基于5G 通信技術(shù)的連采機(jī)視頻與智能化應(yīng)用探析

趙 軍

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033000）

1 采掘工作面智能化現(xiàn)狀

1）采掘作業(yè)面自動(dòng)化：采掘作業(yè)面自動(dòng)化系統(tǒng)指的是綜合機(jī)械化綜采作業(yè)面的轉(zhuǎn)載機(jī)、連采機(jī)等，其中基于掘錨機(jī)研發(fā)的電控系統(tǒng)主要是對(duì)煤礦內(nèi)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集作業(yè)面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，平臺(tái)連入系統(tǒng)來完成掘進(jìn)面內(nèi)各個(gè)設(shè)備及其運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)面的集中控制。

2）掘進(jìn)膠帶機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)：利用膠帶機(jī)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有助于設(shè)備的改造，同時(shí)在機(jī)頭的部位配置一個(gè)成像清晰的攝像頭，可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)膠帶機(jī)，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到設(shè)備的故障信息。

3）自動(dòng)錨索鉆機(jī)：在進(jìn)行支護(hù)的時(shí)候，煤礦可以選擇單體式或兩臂式的錨索鉆機(jī)。前者的構(gòu)造十分簡(jiǎn)單，需要三個(gè)人協(xié)作操作，三人所需工作分別為控制鉆機(jī)、裝卸鉆桿和配備物料及運(yùn)行防爆車，由于操作人員需要長(zhǎng)時(shí)間接觸粉塵及污水，不僅使身體受到了極大的威脅，而且也無(wú)法提高工作效率。為了使錨索支護(hù)取得更好的效果，煤礦可以選擇兩臂錨索鉆車，該機(jī)操作需要三人協(xié)作，其中兩人需要控制鉆臂，一人需要在地面輔助操作，與單體相對(duì)比，其支護(hù)效率要更好[1]。

2 采掘工作面智能化目標(biāo)

連采機(jī)中的電纜收放設(shè)備可以借助拖纜+排纜形式來迅速收放電纜，確保收放裝置的運(yùn)行動(dòng)力為液壓，同時(shí)還具備手動(dòng)、自動(dòng)和人為干預(yù)自動(dòng)三種模式，電纜收放裝置的功能為可以對(duì)收放力進(jìn)行自主控制，避免電纜因?yàn)槔Χ艿綋p傷。收放裝置與防護(hù)設(shè)備協(xié)調(diào)使用，并不會(huì)對(duì)司機(jī)的視野造成影響；通過利用SLAM 技術(shù)可以幫助煤礦建立起巷道的三維地圖，完成路徑的規(guī)劃及梭車的定位；UWB 技術(shù)可正確評(píng)價(jià)煤機(jī)自身及四周存在的風(fēng)險(xiǎn)問題，并依據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)來實(shí)施區(qū)域劃分，確保操作人員在進(jìn)入到該區(qū)域之后設(shè)備可以立即停機(jī)，避免人員傷亡。

3 5G 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成與供電設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)整體構(gòu)成：主要包含了地面的控制中心、礦用的基站控制器及無(wú)線基站、礦用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器等。核心網(wǎng)（5GC）所具有的功能主要為注冊(cè)、鑒權(quán)等。KT606-K（5G）是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，為數(shù)據(jù)傳輸提供相應(yīng)的接口，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行有效的管理。KT606-F 主要是保證礦井下可以連接到5G 網(wǎng)絡(luò)。KZC127（5G）的作用在于將礦井下部有線設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制及轉(zhuǎn)換。

2）系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)供電時(shí)，5G 基站的構(gòu)建需要采取主從結(jié)合的形式，其中主為由礦井下方直接取電，從為利用相應(yīng)的備用電池來取電，電源的設(shè)置需要在交接區(qū)域內(nèi)完成，破碎機(jī)處需要添加相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器來完成電源的轉(zhuǎn)換，連采機(jī)則可以使用照明燈。

3.2 核心網(wǎng)及其組網(wǎng)設(shè)計(jì)

1）核心網(wǎng)設(shè)計(jì)：5G 核心網(wǎng)的建立需要遵循3GPP定義內(nèi)的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，該網(wǎng)絡(luò)同時(shí)融合了多個(gè)網(wǎng)元，如PCF、UDM 等。除了N4 口之外，其他網(wǎng)元的構(gòu)架均是標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)構(gòu)架。作為一個(gè)關(guān)鍵控制面節(jié)點(diǎn)，AMF 的功能在于幫助用戶注冊(cè)及連接等。SMF 的功能是對(duì)會(huì)話進(jìn)行管理，其中包含了構(gòu)建、糾正等，其實(shí)際功能在于對(duì)會(huì)話過程中用戶的IP、界面功能等進(jìn)行控制。UPF 作為一個(gè)用戶面節(jié)點(diǎn)，其主要是通過PDN 網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行連接，為用戶提供錨定、業(yè)務(wù)路由等業(yè)務(wù)處理功能。AUSF 主要功能在于鑒權(quán)和認(rèn)證用戶。UDM 的作用在于對(duì)各個(gè)用戶的簽約、鑒權(quán)及標(biāo)識(shí)等數(shù)據(jù)實(shí)施管理等。NRF（NF 保存功能）的功能在監(jiān)測(cè)狀態(tài)、支持網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)注冊(cè)等，以完成網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動(dòng)化管理及選擇。PCFPCF 可利用統(tǒng)一性的策略框架來對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為實(shí)施管理，提供策略規(guī)則來完成平面功能進(jìn)行控制，訪問統(tǒng)一數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存庫(kù)。

