井下遠程維護操作

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，在井下遠程監(jiān)控和運營維護時期，無線技術(shù)得到了廣泛的使用。在未來發(fā)展過程中，煤礦井下裝備設備將更加完善，整體的智能化程度也會顯著提升。其中傳統(tǒng)的運營維護工作，相關的工作人員難以獨立完成井下維修工作，為了保障運營維護工作的順利進行，需要聘請專家來負責，經(jīng)過專家的遠程協(xié)助，幫助工作人員來實時的操作，共同完成工作任務。5G技術(shù)有著較多的優(yōu)勢，可以把井下現(xiàn)場的音頻信息及時地傳遞給遠端的專家，給遠端的專家提供更加清楚的信息。不僅如此，也能夠把有關的虛擬模型圖像傳遞到現(xiàn)場設備中開展虛擬操作，借助虛擬交互遠程專家和現(xiàn)場工作人員實現(xiàn)同步的操作。在特殊的情況下，能夠選擇借助智能的機器人幫助工作人員在井下開展運營維護工作。

(3)以5G技術(shù)為基礎的井下安全巡檢和防護工作

井下安全防護工作直接影響著工作人員的生命安全和煤礦工作區(qū)的財產(chǎn)安全，為了保障煤礦行業(yè)保持良好的發(fā)展狀態(tài)，就需要正確進行井下安全巡檢防護工作。使用5G技術(shù)能夠在井下實現(xiàn)精確的實時定位，借助高速數(shù)據(jù)傳輸實時的情況，而且會選擇借助端對端物聯(lián)來增強巡檢效果，進行全面的防護。例如選擇使用5G網(wǎng)絡來準確地定位井下的工作人員和設施設備，之后把各項信息數(shù)據(jù)傳遞給有關的部門和工作人員。該系統(tǒng)具備主動推送功能，能夠針對移動終端設備開展自動識別操作，按照相關的需求來把信息數(shù)據(jù)傳遞給相關的部門，保障井下安全巡檢防護工作能夠更加順利地進行。能夠看出，在井下安全巡檢防護時期，借助5G技術(shù)可以提升整體工作的安全性和可靠性，而且能夠帶來更多的經(jīng)濟效益。

(4)以5G技術(shù)為基礎的生產(chǎn)遠程控制

在開展井下工作的時候，經(jīng)營人員可以掌握的大多數(shù)信息主要來自數(shù)據(jù)的上傳下達，相關的指令層層傳遞給有關的部門。對于5G技術(shù)的使用，能夠幫助各部門獲取更加準確的信息，保障信息傳遞的實時性，而且可以增強對于各個部門工作的監(jiān)督和管理，掌握井下生產(chǎn)的實際情況，及時地找出存在的各項問題，選擇合理的措施進行應對，保障井下工作安全，進而促進煤礦行業(yè)的發(fā)展和進步。

(5)以5G技術(shù)為基礎的綜采工作面應用

常規(guī)綜采工作面設備通常包括：采煤機、刮板輸送機、液壓支架、轉(zhuǎn)載機及超前支架、視頻監(jiān)控等，除去安全監(jiān)測、人員定位、通風、供水、供風等系統(tǒng)，總設備數(shù)量仍將數(shù)以幾百計。因此，為實現(xiàn)綜采工作面設備聯(lián)機集中控制、故障監(jiān)測、遠程精確控制、自動化運行等系統(tǒng)功能，需要對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行整合分析，在更短的時間內(nèi)完成各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)與5G通信技術(shù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是實時采集和傳輸綜采設備運行情況，目前井下常用的防爆攝像機性能較差，在煤礦井下惡劣的生產(chǎn)條件下，經(jīng)常出現(xiàn)被煤塵覆蓋降低清晰度和照射范圍的情況，不能全面展現(xiàn)工作面實時情況，且維護起來費時費力。煤礦井下綜采工作面光線復雜昏暗、粉塵懸浮、溫濕度較大，近年來隨著科學技術(shù)的發(fā)展，4k高清網(wǎng)絡攝像機逐漸成為行業(yè)熱點，但4k高清攝像機需要更高的網(wǎng)絡傳輸帶寬（一般情況下4k圖像需要6～8Mb/s的帶寬，經(jīng)不同的編碼格式編碼后可降低帶寬需求），無論是RF射頻信號、WiFi還是4G均難以滿足高清視頻的帶寬需求。5G作為更先進的網(wǎng)絡技術(shù)，完全能夠滿足高清視頻監(jiān)控圖像傳輸?shù)男枨?。以華為5G CPE終端設備Pro版為例，數(shù)據(jù)傳輸上行峰值：250Mb/s；下行峰值：1.65Gb/s，在滿足高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，仍有足夠的帶寬支持通話、視頻、數(shù)據(jù)交換、遠程控制等多種數(shù)據(jù)業(yè)務。

利用5G建立綜采工作面“一張網(wǎng)”。綜采工作面設備眾多，各個功能的綜合自動化子系統(tǒng)獨立運行，互不關聯(lián)，每個系統(tǒng)都是獨立的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡維護量大且情況復雜。煤礦井下工作面采煤機、轉(zhuǎn)載機、刮板運輸機等各個綜合自動化子系統(tǒng)都建有單獨的局域網(wǎng)絡，很難進行數(shù)據(jù)交互，為綜合自動化集成平臺建設實現(xiàn)遠程精準控制，多系統(tǒng)聯(lián)動、預警報警等戰(zhàn)略目標造成困難。

綜采工作面的網(wǎng)絡建設通常采用環(huán)形或樹形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。這種類型的結(jié)構(gòu)布線容易，增加設備方便，但傳輸效率受限于傳輸介質(zhì)容量，故障診斷和隔離比較困難。煤礦井下綜采工作面自動化、智能化就需要對傳統(tǒng)的井下網(wǎng)絡進行改造，建立以5G為核心的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，對綜采工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機控制系統(tǒng)、刮板機控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機控制系統(tǒng)等進行網(wǎng)絡整合。5G技術(shù)網(wǎng)絡兼容性強，能夠在不改變原有井下網(wǎng)絡條件的基礎上進行升級改造，節(jié)省網(wǎng)絡建設更新?lián)Q代成本，避免資源浪費，提升管理效率。

建設“一張網(wǎng)”需要對不同的系統(tǒng)進行融合（見圖1），提高數(shù)據(jù)傳輸和交換效率。通過在綜采工作面建設5G基站達到上接井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，下接綜采工作面綜合自動化和高清視頻監(jiān)控等系統(tǒng)如圖1所示，完成對井下綜采工作面的無線網(wǎng)絡覆蓋，實現(xiàn)對綜采工作面視頻數(shù)據(jù)的無線采集監(jiān)測和對綜采工作面液壓支架、采煤機、刮板機的數(shù)據(jù)無線采集和遠程控制，實現(xiàn)工作面各個系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行，釋放人力，降低成本。

圖1 綜采工作面“一張網(wǎng)”

5.結(jié)束語

現(xiàn)階段煤礦業(yè)發(fā)展速度持續(xù)增快，從傳統(tǒng)的人工開采發(fā)展成了智能化的煤礦開采，煤礦行業(yè)的科學水平也在不斷提升，在煤礦行業(yè)發(fā)展時期，要想更好地應對各項機遇和挑戰(zhàn)，就需要合理地使用5G技術(shù)。通過5G技術(shù)的使用，增強煤礦生產(chǎn)經(jīng)營能力和安全監(jiān)管能力，提升煤礦行業(yè)的生產(chǎn)效率，保障煤礦安全的安全發(fā)展。