5G移動(dòng)通信技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用研究

魏海龍

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的全面發(fā)展，5G移動(dòng)通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中。將5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用在煤礦智能化發(fā)展體系中可以替代傳統(tǒng)管理模式，優(yōu)化煤礦行業(yè)工作效率，創(chuàng)設(shè)更加安全的管理氛圍，保證煤礦行業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)在煤礦智能化中應(yīng)用的可行性分析

5G移動(dòng)通信技術(shù)基于其多樣化場(chǎng)景應(yīng)用特點(diǎn)，能利用大規(guī)模天線列陣技術(shù)、多址技術(shù)、全頻譜接入技術(shù)等建立相應(yīng)的虛擬化架構(gòu)，從而更好地滿足技術(shù)應(yīng)用要求，維護(hù)煤礦智能化發(fā)展的科學(xué)性和合理性。

1.1 網(wǎng)絡(luò)布置的可行性

從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)的層面分析，我國煤礦智能化發(fā)展體系根據(jù)井下空間環(huán)境布置了4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并配合Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)全覆蓋應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)1 500 m的結(jié)構(gòu)覆蓋，而利用5G移動(dòng)通信技術(shù)可以建立基于宏基站或者是微基站2種結(jié)構(gòu)類型的應(yīng)用控制體系。宏基站設(shè)備的容量參數(shù)更大且發(fā)射功率更強(qiáng)，但是受限于自身技術(shù)要求，不適用于井下作業(yè)的封閉空間環(huán)境；微基站設(shè)備容量小且有效距離只能維持在500 m范圍內(nèi)[1]。要想進(jìn)一步發(fā)揮5G移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用，就要將5G移動(dòng)通信技術(shù)和基站布設(shè)模式作為研究對(duì)象（見圖1），提升4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)寬帶速率的同時(shí)，最大程度地發(fā)揮5G移動(dòng)通信技術(shù)低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)作用。具體而言，相較于4G技術(shù)體系，5G移動(dòng)通信技術(shù)方案更加利于技術(shù)應(yīng)用，配合基站的布設(shè)和處理可以提升井下空間長時(shí)間作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

圖1 5G移動(dòng)通信技術(shù)微基站布置示意

1.2 井下作業(yè)空間特性

探討5G移動(dòng)通信技術(shù)是否適用于煤礦智能化發(fā)展環(huán)境的主要原因是井下作業(yè)具有一定的特殊性，相較于地面空間的5G移動(dòng)通信系統(tǒng)，井下基站部署位置、無線傳輸方式都會(huì)受到周圍因素的影響。一方面，井下作業(yè)空間有限，信號(hào)傳遞的距離就會(huì)隨之延長，甚至?xí)蚍种л^多而對(duì)信息的直接傳遞造成制約作用。另一方面，井下空間受干擾的頻率較高，多分層、多瓦斯等特性也會(huì)對(duì)實(shí)際工作效果產(chǎn)生影響，尤其高頻狀態(tài)下造成移動(dòng)通信無線信號(hào)快速衰減。借助5G移動(dòng)通信超密集組網(wǎng)技術(shù)或是其他的微基站技術(shù)應(yīng)用控制結(jié)構(gòu)，就能第一時(shí)間獲取網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)核心技術(shù)架構(gòu)內(nèi)容，保證商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)效能的最優(yōu)化。

1.3 技術(shù)特質(zhì)

在煤礦智能化發(fā)展體系中，應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)以及濾波正交頻分復(fù)用體系，配合終端直通技術(shù)模塊，可以搭建功能性更強(qiáng)、應(yīng)用效果更突出的控制模式。該控制模式時(shí)延更低且可靠性更高，從而可以搭建完整的傳輸平臺(tái)，維持信息監(jiān)督控制的合理性，并為煤礦智能化應(yīng)用服務(wù)效果的優(yōu)化提供保障，降低信息傳遞交互的難度[2]。

