5G技术在煤矿智能化中的运用研究

2022-01-19武喜章

当代化工研究 2022年1期

＊武喜章

（太原煤气化龙泉能源发展有限公司山西 030303）

随着经济的发展和进步，煤矿行业发展速度也在不断增快。在煤炭采掘时期，需要积极地创新各项核心的技术，持续地提升工业信息化水平，促进自身的产业升级。本文分析了5G技术背景下煤矿智能化开采技术，创新传统采掘方式和信息化管理，5G技术的应用可以给煤炭企业带来更多的效益，促进煤炭行业的可持续发展。

1.智能化建设时期存在的问题

(1)信息孤岛问题

在进行煤矿智能化建设的时候，要防止产生信息孤岛的情况。由于生产工艺种类较多，进而容易产生局部自动化的独立岛。独立岛中自动化水平较高，不过各个岛之间的联系较少，存在的关系比较弱，难以有效地完成信息的共享，在信息管理时期需要借助人力资源来落实，进而无法充分地显示出基础自动化的作用。如今现代电子信息技术发展速度持续增快，在生产和经营管理时期，都开始积极地完成人工向自动化的转型，存在的要求也在持续提升，相关的数据信息变得越来越多。相关的自动化不能够是独立岛形式的机电一体化，需要做到完整统一的整体。

(2)标准化问题

为了提升机电自动化程度，就需要先保障煤矿生产的标准化。生产工艺和生产过程的标准化是自动化的主要保障，在设置矿山自动化系统的时候，需要确保系统具备高质量的标准化程度。例如皮带自动化，要是没有合理的措施来应对皮带问题，对于皮带的集中控制会受到一定的影响，各个皮带转载点的人员没有及时地进行撤除，还是需要时刻处于自身的岗位中，要及时地减少损失，防止由于大块和异物等问题造成皮带损伤或者是堵塞的情况。现阶段皮带异物识别系统得到了社会各界的高度重视，这个系统能够帮助工作人员在岗位上进行监控，如果产生问题还是需要让工作人员来进行维护。因此需要在源头进行控制，选择合理的方法来防止大块的煤炭和异物在皮带上运行。其中可以选择标准化的割煤措施来防止产生大块的情况，选择标准化的工作流程也能够更好地保障煤炭质量。所以在开展自动化建设的时候，需要先仔细地分析标准化工作的实际情况，避免造成消极的影响。

(3)管理问题

在建设煤矿智能化的时候，矿山决策层没有一个清楚的理念，智能化建设过于形式化，虽然我国政府部门都开始积极地设置标准来促进智能化矿山建设的顺利进行，不过在企业中的落实效果较差，没有一个整体的规划建设方向，自动化系统过于独立，各个部门之间的职能存在重合的情况，信息共享能力较差，如此也难以发挥智能化矿山的作用和价值。在建设智能化矿山的过程中，需要正确整合各个部门，矿山智能化包括较多的生产环节，因此需要促进各个系统的信息共享，给生产和经营管理决策提供更加全面的信息。对于各个部门来说要积极地进行整合，建设统一的调度指挥管理中心，随着智能化矿山的持续推广，越来越多的人员开始重视管理工作，研究相关的管理问题，使得矿山生产质量可以得到更加可靠的保障。

2.5G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。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。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.以5G技术的煤矿智能化开采技术的具体内容

(1)通信技术发展和煤矿开采的关系

对于煤炭行业来说煤矿开采技术和实践是比较重要的，煤矿生产的智能化和自动化程度也在不断提升，通过对煤矿开采行业发展情况的分析可以看出，通信技术直接影响技术升级，于通信技术的使用有助于促进开采技术的发展和进步，进而实现智能化的无人开采。在多源传输和融合控制时期，对于先进技术的引进得到了相关企业的高度重视，达到自主创新的目的。

