5G技术在煤矿智能化中的应用研究

刘佩艳

(山西省信息产业技术研究院有限公司,山西 太原 030012)

0 前言

为了满足2020年信息社会需求，新一代移动通信系统5G应运而生。随着信息和网络技术的快速发展，5G的关键技术必将取得实质性突破和拥有更广阔的应用前景。物联网这一具有十足潜力的产业其市场规模是巨大的。物联网飞速发展的关键在于其当下越来越健全完善的移动数据传输网络。5G网络在这一环境下满足了其发展需要，因此将被物联网各领域广泛应用。

1 5G发展概述

5G技术是最新的通信技术类型，在全球范围内也备受关注。这项技术可以说是时代的分界点。如果广泛使用，它将带来新的变化。5G通信系统的相关特点如下：

1) 高速率。尽管使用了载波聚合技术的4G/LTE试验值最大速率仅为300 Mbps，而5G最小速率将达到1 Gbps。5G可以以毫米为单位传输数据，避免3 GHz以下的拥挤频率。将分布与波束跟踪和波束跟踪技术相结合，在小面积内形成天线，可以解决高频通信中毫米波穿透的问题。天线阵列的比较如图1所示。

图1 传统天线阵列与大规模天线阵列对比

2) 峰值速率高。它的峰值速率是互联网运行的最高和最低速率。与4G通信技术相比5G通信技术，其速率至少可以提高到10倍，因此对单个用户的流量将是一个质的飞跃。

3) 容量大。同一空间下能够实现更高的基站密度和更高的频谱效率，是因为5G采用了大规模的MIMO。无线移动宽带系统的容量可以达到当前4G LTE的1000倍，在每平方千米范围内，平均连接数不少于100万。5G中的设备到设备通信(Device-to-Device，D2D)技术的应用，将使一定范围内的用户设备直接通信，并增加连接数量。物联网设备连接数曲线如图2所示。

图2 物联网设备连接数增长曲线

4) 低延迟。3G网络中的手机延时为500 ms，4G网络中为50 ms，而5G采用新的子帧设计，包含下行传输、上行传输和保护时隙信息，大大降低了网络时延。对于理想状态下的网络延迟要求为：端到端时延1 ms，而典型的端到端时延为5 ms～10 ms。显而易见的优势使得5G能够满足车载网络、超高清视频、物联网、虚拟现实等应用场景和各行各业的行业需求。

5) 可靠性高，延时短。随着信息技术的使用和网络的功能更加多样化和普及，对于生活购物、农业生产、工业建设等，将全面数字化和信息化，这就要求网络承担更多的社会责任义务，而5G通信系统可以很好地减少延迟。资源消耗少，稳定性好。

2 5G与物联网的融合发展

5G采用大规模MIMO技术，使得物联网设备周围形成的天线阵列，构成了一个用于各种传感和控制节点的信息传输的全覆盖网络。遥感层的数据直接通过5G网络来实时传输。对接收到的数据，应用层可以根据应用领域的相关行业标准进行相应地处理和操作，并对遥感层设备进行检测和远程控制。而且，5G认证和加密技术也保证了数据传输的安全性。与现有物联网结构模型相比，5G与物联网的集成具有以下优势：

1) 高效。现有物联网主要以WiFi和ZigBee为基础接入网络。当连接数或传输数据量过大时，由于设备带宽容量和数据处理能力的限制，容易造成网络拥塞和网络延迟，感知层的数据不能及时传输到应用层或管理员终端。

2) 便捷。基于5G的物联网更有利于新网络的建设、维护和监控。智能终端设备与用户携带的5G手机之间的直接连接不需要新的布线规划，以减少对现有建筑环境的破坏。

3) 经济。物联网终端与5G移动设备直接相连接以达到感知层数据可以直接通过5G基站传输的目的，减少了不必要的网络层设备的使用,如ZigBee、路由器、交换机等，从而节省了设备购置、安装、维护和升级的费用。

4G LTE技术之前，移动通信将人际通信作为核心业务，而5G涉及的范围更广，主要场景包括：eMBB，mMTC和URLLC，这几种场景特性不仅覆盖了高带宽、低延时等传统应用需求，而且还能满足工业环境下的设备互联和远程交互应用需求。

3 煤矿5G技术下物联网的应用

3.1 采矿工艺智能化技术

制约因素：1) 由于当前通信带宽和实时性的限制，导致信息处理能力不强，设备状态信息上传较少，同时控制信息又具有较大的滞后性，导致无法实时获取设备的位置、姿态等信息，从而限制了采矿工艺设备之间的智能协调联动；2) 由于缺乏生产环境感知和大数据融合分析，限制了综采装备在作业流程中的协同控制、自适应及流程再造等方面的智能化控制与决策。通过5G技术可以实时获取最新信息，有效统筹兼顾，及时做出调整及改进，使井下生产工作安全有序进行。

3.2 精准实时定位

传统煤矿井下定位大多数采用蓝牙、ZigBee等无线传输技术实现的。但是这些技术在覆盖范围、切换时间等方面存在不足。我们可以借助5G技术的低延时特点对矿井内信息进行精确实时定位，开发井下车辆智能管理、开采设备智能化等等，以解决井下移动设备实时监测的技术难题。

3.3 煤炭智能化开采的微服务系统平台架构

制约因素：煤炭开采作为一个传统行业，在信息化建设过程中，煤矿桌面应用、Web应用、分布式网络应用等多种系统并存，呈现出应用复杂、系统兼容性和可靠性差等特性，必须针对不同应用和需求，突破传统系统架构建设体系思想，研究建立相应的业务模型，实现业务组件化、服务化和去中心化，极力构建安全、可靠、业务高内聚松耦合的微服务系统平台架构。

图3 矿井5G系统架构

3.4 危险源智能感知与预警技术

制约因素：井下开采存在顶板、瓦斯、水、火、粉尘等多种灾害，目前均已实现了实时监测，但受制于灾害发生机理不明确，监测数据类型单一、精度低和可靠性差，致使井下危险源感知、识别、预警和控制等方面存在较多的技术壁垒。5G技术将延时精确控制在10 ms内，满足了采集矿井下实时监测数据的需求。通过5G网络实现井下各感知节点的互联互通，从而实现矿井下监测数据的采集。

综上所述，制约上述技术发展的核心问题主要表现在数据传输的带宽、设备控制的即时性和多元数据融合智能分析等方面，5G技术的到来，为解决这些问题提供了一个有效的技术手段，亟待深度探索5G技术在煤矿智能化无人开采中的应用。

4 煤矿5G与物联网的发展趋势

采煤技术是煤矿生产的核心技术，利用5G技术可以促进智能化无人开采技术快速发展，其重点突破的方向主要包括基于视频识别和多元数据融合的自主感知、精准定位与智能导航。需要重点攻关的主要核心技术与5G技术需求见表1。通过表1可以看出，5G技术的到来，对煤矿智能化开采发展有着强有力的支撑作用。

表1 核心技术与5G技术生态需求关联矩阵

5 结语

基于5G物联网技术，搭建井下安全生产环境感知平台，解决当前环境感知精度低、各系统之间联系性差、难以实现安全监测互联互通的问题。同时研发智能通风、排水、降(防)尘、防火和微震监测系统安全管控关键技术，明确工作面重点区域安全防控等级，实现瓦斯、矿压、顶板、水、火和粉尘灾害及供电安全多维度、全方位、精准感知和安全管控，实现煤矿智能化开采。