5G技术在煤矿智能化中的应用展望---刘洋

5G技术在煤矿智能化中的应用展望刘洋摘要：近年来我国煤矿无线通信系统首选ＷｉＦｉ和４Ｇ通信技术，随着煤矿智能化建设的发展，现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术，阐述了第五代移动通信技术（５Ｇ）关键技术的概念及其在煤矿中的应用。简要展望了基于5G技术的物联网、大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术在煤矿智能化中的融合应用。关键词：矿井无线通信；５Ｇ；煤矿智能化；应用展望15G技术概述5G是第五代移动通讯系统的简称，既不是单一的无线接入技术，也不都是全新的无线接入技术，是新的无线接入技术和现有无线接入技术的高度融合。其主要特点是超高数据速率、超低延时和超大规模接入。2５Ｇ通信技术在矿井的应用2.1井下无人驾驶及智能运输井下无人驾驶对矿井无线网络的需求极高，而机器对机器之间的通信一直是无线通信网络的难题。井下车辆行驶过程中，５Ｇ技术的高速率能够实时对巷道大量３Ｄ地图数据进行转换，传感器数据的共享也将提升车辆的环境感知能力。通过５Ｇ网络及设备，车辆具备精确定位、安全监测、自主感知、主动避障、自动错车、风门联动等功能，实现井下运输车辆无人驾驶。井下运输系统的自动化、信息化和智能化，需要在顶层对井下煤流、物料、人员运输整个过程中所涉及的运输车辆、运料装备、胶带、集装箱、调度装备、自动化转运装置及相关的运输对象进行整体协调，５Ｇ技术将大规模、实时传输采集到的车辆、车皮、设备、煤流、物资及附近环境等相关参数信息，以提高车辆运输和设备运行效率，保证运输系统运转过程安全高效。2.2全矿井位置服务目前井下定位系统或位置跟踪系统都是针对单一需求而设计，仅满足了矿井部分场合和局部的业务需求。井下作业的少人化和无人化发展对位置服务的需求日益显现，对井下位置服务系统的精度、容量和响应时间等指标都提出了更高的需求。５Ｇ技术利用大规模天线、高频段通信等技术特征，为实现高精度定位提供了技术保障。2.3设备远程操控设备远程操控是智能开采的重要组成部分，实现设备远程控制对网络实时性的要求极高，井下设备控制网络通信链路长、环境苛刻，５Ｇ技术所提供的高可靠和超低时延的控制网络是保证井下设备正常运转的前提。同时，井下开采作业伴随着大量数据的生成，设备高精度传感器要采集掘进机、采煤机、液压支架等主要设备的实时状态参数信息，环境传感器要采集作业巷道环境参数信息，高清摄像头要采集工作面作业视频和煤壁图像。这些数据种类繁多、体量巨大、生成速度极快，必须依靠５Ｇ通信网络高带宽、低时延、高可靠、高连接的传输特性，才能在远端搭建实时同步的开采可视化模型，人员在地面利用可视化系统实时跟踪工作面现场场景，下达控制指令，实现设备及整套作业工序的智能远程控制。2.4故障远程诊断井下设备故障远程诊断依赖５Ｇ网络的低时延和高服务质量保障特性，利用智能传感器实现设备状态实时监测，并与云端ＡＩ平台、数据库进行状态数据的分析和处理，对设备进行主动监测，提出定制化的诊断方案，维修人员不必专门前往井下判断设备故障类型，大幅降低了检修班工作强度。2.5大宽带业务数据传输５Ｇ技术可满足矿井高清视频监控服务对网络带宽的要求，井下大宽带业务数据来源于主要作业点，包括采掘工作面、进回风巷、主要运输巷道等重点视频监控区域，视频采集设备为作业点固定安装和搭载在各类巡检机器人上的高清摄像装置。基于人工智能的矿井视频监控将有效提高人员作业安全性，提升井下生产效率，其主要用于生产作业区域的人员违规识别、煤岩介质识别、煤流运输状况识别、煤矸分拣图像识别、作业安全质量识别、设备状态巡检等场景。2.6煤矿机器人云端控制灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠的通信网络是煤矿机器人实现安全协同生产作业的基本要求。