(2)以5G技术为基础的智能化开采发展形势

采煤技术是煤矿生产作业时期的重要技术，通过使用这项先进的技术能够促进煤矿生产建设关键技术的发展和进步。在煤矿开采时期，借助5G技术生态，可以促进智能化无人开采技术的推广和使用，技术突破的主要方向就是多源数据的融合和精准的定位，保障煤矿智能化开采技术的可持续发展。

①由于存在较多的影响因素，井下综合开采作业面和掘进作业面会受到较大的影响，所以通过使用5G技术可以更好地部署性能良好的传感器，获取更加全面的数据信息。在当前时期，借助5G技术，可以正确布置大量高清摄像头的信息回转，获取更加高清的视频信息，实现对于工作面环境的分析，保障工作人员的人身安全。其中可以给各项设备的使用提供一定的参考，而且能够为智能决策以及控制提供可靠的数据支持。

②5G技术的主要特点就是可靠性较高，延迟较低，采煤机在运行的时候，为了控制采煤机的速度和姿态，增强煤岩识别能力，各项动作和判定需要在逻辑控制程序中完成，空口时延以及端对端时延需要达到毫秒的级别，要有着较高的可靠性。在煤矿开采时期通过使用5G技术，可以提升设备运行的准确性和可靠性，使得各项设备在使用的过程中实现智能联动。

③在使用5G网络的过程中，可以选择借助切片技术完成对于物理网络的分隔，建立多个单独存在的虚拟网络，5G网络可以适用于煤矿智能化开采的不同场景，在这个时期，借助移动边缘计算技术，可以保障煤炭开采更加顺利地进行。

4.5G技术下煤矿智能化的具体使用

(1)以5G技术为基础的精确定位和应用服务

煤矿行业在进行生产运营的时候，井下定位操作就是以蓝牙和超宽带等无线传输技术来进行各项工作。这部分无线传输技术切换时间比较长，覆盖的范围有限，宽度不高，在运行的时候难以避免产生这些问题。因此在生产经营的时候，容易影响到定位的准确性，工作人员无法做出正确的判断和合理的决策。由于这些工作需要设置有关的基础设施，定位信息的实时性难以得到保障。5G技术的主要优势就是延时低，以5G技术为基础的井下定位工作，可以实现准确的定位，获取精确度更高的信息，可以帮助工作人员做出合理的判断和决策，进而促进煤炭行业的发展。在这个时期，相关的服务系统也需要重视对于5G技术的使用，实现实时监控和有效的管理，增强对于井下车辆的管理，提升开采推进的准确性。如此以5G技术为基础的精确定位和应用服务不仅能够保障煤炭行业的高效运行，而且可以显著减少整体的生产成本。

(2)以5G技术为基础的井下远程维护操作

随着科学技术的发展和进步，在井下远程监控和运营维护时期，无线技术得到了广泛的使用。在未来发展过程中，煤矿井下装备设备将更加完善，整体的智能化程度也会显著提升。其中传统的运营维护工作，相关的工作人员难以独立完成井下维修工作，为了保障运营维护工作的顺利进行，需要聘请专家来负责，经过专家的远程协助，帮助工作人员来实时的操作，共同完成工作任务。5G技术有着较多的优势，可以把井下现场的音频信息及时地传递给远端的专家，给远端的专家提供更加清楚的信息。不仅如此，也能够把有关的虚拟模型图像传递到现场设备中开展虚拟操作，借助虚拟交互远程专家和现场工作人员实现同步的操作。在特殊的情况下，能够选择借助智能的机器人帮助工作人员在井下开展运营维护工作。

(3)以5G技术为基础的井下安全巡检和防护工作

井下安全防护工作直接影响着工作人员的生命安全和煤矿工作区的财产安全，为了保障煤矿行业保持良好的发展状态，就需要正确进行井下安全巡检防护工作。使用5G技术能够在井下实现精确的实时定位，借助高速数据传输实时的情况，而且会选择借助端对端物联来增强巡检效果，进行全面的防护。例如选择使用5G网络来准确地定位井下的工作人员和设施设备，之后把各项信息数据传递给有关的部门和工作人员。该系统具备主动推送功能，能够针对移动终端设备开展自动识别操作，按照相关的需求来把信息数据传递给相关的部门，保障井下安全巡检防护工作能够更加顺利地进行。能够看出，在井下安全巡检防护时期，借助5G技术可以提升整体工作的安全性和可靠性，而且能够带来更多的经济效益。

