5G 通信网络技术在煤矿智能化的应用

杨玉明

（江苏中博通信有限公司，江苏 南京 210003）

0 引 言

随着科技的进步，煤炭产业的生产技术已发生了翻天覆地的变化，如井下自动化生产、远程监管等先进技术都已得到广泛应用，煤矿现代化生产已逐步朝着绿色开采方向发展。但受4G通信网络技术的制约，通信传输系统常发生各类故障，可以借助5G 通信网络技术解决这些问题。5G 通信网络技术具有较强的可靠性、经济性以及延时短等优势，能完美实现井下巡检、智能开采、货物运输等环节工作，全方位解决了4G 网络存在的各种弊端问题，为快速实现煤矿智能化生产提供了有利条件。

1 5G 通信网络技术

5G 通信网络系统融合了有线与无线接入技术，深度优化了物联网系统，5G 通信网络技术具有更高的速率等优势，能全方位满足车联网、智慧交通以及高清视频等方面的各种需求，使用户体验方式得到大幅度改进。通过开展一系列新型业务，以“多点、多用户”的传输模式运行，为用户提供更为优质的服务，确保在无线信号完全覆盖的情况下，持续强化信号的穿透力，进一步改善4G 通信网络技术覆盖模式，切实提高无线信号的优质性。5G 通信网络技术是顺应时代发展需求而研发的新型通信方式，根据煤矿智能生产的实用场景，其功能主要是传输性及可移动性较强、网速快、网络覆盖面广以及支持超高带宽及海量物联等。5G 通信网络技术在满足矿山业务各项需求的同时充分利用核心网络进行边缘计算设备的相关业务管控，确保煤矿企业的业务传输不受断网的影响，在弱化传输故障的同时提高整个网络通信平台的安全性，使5G 通信网络系统的运维成本大幅度降低。5G通信网络技术可布控密集网络群，使网络覆盖到每个角落，即使复杂的应用场景，也能达到信号全面覆盖的效果[1]。

2 简析煤矿智能化发展对5G 通信网络技术的基本要求

2.1 5G 通信网络的关键技术

5G 通信网络的核心技术主要包括自组织网络、超密集异构网络、多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术以及移动云计算技术等。由于传统通信方式的频谱穿透能力较强，5G 通信网络技术为了提高信息传输效率，就会将宽带再加宽，而在无法穿透障碍时，便会密集部署很多微基站，这既缩短了终端与网络节点的间距，又拓展了网络系统容量及覆盖范围，使不同接入技术的实际应用更加灵活。5G 通信网络技术需要通过各种节点的协调方案及节能配置模式等措施全方位维护系统整体性能，使之成为多种网络组织的密集型异构网络，为5G 通信网络时代网络多样化提供了有力保障。

在5G 通信网络技术中应用自组织技术时，首先应有效规划网络部署阶段的自配制，即维护阶段的自优化等，使其满足5G 通信网络系统的扩容及业务检测等方面的实际需求。自配置网络具有成本较低、安装方便等优势，即插即用的方式能减少人们的工作量，自动发现并解决问题，最大限度避免网络运维影响用户体验[2]。

为了对未来的高速无线数据提供更好的服务，首先应解决频谱、用户设备功能以及节能性等方面的问题。采用MIMO 技术，为信息传播渠道提供更多额外容量，并通过MIMO 的基站系统，进一步扩大可用吞吐量，也可以针对特定的某些应用，进行不对称性收发天线组合，升级大规模MIMO 技术网络用量的同时增强其网络覆盖能力。充分发挥其降低能耗、延长用户设备电池使用年限等优势。大规模MIMO 技术可以应用在煤矿企业的物联网中，为相关基础设施及车辆等，提供切实可行的通信方案，通过安装基站与天线，以集中式与散落分布2 种方法相结合的方式，持续强化5G 通信网络技术的抗干扰能力。

云计算技术的应运而生，既充分体现了5G 通信网络技术性能，又能创新5G 通信网络信息服务模式。结合云存储技术，将5G 通信网络技术的信息进行有效备份，最大限度地防止重要信息丢失，也可以在云计算中引入远程安全管控，使其与5G 通信网络技术无缝衔接，从而保证煤矿企业网络信息的完整性与安全性。

2.2 煤矿智能化发展对5G 通信网络技术的相关要求

由于5G 通信网络时代煤矿企业的各类信息数据呈多元化发展态势，如温度、速度、瓦斯浓度等，各类应用场景都离不开大量数据的实时支撑，5G 网络应有效支持物联网数据，只有在单位时间内增加数据体量，才能为大数据应用分析提供有利条件。

5G 通信网络技术可根据实际需要采用切片管理技术进行网络定制，使专用网络通道相互隔离，为不同场景的传输需求提供行之有效的安全解决方案。对煤矿企业来说，智能开采工作涉及的设备众多，尤其是高精度定位系统、职能协调管控系统以及高密度传感器接入系统等，都需要通过统一协调处理的中心控制系统，实时进行相关信息反馈与控制。因此，中心控制系统对通信网络的实时性及安全性都有较高的要求[3]。

煤矿企业的井下辅助运输系统如电机车、单轨吊等，已经朝着无人化发展（见图1）。在实际工作中必须实时了解相关设备的精准定位和高清视频等信息，最大限度地实现风门联动、自动避开障碍物等功能，使工作人员及各类附属设备处于安全状态。因此，煤矿企业的智能化发展，需要带宽更高且延时较低的5G 通信网络予以支撑。

