5G技术在煤矿智能化中的应用探讨

景少波

(陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着当代社会生活水平的不断提升和人们安全意识的不断增强，煤炭安全生产和煤炭工业化生产对环境的要求逐步提高。煤炭工业生产链安全管理要求煤炭资源开采尽可能做到少人或无人，部分先进的煤矿产业智能化甚至要求采取机器人值守或实时监控的无人值守模式，克服了人才流失和工人生产不安全给煤炭生产企业带来的不良影响，也为区域煤炭经济的平衡发展和煤炭开采技术的不断优化提供了更多可能。煤矿智能化技术作为煤矿产业链优化升级的重要一步，是保证我国煤炭工业经济健康、可持续、稳步发展的基础支撑，也是使我国煤炭智能化发展处于良好运转状态的关键一步。在此背景下，对5G技术在煤矿智能化中的应用的相关研究与探讨，也就具备重要理论意义与现实价值。

1 5G技术及优势

5G技术，也就是第5代移动通信系统技术。与以往的第2代、第3代、第4代等单一的无线接入技术相比，5G技术有着特殊优势，是全新的无线接入技术的高度融合的重要技术类别，也是现阶段最新的通信技术类型，在全世界范围内受到了社会各界人士的广泛关注[1]。在5G技术的应用过程中，5G技术能够应对多样化场景下极端的各式各样的差异化性能需求，用各式各样的技术糅合解决传统模式下某单一技术为基础的所有场景解决方案存在的不足。也就是说，5G技术创新来源于5G技术和网络技术架构两方面的高效融合，在无线技术领域，大规模的天线阵列技术、多址技术、全频谱接入技术等成为5G关键技术的重要内容，而在网络技术领域，基于软件定义网络和网络功能虚拟化架构的模式，已然受到5G技术创新升级研究人员的关注与重视。

此外，基于5G移动网络通信系统的滤波正交频分复用技术甚至灵活双工技术、终端直通技术等也成为5G技术的关键内容[2]。5G技术的应用使得第5代网络通信系统的性能得到大幅度优化和提升。与前几代无线通信技术相比，5G移动网络通信技术具有频谱更宽、时延更低、可靠性更强、安全性更高、传输速率更快以及传输容量更大等诸多优势[3]。

2 煤矿智能化应用5G技术的可行性

2.1 井下空间特殊性

将5G移动网络通信技术应用于煤矿产业的智能化开采和实践过程中，需要着重分析在井下特殊的无线传播环境中部署5G移动网络通信系统的可行性[4]。与普通地面空间的5G系统部署结构相比，煤矿资源的井下无线传输模式受周边环境因素的影响，表现出以下4点特征。①井下空间往往较为狭窄，信号传递距离较长，且呈现出更多分支的结构特征；②井下空间很容易产生干扰无线网络通信系统信号传递的粗糙煤层；③井下空间将会对无线网络通讯系统的复杂设备布置产生强烈的磁力干扰；④井下空间的多分层和多瓦斯特质，使煤炭资源开采环境很容易影响5G网络移动空间部署。因此，在煤矿智能化开采过程中，先必须解决在高频状态下无线信号快速衰减的问题、在定向传输能力增强的同时其绕射能力下降的问题；在解决了上述问题后讨论无线移动网络通信系统在井下传输空间所具备的距离短、覆盖范围有限的尴尬情形；最后利用超密集组网技术或其他微基站技术等形成5G移动网络通信系统的核心技术架构，支撑5G移动网络通信系统在井下开采环境中的商业化运转[5]。

2.2 5G技术的微基站网络布置

从网络结构部署角度分析可知，目前煤矿智能化应用过程中的井下空间环境布置为4G网络结构+WiFi网络全覆盖模式。4G网络结构覆盖距离大致为1 500 m，而5G移动网络通信系统可采取宏基站或微基站2种结构类型，宏基站的设备容量更高，实际发射功率更强，但并不适合井下作业空间;微基站设备容量较小，实际发射功率较低，其有效距离仅有500 m。因此，从纯粹的技术角度出发，应考虑上述不同原因对5G移动网络通信系统微基站布设的影响，使微基站能够完全覆盖原有4G网络系统的范围，并提升4G网络结构带宽速度、传输速率以及降低其数据传输延时[6]。针对5G移动网络通信系统微基站架构的功能消耗和体积比，由于该比值比4G移动网络通信下的基站值要小，因此更有利于保障井下空间长时间使用的结构安全性和稳定性[7]。综上所述，基于5G技术的微基站网络布置如图1所示。