(4)以5G技术为基础的生产远程控制

在开展井下工作的时候，经营人员可以掌握的大多数信息主要来自数据的上传下达，相关的指令层层传递给有关的部门。对于5G技术的使用，能够帮助各部门获取更加准确的信息，保障信息传递的实时性，而且可以增强对于各个部门工作的监督和管理，掌握井下生产的实际情况，及时地找出存在的各项问题，选择合理的措施进行应对，保障井下工作安全，进而促进煤矿行业的发展和进步。

(5)以5G技术为基础的综采工作面应用

常规综采工作面设备通常包括：采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机及超前支架、视频监控等，除去安全监测、人员定位、通风、供水、供风等系统，总设备数量仍将数以几百计。因此，为实现综采工作面设备联机集中控制、故障监测、远程精确控制、自动化运行等系统功能，需要对各系统数据进行整合分析，在更短的时间内完成各个系统之间的数据交换。

高清视频监控系统与5G通信技术。视频监控系统主要是实时采集和传输综采设备运行情况，目前井下常用的防爆摄像机性能较差，在煤矿井下恶劣的生产条件下，经常出现被煤尘覆盖降低清晰度和照射范围的情况，不能全面展现工作面实时情况，且维护起来费时费力。煤矿井下综采工作面光线复杂昏暗、粉尘悬浮、温湿度较大，近年来随着科学技术的发展，4k高清网络摄像机逐渐成为行业热点，但4k高清摄像机需要更高的网络传输带宽（一般情况下4k图像需要6～8Mb/s的带宽，经不同的编码格式编码后可降低带宽需求），无论是RF射频信号、WiFi还是4G均难以满足高清视频的带宽需求。5G作为更先进的网络技术，完全能够满足高清视频监控图像传输的需求。以华为5G CPE终端设备Pro版为例，数据传输上行峰值：250Mb/s；下行峰值：1.65Gb/s，在满足高清视频数据传输的情况下，仍有足够的带宽支持通话、视频、数据交换、远程控制等多种数据业务。

利用5G建立综采工作面“一张网”。综采工作面设备众多，各个功能的综合自动化子系统独立运行，互不关联，每个系统都是独立的网络，网络维护量大且情况复杂。煤矿井下工作面采煤机、转载机、刮板运输机等各个综合自动化子系统都建有单独的局域网络，很难进行数据交互，为综合自动化集成平台建设实现远程精准控制，多系统联动、预警报警等战略目标造成困难。

综采工作面的网络建设通常采用环形或树形网络结构。这种类型的结构布线容易，增加设备方便，但传输效率受限于传输介质容量，故障诊断和隔离比较困难。煤矿井下综采工作面自动化、智能化就需要对传统的井下网络进行改造，建立以5G为核心的数据传输网络，对综采工作面视频监控系统、采煤机控制系统、刮板机控制系统、转载机控制系统等进行网络整合。5G技术网络兼容性强，能够在不改变原有井下网络条件的基础上进行升级改造，节省网络建设更新换代成本，避免资源浪费，提升管理效率。

建设“一张网”需要对不同的系统进行融合（见图1），提高数据传输和交换效率。通过在综采工作面建设5G基站达到上接井下工业环网，下接综采工作面综合自动化和高清视频监控等系统如图1所示，完成对井下综采工作面的无线网络覆盖，实现对综采工作面视频数据的无线采集监测和对综采工作面液压支架、采煤机、刮板机的数据无线采集和远程控制，实现工作面各个系统之间协调、连续、高效、安全运行，释放人力，降低成本。