綜上所述，5G移動(dòng)通信技術(shù)在煤礦智能化發(fā)展中具有一定的推廣可行性。

2 5G移動(dòng)通信技術(shù)在煤礦智能化中應(yīng)用的具體方案

在煤礦智能化中，根據(jù)5G移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)更加可控合理的技術(shù)方案，從而搭建相應(yīng)的技術(shù)處理平臺(tái)，發(fā)揮出5G移動(dòng)通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而維持智能化應(yīng)用效果和水平，創(chuàng)設(shè)更加多元科學(xué)的煤礦智能化管理應(yīng)用平臺(tái)。

2.1 高精準(zhǔn)定位和應(yīng)用

在5G移動(dòng)通信技術(shù)體系中，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是非常關(guān)鍵的組成部分。將統(tǒng)籌化網(wǎng)絡(luò)切割為不同的單網(wǎng)應(yīng)用模式，從而配合行業(yè)應(yīng)用需求，建立更加具有針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)傳輸處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)物理空間的劃分，確保不同虛擬網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)能為煤礦智能化發(fā)展應(yīng)用提供多元的服務(wù)。在應(yīng)用5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的基礎(chǔ)上，就能開發(fā)出不同服務(wù)需求的功能模塊，強(qiáng)化虛擬空間傳輸結(jié)構(gòu)、寬帶運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿撵`活性管理，為網(wǎng)絡(luò)多元化應(yīng)用場(chǎng)景的具體功能提供保障。

首先，結(jié)合5G移動(dòng)通信技術(shù)高精準(zhǔn)定位特點(diǎn)，建立應(yīng)用服務(wù)針對(duì)性技術(shù)模型，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)煤礦井下定位依賴藍(lán)牙的局面，打造更加靈活的專業(yè)控制體系。該體系無須獨(dú)立設(shè)置基礎(chǔ)設(shè)施，配合切片處理就能打造更加可控的傳輸單元，維持傳輸?shù)募皶r(shí)性和準(zhǔn)確性。

其次，結(jié)合5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用要求，發(fā)揮技術(shù)低時(shí)延的特點(diǎn)，開發(fā)更加精準(zhǔn)且適用于煤礦井下作業(yè)智能化發(fā)展的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將井下定位和應(yīng)用服務(wù)予以融合，保證智能化技術(shù)處理效能最優(yōu)化，并提高信息傳輸和指導(dǎo)的實(shí)時(shí)性水平[3]。

最后，在應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)的過程中，配合網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用要求，對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境、資源開采車輛管控、煤礦開采路線以及煤礦開采工作運(yùn)行進(jìn)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)性關(guān)注和控制，從而推進(jìn)精準(zhǔn)管理項(xiàng)目發(fā)展進(jìn)程，保證智能化應(yīng)用管理平臺(tái)效果符合預(yù)期。

2.2 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

目前，遠(yuǎn)程控制技術(shù)受到了更多的關(guān)注，將其應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中能大大提升工作的效率，及時(shí)建立信息傳輸和信息交互管理平臺(tái)，減少延遲造成的影響，并最大程度上滿足多元信息管理的要求。而在煤礦智能化應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用遠(yuǎn)程控制，就能為開采和智能化建設(shè)提供良好的保障。相較于傳統(tǒng)煤礦遠(yuǎn)程控制建立的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和路由傳感器設(shè)備處理，基于5G移動(dòng)通信技術(shù)建立的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性控制體系，能針對(duì)井下空間結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安全、實(shí)時(shí)性特點(diǎn)、員工操作安全等建立更加具有針對(duì)性的控制[4]。

2.2.1 生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制

結(jié)合5G移動(dòng)通信技術(shù)，完成實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸和煤炭資源開發(fā)目標(biāo)，維持安全管理效果，并建構(gòu)更加貼合煤礦智能化開采運(yùn)營的技術(shù)體系。該體系充分利用5G移動(dòng)通信技術(shù)多元決策控制架構(gòu)，將實(shí)時(shí)性地理信息、開采信息與生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制模塊連接，并配合三維虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)，共同提高工作精準(zhǔn)性。遠(yuǎn)程架構(gòu)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程架構(gòu)示意