图1 基于5G技术的微基站网络布置Fig.1 Micro base station network layout based on 5G technology

3 5G技术在煤矿智能化中的应用

3.1 基于 5G的高精实时定位与应用服务

5G移动网络通信系统能够通过网络切片技术的创造性应用，将煤矿智能化应用过程中的物理空间网络划分为多个虚拟网络空间结构，利用任意虚拟网络空间不同的服务需求增强其不同功能，加强不同虚拟空间对传输结构、带宽数据、运行稳定性甚至可靠性等性能划分，灵活应对煤矿智能化应用过程中不同的网络应用场景[8]。在此过程中，基于5G技术的高精实时定位与应用服务技术，直接转变了传统模式下煤矿井下定位系统传统蓝牙功能、超带宽传输技术等定位精确程度较低而不符合煤矿智能化应用中专业需要的局面，利用5G移动网络通信系统不设单独的基础设施方式，保证煤矿智能化应用过程中数据传输的实时性[9]。基于5G移动网络通信系统的较低时延特性而开发5G网络井下定位与应用服务模块，将是煤矿智能化的重要发展方向，也将对煤矿井下资源开采的车辆管控和开采路线的精准推进提供可能。

3.2 基于 5G的虚拟交互应用

基于5G技术的虚拟交互应用主要体现在虚拟现实技术和增强现实技术的应用过程中，煤矿智能化开采应用过程中5G三维建模技术的虚拟展示图，如图2所示。在此应用过程中，基于5G的虚拟交互应用技术能够彻底颠覆煤矿资源开采过程中的传统人机互动模式，使煤矿智能化开采经历三维建模和虚拟展示的基础阶段、互动模式和可视化设计阶段以及混合现实与云端实时渲染阶段的三阶段技术变革历程[10]。以混合现实和云端实时渲染阶段为例，分析5G移动网络通信技术的应用，可知该阶段能够对井下空间煤炭资源进行虚拟开采和协同运营与维护，满足高带宽需要和低时延要求，通过5G技术达到其性能目标。

图2 三维建模技术的虚拟展示Fig.2 Virtual display of 3D modeling technology

3.3 生产远程实时控制

就煤矿智能化应用过程中的远程实时控制生产而言，煤矿开采资源的生产控制一直都是煤矿智能开采或智慧化建设过程中的关键内容。传统的煤矿工业生产和远程控制系统，主要利用路由器、传感器以及多类型的互联网协议，将各种数据由传感器设备汇集到集中控制中心，再传递到远程控制中心，仅仅能满足部分对数据传输实时性要求不高的远程控制需要。但若针对实时性要求较高甚至井下空间结构生产安全或员工安全考虑的部分，并不能采用远程控制系统，可5G移动网络通信技术在煤矿智能化开采过程中的应用，就直接打破了该固有难题[11]。基于5G的井下全功能远程控制系统，能够实现实时数据传输要求极高部分的煤炭资源开采或安全管理目标，建立真正的煤矿智能化开采远程实时控制模块，基于5G技术的多元决策控制架构示意图，如图3所示。

图3 基于5G技术的多元决策控制架构示意Fig.3 Multi decision control architecture based on 5G technology

3.4 井下远程协同运维

5G移动网络通信技术在煤矿智能化井下空间中的重要应用场景，即远程协同运营与维护。基于5G技术的远程运营维护场景结构，如图4所示，在未来的煤矿资源井下开采过程中，井下空间较为狭窄，井下设备智能化程度将随着空间的不断缩小而越来越高，整个装备系统架构复杂程度逐步提高，传统的人工维修模式难以满足井下狭窄空间和高度智能化设备的运营维护需要[12]。因此，往往需借助远程专家系统辅助完成井下空间设备运营与维护，利用5G移动网络通信系统传递煤矿资源井下空间现场的音频、视频数据等信息，可将煤矿智能化应用所涉及到的虚拟模型或虚拟操作系统连接到井下空间智能化设备中，通过虚拟现实技术的应用实现专家和矿工的同时操作和观察，更为机器人代替工人在井下空间对设备进行维护管理提供了可能。

图4 基于5G技术的远程运营维护场景结构Fig.4 Remote operation and maintenance based on 5G technology

3.5 井下巡检和安防

基于5G移动网络通信系统的井下巡检和安防是煤矿智能化应用的重要内容，5G移动网络系统的数据传输功能以及智能定位功能等，将实现煤矿开采井下空间的高效巡查和安全防护。通过该安全网络系统的架构，能够实时分享井下空间装备运行现状、人员身体状况等信息，通过井下空间安全信息与数据的实时共享，利用智慧终端的推送功能实现不同数据信息在不同设备终端间的相互传递和沟通，实现对井下数据信息的实时共享，快速提升数据共享效率，利用更高效、更可靠和更经济的方式开采煤矿资源。

4 结语

总而言之，基于5G移动网络通信技术的煤矿智能化系统，能够借助5G技术的高精实时定位与服务、虚拟交互服务、生产远程实时控制服务、井下运营维护协同管理服务以及井下巡检和安全防护服务等功能，达到数据信息以及安全管理的基础目标，通过5G技术与大数据信息技术、云平台计算技术、人工智能技术、虚拟交互技术等的融合，为煤矿智能化应用过程中大量数据信息分析和提供决策支持甚至实现远程可视化操作等，为我国提升煤矿智能化应用水平作出应有的贡献。