图1 井下矿机充电无人值守模式

煤矿智能化生产，可通过井下机器人达到定位导航、状态监测、远程干预以及故障预判等效果，有效调整掘进机的位置，结合可视化洁净环境进行智能管控。同时，可通过采煤机器人进行井下工作环境巡检，以人机交互的方式实现大量数据采集与传输，切实提高网络传输质量及能力。煤矿企业可采用智能虚拟现实（Virtual Reality，VR）等设备，实现对作业现场的巡查，及时进行远程设备故障会诊，高效完成信息快速反馈及实时状态管控。在煤矿生产领域中，常会涉及诸多无线通信协议，不利于各类工业设备的互联互通。为切实提高用户体验，煤矿企业应构建可兼容多种协议的新型无线技术体系，融合多种无线接入传输技术，以统一化核心网络管控模式，全面提高对多场景的应用服务。

3 5G 通信网络技术应用于煤矿智能化的可行性策略

3.1 5G 系统部署与智能采掘

煤矿生产环境复杂，工作难度大，且危险程度较高，因此实现智能开采，对保障人员及设备安全而言十分必要。煤矿企业可在合适的位置安装边缘服务器，如边缘计算技术（Mobile Edge Computing，MEC）等，然后接入多个用于采集信息的室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）处理单元，使其能传入地面5G 核心网络控制中心。结合5G 通信网络超清摄像仪、矿用掘进机等智能生产设备，创建网络可靠性较强的煤矿智能生产系统，使煤矿生产系统中的各项业务不被中断。

将5G通信网络技术合理渗透煤矿智能开采当中，结合井下空间特征、复杂设备布置以及瓦斯开采环境等因素，全面分析5G 通信网络系统部署是否可行。由于微基站设备容量小、覆盖距离小于500 m，出于技术层面考虑，煤矿企业可通过合理规划5G 通信网络技术，针对不同应用环境进行5G通信网络系统布设。在合理构建5G 通信网络基础设施的前提下，以“5G+”的网络系统运作模式，实现专网安全隔离[4]。

3.2 5G 通信网络技术的实时精准定位及虚拟交互应用

煤矿企业可结合各种虚拟网络空间的个性化服务，持续创新5G 网络通信系统，精准把握虚拟空间运行的可控性，并合理划分传输结构性能，全面提高网络系统的灵活性（井下定位系统可采用蓝牙技术等），结合5G 通信网络技术的精准定位功能，更好地解决煤矿智能化应用需求得不到满足的弊端问题，切实保障煤矿数据传输时效，也可以持续开发5G 网络应用服务模块，精准管控煤矿开采线路及运输车辆等。结合5G 通信网络三维技术模型，打破人机互动模式的种种束缚，以可视化设计，全面提高开采的效率。

3.3 煤矿生产环节的远程实时管控与矿井协同运维

煤矿企业在对开采资源进行管控时，可采用5G通信网络技术创建远程实时控制模块进行资源的智能化开采。由于矿井空间较为狭小，只有持续升级智能装备，才能更好地满足企业的实际运营要求。可采用远程系统，辅助矿井空间设备的运维工作，通过虚拟化的系统模型，对相关音频或视频进行高效传输，并通过现场工人与专家协同操作的模式，共同实现对现场工作人员及矿井空间设备的有效管护。

移动边缘计算是5G 通信网络部署节点的重要技术之一，可以应用于车联网等不同场景，以云边协同等方式实现多层式智能架构，如云技术+边缘计算技术+用户终端等以人工智能算法的形式实现对采矿设备运行过程中的各项参数的有效收集，使单台设备的智能化水平得到大幅度提升。结合煤矿企业的实际业务如高清视频监控等，初步处理摄像头位置的相关画面，有效去除部分重复性画面，传输有效信息。一般情况下，运营商切片的应用场景如矿井环境监测、人员配备、远程运维等，可针对不同场景的具体业务进行服务级别转换。但是，并非网络切片粒度越细效果越好，切片太细则会导致网络资源被占用，导致信息传播不畅，会增大切片管理系统的负荷。因此，煤矿企业在采用5G 网络切片时，应结合煤矿智能化场景需求，将公共网络切片提供给网络业务频率较高的区域，并以此为导向，合理划分网络共用切片及专用切片等，统一进行会话管理、生产控制以及管理等，使煤矿智能化网络切片的核心网及边缘计算等功能更加完善，从而进一步提高煤矿企业安全指数及生产效率[5]。

3.4 智能辅助运输、井下智能安防

可以根据5G 通信网络技术的低延时特性，在煤矿专用设备上安装5G 通信网络技术设备，从而精准获取设备运行过程中的位置信息，实时上传并有效分析，达到良好的智能辅助运输效果。目前，煤矿企业的井下智能装备系统越来越复杂，单靠传统人力进行设备维修，无法顺利完成预期目标。使用5G 通信网络能远程采集现场设备的故障情况及运行状态等，工程师可融合虚拟技术，实现工程师与现场人员的视频互动，并协同现场工人共同完成相关维修工作。目前，煤矿企业的智能化程度越来越高，在5G 精准定位基础上，可采用开采机器人代替人工进行复杂环境下的各项业务操作，实现井下信息的有效感知与共享，充分运用5G 通信网络的带宽资源，以无人机巡检等方式快速反馈各类信息，以便于煤矿企业能及时消除各类安全隐患。

4 结 论

煤矿企业应充分利用5G 通信网络技术全面覆盖地面与井下2 种不同的运营管理环境，充分考虑无线通信网络设备的具体使用要求、业务类型以及其在井下的网络传输特性，合理进行5G网络系统部署。以“精细设计、统一规划”为原则，精准把握煤矿5G 通信网络核心要点，深层次分析5G 通信网络技术在煤矿企业中的具体应用场景，持续探索并研发更多增强型的关键技术，以行之有效的方法提高煤矿企业的经济性，为加速煤矿智能化进程提供有力的技术支持。