2）核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)：首先，優(yōu)化設(shè)計(jì)5G 基站，確保各個(gè)安裝位置連接起來可以形成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。礦井作業(yè)面如果要向構(gòu)建起專用的5G 區(qū)域網(wǎng)，就必須配置一個(gè)5G 基站和無(wú)線基站，實(shí)現(xiàn)集控中心的控制及數(shù)據(jù)傳輸，破碎機(jī)的安裝部位也需要配置一個(gè)5G 基站和無(wú)線基站，以此來保證設(shè)備的有效控制，連采機(jī)自身也需要配置這樣的基站，以此來接收相應(yīng)的控制信息，同時(shí)將接收到的信息及時(shí)傳輸?shù)狡扑檎局車⒌幕緝?nèi)部。

4 5G 無(wú)線通信與智能連采機(jī)視頻設(shè)計(jì)

4.1 攝像儀的運(yùn)行原理

礦井中配置的攝像儀都需要利用四根線來進(jìn)行連接，其中信號(hào)線和電源線各兩根。每一個(gè)攝像儀需要利用一個(gè)四芯來屏蔽電纜連接到PLC 箱，四個(gè)攝像儀主要運(yùn)用四根四芯來進(jìn)行屏蔽。在PLC 箱之內(nèi)利用四根四芯來對(duì)電纜進(jìn)行屏蔽，其中兩芯是相互合并的，再經(jīng)過一根四芯來對(duì)電纜從PLC 箱之中引入到司機(jī)室的防爆主機(jī)之中的網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置實(shí)施屏蔽，這一網(wǎng)絡(luò)傳輸器主要與主機(jī)建立連接。系統(tǒng)采取的模式為一主、四從，其中主和從分別表示為主機(jī)和攝像儀內(nèi)部安裝的網(wǎng)絡(luò)傳輸器。

4.2 攝像儀位置

在連采機(jī)上配置四個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像儀，其所處的位置詳見圖1。在連采機(jī)的駕駛室內(nèi)，在司機(jī)左側(cè)安裝一個(gè)顯示屏，該顯示屏主要為主機(jī)控制機(jī)圖像，確保司機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤機(jī)運(yùn)行的狀況，以便迅速作出反應(yīng)，保證生產(chǎn)的安全性。

圖1 安裝位置及效果

4.3 攝像儀顯示設(shè)計(jì)

通過運(yùn)用連采機(jī)與梭車之中配置的多個(gè)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)收集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)方位的數(shù)據(jù)信息，利用5G 網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。連采機(jī)中需要安裝各個(gè)方位的除塵攝像頭，其中分別采取熱成像儀和低照度的攝像頭，實(shí)現(xiàn)視頻信息的全方位采集，連采機(jī)上方需要安裝拾音器，以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的音頻進(jìn)行采集。視頻顯示單元可以實(shí)時(shí)顯示出現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，方便工作人員更加直觀察看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

4.4 連采機(jī)視頻與5G 無(wú)線通信融合設(shè)計(jì)

首先將連采機(jī)之中運(yùn)用的跟機(jī)電纜進(jìn)行更換，使其成為4 芯控制電纜，將這種電纜與連采機(jī)之中PLC 箱進(jìn)行連接，以此來確保煤機(jī)可以與饋電之間形成良好的通信，再引入一根控制線來完成煤機(jī)饋電與破碎機(jī)5G 基站之間的連接，保證數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)之中，從而完成對(duì)煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其次，為了保證視頻的質(zhì)量，連采機(jī)之中需要安裝一個(gè)硬盤錄像機(jī)，并將設(shè)備中所有的攝像儀進(jìn)行打包接入，使視頻以一條路徑輸出，促使視頻可以正常傳輸。

5 結(jié)語(yǔ)

5G 通信技術(shù)與智能連采視頻技術(shù)的應(yīng)用使煤礦操作人員不管是生產(chǎn)操作，還是設(shè)備檢修，可以對(duì)連采機(jī)的周圍狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使司機(jī)在遇到風(fēng)險(xiǎn)之后可以立即作出反應(yīng)，促使連采機(jī)可以正常運(yùn)行，從而使采掘作業(yè)可以得到安全有效的開展。