5G在煤矿智能化应用的探讨①

董亮 仲继颖 陈莉

(兖矿集团信息化中心 山东邹城 273500)

1 现状及趋势

我国是煤炭资源比较多的国家，煤矿企业也是我国支柱产业之一。改革开放以来，随着煤矿科技的发展，煤炭行业的生产技术也突飞猛进，向着安全、高效、高利用和绿色开采方向发展。其中井下机械化开采、井下有线通信技术、无线通信技术、自动化生产、远程控制及监控技术等都得到实际应用，实现煤矿现代化生产。但是我国目前的煤炭生产行业依旧是人员密集型，实现煤矿智能化生产依旧任重道远，其主要原因是受目前通信技术的约束。目前主要的通信技术为有线通信和无线通信技术，其中有线通信传输系统经常发生线缆断裂、接头松动等故障，可靠性差；无线通信技术主要有4G通信技术和井下WiFi通信技术，这两种无线技术带宽低、延时长、稳定性差等缺点。所以以目前的通信技术都无法实现煤矿智能化生产的需求。因此，我国煤炭行业当前处于煤矿智能化发展的初级阶段，仍然面临通信数据速率慢、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差、融合大数据的智能决策效率低等问题。

随着新的智能化应用第五代移动通信技术问世，为上述问题的解决提供了契机。第五代移动通信技术外语缩写为：5G,5G技术是建立在4G的基础上开发出来的，其主要特点是数据利用更高效、延时更短、可靠性更高、经济性更好等。如煤矿生产结合5G技术，可实现井下智能开采、井下智能运输、高精度实时定位与应用服务、远程实时控制、井下巡检与安防等，为煤矿智能化生产的实际需求奠定了基础。

2 5G的相关性能

5G技术是为2020新时代的需求而研发的，是目前世界公认在将来主要的通信方式，也是我国信息技术与产业未来发展最为重要的任务之一。现根据目前5G的主要通信技术，结合煤矿智能生产的实际应用场景，总结相关性能如下。

2.1 可移动性

移动性是历代移动通信系统重要的性能指标。5G移动通信系统作为将来主要的通信方式同样需要高速移动、低速移动或非移动场景下进行数据采集、工业控制等场景。

2.2 高传输性

5G的传输功能方面主要支持超高带宽、高可靠低延时、海量物联、超高可靠性传输，其主要体现5G的高速、可靠、稳定性。其主要参数为：峰值数据速率≥1Gbps，上行稳定带宽不小于100MB，下行稳定带宽不小于200MB，连接数接近1000K每平方公里，空口时延＜10ms。

2.3 网速快

5G移动通信技术主要特点就是速度高。只有网络速度大大提升，在面对VR/超高清业务时才能不受限制。通过研究，5G网络的理论传输速率可达 10Gbps。

2.4 故障弱化性

5G智能传输平台除了可以实现5G传输系统的无线化、超高可靠、超高带宽、超低时延外，还能够实现在满足矿山业务需求的情况下，将部分核心网控制业务下移至边缘计算设备，并在核心网断网情况下不中断已有业务的传输，尽可能地对传输故障进行了弱化，提高整个传输平台的安全性和可靠性，降低平台整体建设和运维成本。

2.5 网络覆盖全

5G通信技术中的网络全覆盖即泛在网，指在每一个角落都有网络存在，只有这样才能在复杂的场景上使用。5G网络布控大量的小型基站，形成密集网络群，形成信号全覆盖。

3 5G技术在煤矿智能化生产的应用场景

5G技术在矿山的主要应用场景包括：智能采掘、智能辅助运输、智能巡检、智能检修等。本方案的设计应用，是5G技术在矿山主要场景的应用。通过上述实际应用，可实现煤矿智能化，在煤矿减员增效，大大提高煤矿生产安全性和生产效率。

3.1 智能采掘功能

在煤矿采掘工作面的工作难度大、环境复杂、设备多、安全条件差等，相对实现智能开采是非常必要的。在井下生产面顺槽部署边缘服务器（MEC），接入多个矿用基带处理单元（BBU）采集信息，将信息经过井下工业以太网传输至地面5G核心网。最终形成智能生产工作面系统传输网。智能生产工作面系统传输网与矿用5G超高清摄像仪、矿用5G支架压力传感器、安装有矿用5G装置和惯导系统的采煤机（掘进机）等装备组成智能生产工作面系统。智能生产工作面系统对网络可靠性的要求非常高，，从而实现生产工作面与地面机房通讯故障时运行中的业务不中断。

3.2 智能辅助运输功能

基于5G 的低延时特性开发5G 网络的井下定位与应用服务系统，组建井下5G网络，在井下无轨胶轮车、电机车、单轨吊等车辆上安装5G装备，通过矿用5G传输网进行行驶状态、精准位置信息等数据采集、上传、分析，从而实现智能辅助运输。

3.3 远程智能协同运维

随着技术的进步，井下装备的智能化程度会越来越高，系统也愈加复杂，只依靠传统的维修工人已难以独立完成维修工作，需借助5G传输网远程将现场采集到的设备信息、运行状态、故障情况等信息传给工程师协助完成。工程师通过5G网络传输来的现场的音视频信息，利用虚拟现实技术可实现工程师与现场工人同样的视场和操作。随着科技技术的进步甚至还可以用机器人代替人在井下完成维修。

3.4 井下智能巡检和安防

基于 5G 的精准定位、高速数据传输和物联技术将实现井下的智能巡检和安防。通过井下无人机、智能VR/AR等设备可实时定位井下的装备和人员，实时传输和共享井下的安全信息，实现井下信息的泛在感知和共享，以便能够对现场进行及时巡查工作。而无论是无人机飞行控制、无人机巡检视频回传，还是VR/AR智能远程设备故障诊断与维修，都需要高效的5G网络带宽资源和快速的信息反馈，实现实时状态控制。

4 结语

随着5G技术的发展，煤炭行业借助5G的技术定能得到广泛的应用，煤矿生产在5G技术的推动下正从自动化向智能化发展，实现智能化采掘、智能化运输、智能化巡检和协同运维等远程智能控制。这样不仅提高了煤炭的产量，还减少了运行成本，同时减少煤矿职工的井下工作时间和次数，降低煤矿职工的劳动强度，最主要的是给煤矿行业带来的可观经济效效益。5G为实现煤矿智能化奠定了基础。