2.2.2 井下遠(yuǎn)程控制

將5G移動(dòng)通信技術(shù)與煤礦智能化精細(xì)空間應(yīng)用場(chǎng)景聯(lián)系在一起，配合遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維工作，提升煤礦井下作業(yè)監(jiān)督管理的基本水平，并維持應(yīng)用效能的最優(yōu)化，真正搭建基于5G移動(dòng)通信技術(shù)的場(chǎng)景結(jié)構(gòu)[5]。

結(jié)合煤礦資源井下開采內(nèi)容，充分發(fā)揮5G移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用。搭建完整且可控的技術(shù)管理平臺(tái)，并且確保資源分配和資源應(yīng)用處理效能最優(yōu)化，維持整體運(yùn)行管控的水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決，提高智能化管理的及時(shí)性。

由于井下作業(yè)空間有限，因此井下設(shè)備智能化發(fā)展將向著體積縮小、功能延展的方向發(fā)展，對(duì)應(yīng)的裝備系統(tǒng)架構(gòu)就會(huì)越來越復(fù)雜，而傳統(tǒng)單一化的運(yùn)維管理機(jī)制無法滿足設(shè)備的實(shí)際運(yùn)維需求。只有建立基于5G移動(dòng)通信技術(shù)的信息實(shí)時(shí)性管理機(jī)制，配合遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)才能輔助管理設(shè)備的運(yùn)維要點(diǎn)，維持規(guī)范控制效果。例如，建立基于5G移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)匯總，將井下空間現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息、音頻數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行統(tǒng)籌管理，配合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、專家系統(tǒng)等建立機(jī)器人替代人工開展運(yùn)維工作的模式，保證運(yùn)維細(xì)節(jié)更加準(zhǔn)確和規(guī)范[6]。

2.3 建立虛擬交互平臺(tái)

對(duì)于煤礦智能化發(fā)展工作而言，5G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用還能促進(jìn)虛擬交互功能的進(jìn)步，建立虛擬交互平臺(tái)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合，建立相匹配的三維建?？刂企w系，發(fā)揮5G移動(dòng)通信三維建模技術(shù)模塊優(yōu)勢(shì)作用，更好地實(shí)現(xiàn)虛擬管理。

虛擬交互平臺(tái)中，基于5G移動(dòng)通信技術(shù)中的虛擬交互模塊，升級(jí)傳統(tǒng)煤礦資源開采模式，配合三維建模和虛擬展示過程，就能打造可視化設(shè)計(jì)體系。配合現(xiàn)實(shí)與云端實(shí)時(shí)性渲染處理單元，真正意義上降低開采工作的難度，確保井下空間煤礦資源開采工作能滿足數(shù)字化實(shí)時(shí)性技術(shù)要求，并貼合低時(shí)延的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，打造科學(xué)、安全、可靠的煤礦開采方案。

此外，利用5G移動(dòng)通信虛擬交互應(yīng)用模塊，可以構(gòu)造較為科學(xué)規(guī)范的應(yīng)用平臺(tái)，維持智能化處理水平的同時(shí)，保證煤礦智能化開采工作都能按照設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)逐步落實(shí)[7]。

2.4 井下巡檢

對(duì)于煤礦智能化作業(yè)而言，不僅要對(duì)具體作業(yè)細(xì)節(jié)予以關(guān)注，也要建立完整且規(guī)范的巡檢管理機(jī)制，從而落實(shí)相匹配的安防措施，最大程度上規(guī)避安全隱患因素留存對(duì)整個(gè)煤礦開采作業(yè)產(chǎn)生的影響，維持安全效能。而借助5G移動(dòng)通信技術(shù)方案建立的井下巡檢機(jī)制，基于5G移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸和智能定位等功能模塊，保證巡檢的高效性和安防管理的針對(duì)性，避免受到外界因素對(duì)安防規(guī)劃產(chǎn)生的負(fù)面影響，提高井下作業(yè)整體的安全水平。

