5G技术在煤矿智能化中的应用探究

苗鑫

摘要：文章基于对5G技术概念的介绍，重点研究在目前的煤矿智能化中应用的必要性并分析其可行性，介绍5G技术在煤矿智能化中的应用场景，以供参考。

关键词：5G技术;煤矿智能化;应用

1、引言

我国在经历了经济高速发展阶段进入经济稳步且追求高质量发展的时期，对于煤炭资源的需求也趋于稳定。煤炭企业在经历了落后产能逐渐被淘汰的阶段，其产量也在稳步增长，满足人们日益增长的能源需求，对于推动国民经济快速发展起到重要作用。但是由于煤炭行业属于高危行业，且目前针对煤炭生产安全的要求也在不断提高，这也要求改进落后矿井的生产条件，解决不同地区煤炭技术发展不平衡的问题。为了实现上述目标就需要突进煤炭工业技术的发展以及煤炭行业转型升级来提升煤炭企业生产质量和安全性。但是传统的煤炭自动化开采技术主要以传统的无限通讯技术为基础，而此技术在带宽、时延以及并发数量方面存在一定的技术限制，难以有效融合目前先进的人工智能和大数据、虚拟现实等技术。而目前最为先进的5G无限通信技术，则表现出带宽大、时延低以及广连接等优势，可以实现不同应用场景之间的信息高效互通，对于推进煤炭智能化发展以及数字化转型，将其与先进技术融合来实现应用的创新起到关键作用。

2、5G技术概述

所谓5G就是第五代移动通讯系统的简称，其不仅仅是一种单一的无线接入技术，而且时一种可以与现有无线接入技术可以高度融合的全新的无线接入技术，其与目前普及应用的4G技术相比，从峰值速率、流量密度、网络能量效率、连接数密度、时延、移动性、频谱效率、用户体验速率等方面都表现出显著的优势，尤其表现出数据速率高、时延低以及可以大规模接入等优势。其与4G技术相比在很多技术方面有了较大突破，比如在高频通信、大规模天线阵列、超密集组网、设备到设备通信、网络切片技术、移动边缘计算等方面。

3、5G技术在煤矿智能化中应用的必要性与可行性

3.1必要性分析

5G技术在设计阶段就确定了增强型移动宽带eMBB、超可靠低时延urLLC、海量机器通信mMTC等三大应用场景，可以满足煤矿井下生产中精确过程控制、传输超高清视频、无人矿山智能设备之间的通信、不同煤矿安全监测等传感数据采集需求。因此，此技术在煤矿智能化开采中的应用是煤炭行业未来发展的必然之路。加之目前在煤矿智能化开采中普及应用的4G以及WiFi无线通信技术，无法满足目前煤矿智能化生产中精确过程控制要求和大量的机器视觉等场景需要高清视频回放的带宽需求，而且WiFi组网还具有较差的移动性和覆盖范围、容易受到频段干扰以及带宽受限等缺点。

但是在目前的煤矿智能化发展趋势下，从智能化开采感知、智能化开采传输、智能化开采决策控制、智能化开采新技术新场景应用、异构物联设备互联互通等需求方面有了显著的提升。比如在目前的智能化开采中需要大量传感数据的支持，而且煤矿数据表现出多样性、数据生成速度快以及数据体量增长快等特点。而对于开采传输需求来说，虽然通过将通信环网、视频环网和安全环网相互独立建设的方式可以解决数据互占通道以及安全数据隔离等问题，但是也表现出较高成本以及底层和上层物联难度较大等问题。需要发挥5G技术中的切片管理技术，通过定制网络的专网方式进行隔离并实现底层端的互联，满足不同场景的开采传输需求。以开采决策控制需求为例，由于目前井下智能化综采系统中的各类智能化设备数量较多，并且需要同意的中心控制系统收集这些设备的信息并开展统一协调处理和控制，对于通信网络的可靠性和实时性的要求较高。以开采新技术新场景的应用需求为例，在目前煤矿智能化生产水平不断提高的发展趋势下，井下大量智能设备的应用可以实现实时巡查以及远程会诊，但是也需要消耗大量的网络带宽资源，且要满足信息快速反馈以及实时状态控制等要求。然而目前主流的4G技术等已经无法支撑智能化生产技术的需求，而5G技术则为煤矿智能生产中应用各种业务场景提供了有力的技术支持。最后针对异构物联设备的互联互通需求为例，由于目前煤矿生产中所用无线通信协议数量较多，难以实现工业设备之间的有效互通互联，影响了用户体验。而应用5G技术则可以将现有或者未来的无线接入传输技术和功能网络进行融合而形成统一的核心网络，可以为用户提供超低时延以及超高速率的体验，满足不同业务场景的需求。