未来煤矿井下需要更多的机器人代替人工进行各类作业，但每个机器人的计算能力有限。煤矿机器人云端控制即实时地将机器人获取的外部信息发送给云端，再将计算结果即时返回机器人，煤矿机器人自身只作为纯粹的执行器，计算资源部署在云端。５Ｇ网络负责将煤矿机器人连接至云端“大脑”，其拥有的低时延特性满足云端处理和网络传输时间相加不超过１００ｍｓ的要求，高带宽特性为机器人提供足够的带宽（１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上）。2.7全矿井安全监测信息采集目前井下感知设备和传输网络无法做到全矿井安全监测信息的泛在感知，如采空区等危险区域的环境监测未能有较好的解决方案。井下巷道、硐室和设备需要布置大量的感知节点，不仅要求终端具备低能耗、低成本、高安全性的特点，还对无线网络的连接数密度、传输速率和实时性有较高要求。５Ｇ技术的低功耗大连接场景将端到端时延控制在１０ｍｓ以内，连接数密度达１０６／ｋｍ２，满足全矿井安全监测信息采集的需求。井下环境监控、作业设备监控、人员体征监控、仪器仪表监控、通风及排水监控等系统均需要５Ｇ网络实现大规模感知节点的互联互通，用一张容纳海量传感器的网络实现全矿井安全监测信息的采集，并接入移动边缘计算服务器，对所采集的信息进行分析和处理，结合云计算和人工智能等先进技术，回传数据处理结果。2.8ＶＲ／ＡＲ矿山ＶＲ、ＡＲ技术在煤矿的应用主要有矿山模型可视化展示、教学和操作培训、仿真环境下施工和开采模拟、工作面设备作业规划和控制、综采监测监控、远程设备维修等。基于ＶＲ、ＡＲ技术建立真正意义上的虚拟矿山模型需要采集所有井下实时更新的巷道环境和作业数据，通过激光测距仪等专业测距仪器获取的点云数据建立３Ｄ模型，通过大量传感节点获取实时环境参数和设备工况信息，从而真实、同步反映矿山数据的动态变化过程，建立矿井远程透明监控系统。５Ｇ技术所特有的低时延、高带宽使大量源数据持续不断地被用于对模型数据进行更新和校正，满足虚拟矿山构建的需要。3前景展望在地面，5G技术已经为森林防火的低功耗广连接场景、自动驾驶的低延时高可靠场景、高清赛事转播的多热点高容量场景等提供了切实可行的解决方案。5G技术与大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术的结合也将逐一在煤矿落地，实现煤矿大数据的实时分析与决策支持，可视化远程操控与数字孪生应用，混合现实远程运维服务等。（1）总体网络架构应该是有线骨干+5G覆盖的形式。以光纤骨干环网保证井下信息传输的安全可靠，以5G网保证井下无线覆盖和移动传输的需求。（2）结合井下实际的巷道或工作面布置优化5G微基站的布置，保证覆盖的同时减少资源消耗。（3）分析并划分井下应用场景，梳理不同应用场景的个性化需求，根据需求对网络资源进行逻辑分割，即完成所谓的“切片”。４结语５Ｇ通信技术具备优异的性能，是矿井无线通信发展的趋势；但是目前来看针对煤炭行业的５Ｇ技术应用场景还需不断挖掘和完善，且由于５Ｇ网络对承载网要求较高，煤矿应预估部署成本，结合自身发展状况和需求搭建矿井５Ｇ通信网络。参考文献：[1]孙继平．矿井宽带无线传输技术研究［Ｊ］．工矿自动化，２０１３，３９（２）：１－５．[2]任文清．４Ｇ无线网络通信技术在大柳塔煤矿的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８（３）：９４－９８．[3]孙继平．矿井移动通信的现状及关键科学技术问题［Ｊ］．工矿自动化，２００９，３５（７）：１１０－１１４．[4]王国法，赵国瑞，任怀伟．智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析［J］．煤炭学报，2019，44（1）：34－41．