一方面，應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)建立安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)分析模式，結(jié)合分享機(jī)制，確保井下空間裝備以及運(yùn)行現(xiàn)狀、工作人員情況等都能在統(tǒng)籌規(guī)劃范圍內(nèi)，并保證信息共享工作能有序開展，維持階段性統(tǒng)籌管理工作的基本水平。另一方面，智能終端技術(shù)以維護(hù)管理作為基礎(chǔ)單元，在建立數(shù)據(jù)評(píng)估模式的同時(shí)，打造更高效、更可靠的煤礦開采應(yīng)用平臺(tái)，為煤礦智能化發(fā)展提供支持[8]。

2.5 工藝智能化發(fā)展

傳統(tǒng)的煤礦智能化建設(shè)體系受到寬帶和實(shí)時(shí)性等參數(shù)的限制，信息處理能力一般，加之設(shè)備狀態(tài)信息傳遞的較少，導(dǎo)致信息控制存在一定的滯后性，不能及時(shí)獲取相應(yīng)設(shè)備的位置信息和姿態(tài)信息，對(duì)采礦工藝設(shè)備之間的智能協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)管理產(chǎn)生影響。而應(yīng)用了煤礦智能化應(yīng)用控制模式，能最大程度上打造綜采實(shí)時(shí)性智能管理，并結(jié)合信息數(shù)據(jù)建立統(tǒng)籌兼顧的應(yīng)用模式，為生產(chǎn)工作安全有序開展提供保障。

一方面，依據(jù)5G移動(dòng)通信技術(shù)低時(shí)延的特性，建立相應(yīng)的精準(zhǔn)定位模式，確保井下車輛智能管理控制工作都能順利落實(shí)，智能化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制模式確保實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)工作能順利開展，提高工藝智能化水平。另一方面，配合煤炭開采的應(yīng)用要求，建立微服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)模式（見圖3）。針對(duì)不同應(yīng)用和需求，確保體系建設(shè)工作能順利展開，最大程度上建構(gòu)業(yè)務(wù)模型，并為組件化、服務(wù)化以及去中心化應(yīng)用效果的提高予以支持，最大程度上構(gòu)建安全可靠的微服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)[9]。

圖3 智能平臺(tái)架構(gòu)

2.6 危險(xiǎn)源智能感知

將5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用在煤礦智能化危險(xiǎn)源感知體系中，能建立更加精準(zhǔn)的預(yù)警分析體系，規(guī)避傳統(tǒng)技術(shù)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型單一以及精準(zhǔn)度不足的問題。同時(shí)，確保危險(xiǎn)源感知環(huán)節(jié)、識(shí)別環(huán)節(jié)、預(yù)警環(huán)節(jié)以及控制環(huán)節(jié)形成閉環(huán)管理模式，發(fā)揮5G移動(dòng)通信技術(shù)低時(shí)延的特點(diǎn)，打造更加科學(xué)規(guī)范的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，確保監(jiān)測(cè)方案的最優(yōu)化。此外，配合5G移動(dòng)通信技術(shù)的監(jiān)控技術(shù)內(nèi)容，能建立各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)互通互聯(lián)的管控體系，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，維持礦井5G移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)的平衡，并最大程度上提高煤礦智能化發(fā)展的效率[10]。

3 結(jié) 論

5G移動(dòng)通信技術(shù)在煤礦智能化系統(tǒng)中的應(yīng)用是基于技術(shù)特點(diǎn)打造更加靈活的虛擬交互服務(wù)平臺(tái)，滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性監(jiān)控、井下運(yùn)維管理、井下巡檢、安全防護(hù)措施制定等工作要求，更好地提高煤礦智能化發(fā)展水平，減少資源浪費(fèi)。同時(shí)，貼合實(shí)時(shí)性、可視化管理標(biāo)準(zhǔn)，為煤礦產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。