3.2可行性分析

由于煤矿井下生产环境中存在空间狭长和多分支的特点，其中的粗糙煤壁会对无线电波传输起到干扰或者吸收无线电波，加之井下狭小的空间中应用多种电气设备等会产生较强的电磁干扰，在空气中弥漫着瓦斯和粉尘等，开采作业环境比较特殊，对于5G系统部署和应用带来较大的难度。比如在5G技术应用中会出现高频无线信号快速衰减，在提升定向传输能力时会降低绕射能力，因而减小其传输距离和覆盖范围。针对上述问题，目前5G技术中通过超密集组网技术和微基站技术的应用进行解决。此外，在应用5G技术时，通过微基站的应用，只需要3个微基站就可以覆盖原有4G网络的管控范围，同时也提升带宽和速率并降低时延。而且此微基站的体积小且功耗比较低，运行安全性较高。而针对煤矿生产中的井下空间狭长以及多分支等特点，也可以利用5G技术中的有线光纤主干+密集5G微基站的布设方案来解决。并且通过合理进行网络切片的方式来解决视频监控和控制信号同步传输的问题，并起到有效的安全隔离作用。由此可见，基于5G技术构建数据传输和分发平台在目前的煤矿智能化开采中的应用是可行的。

4、5G技术在煤矿智能化中的应用场景分析

一是在煤矿的不同应用场景中，通过5G技术的应用，可以发挥其网络切片技术的优势，结合不同服务需求来划分不同的虚拟网络，满足大量并行业务上线以及端到端的性能需求。比如在高精实时定位与应用服务中，基于5G网络开发的井下定位和应用服务系统，可以在井下车辆管理和开采精准推进等应用中解决移动设备的实时控制和管理的难题。二是基于5G技术开发的虚拟现实以及增强现实技术，可以利用裸眼3D等技术进行三维建模与虚拟展示，而且发挥其互动模拟以及可视化设计的优势，将其应用于井下培训系统中。还可以发挥其混合现實、云端实时渲染和虚实融合操控等优势，在虚拟开采和协同运维中应用。三是在生产远程实时控制中，发挥5G技术低时延的优势，实现井上全功能的远程控制。四是在井下远程协同运维中，面对更加复杂的井下装备及其组成的智能化系统，可以通过5G网络将现场的音视频信息向远端传输，且在现场设备上应用虚拟模型，通过虚拟现实技术的应用，专家可以远程如同现场人员一样进行操作并使用机器代替人工进行操作。五是在井下巡检和安防中，发挥5G技术在定位、高速数据传输以及端端无链等方面的优势，将井下的安全信息进行实时传输和共享，并且向其他移动撞断设备主动推送相关信息，表现出更加高效、更可靠以及良好经济性等优点。

5、结语

5G技术由于具备了4G以及WiFi等无线通信技术不具备的显著优势，在目前煤矿智能化发展的必然趋势下，无论从未来发展的必然性，还是从技术以及实际应用的可行性上，都表现出广阔的应用前景。未来会逐渐将5G技术应用于煤矿生产中，推动煤矿智能化建设与发展。

参考文献：

[1] 应东杰. 5G技术在煤矿智能化中的应用展望分析[J]. 电子世界， 2020（11）.

[2] 霍振龙，  张袁浩. 5G通信技术及其在煤矿的应用构想[J]. 工矿自动化， 2020， 046（003）：1-5.

（陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林  719300）