5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用展望 劉洋

5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用展望劉洋摘要：近年來我國煤礦無線通信系統(tǒng)首選WiFi和4G通信技術(shù)，隨著煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)階段煤礦無線通信系統(tǒng)的性能已無法滿足煤礦智能化發(fā)展的各項需求。對比前幾代移動通信技術(shù)，闡述了第五代移動通信技術(shù)（5G）關(guān)鍵技術(shù)的概念及其在煤礦中的應(yīng)用。簡要展望了基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在煤礦智能化中的融合應(yīng)用。關(guān)鍵詞：礦井無線通信；5G；煤礦智能化；應(yīng)用展望5G技術(shù)概述5G是第五代移動通訊系統(tǒng)的簡稱，既不是單一的無線接入技術(shù)，也不都是全新的無線接入技術(shù)，是新的無線接入技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)的高度融合。其主要特點是超高數(shù)據(jù)速率、超低延時和超大規(guī)模接入。5G通信技術(shù)在礦井的應(yīng)用2.1井下無人駕駛及智能運輸井下無人駕駛對礦井無線網(wǎng)絡(luò)的需求極高，而機器對機器之間的通信一直是無線通信網(wǎng)絡(luò)的難題。井下車輛行駛過程中，5G技術(shù)的高速率能夠?qū)崟r對巷道大量3D地圖數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，傳感器數(shù)據(jù)的共享也將提升車輛的環(huán)境感知能力。通過5G網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備，車輛具備精確定位、安全監(jiān)測、自主感知、主動避障、自動錯車、風(fēng)門聯(lián)動等功能，實現(xiàn)井下運輸車輛無人駕駛。井下運輸系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化，需要在頂層對井下煤流、物料、人員運輸整個過程中所涉及的運輸車輛、運料裝備、膠帶、集裝箱、調(diào)度裝備、自動化轉(zhuǎn)運裝置及相關(guān)的運輸對象進行整體協(xié)調(diào)，5G技術(shù)將大規(guī)模、實時傳輸采集到的車輛、車皮、設(shè)備、煤流、物資及附近環(huán)境等相關(guān)參數(shù)信息，以提高車輛運輸和設(shè)備運行效率，保證運輸系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程安全高效。2.2全礦井位置服務(wù)目前井下定位系統(tǒng)或位置跟蹤系統(tǒng)都是針對單一需求而設(shè)計，僅滿足了礦井部分場合和局部的業(yè)務(wù)需求。井下作業(yè)的少人化和無人化發(fā)展對位置服務(wù)的需求日益顯現(xiàn)，對井下位置服務(wù)系統(tǒng)的精度、容量和響應(yīng)時間等指標(biāo)都提出了更高的需求°5G技術(shù)利用大規(guī)模天線、高頻段通信等技術(shù)特征，為實現(xiàn)高精度定位提供了技術(shù)保障。2.3設(shè)備遠程操控設(shè)備遠程操控是智能開采的重要組成部分，實現(xiàn)設(shè)備遠程控制對網(wǎng)絡(luò)實時性的要求極高，井下設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)通信鏈路長、環(huán)境苛刻，5G技術(shù)所提供的高可靠和超低時延的控制網(wǎng)絡(luò)是保證井下設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的前提。同時，井下開采作業(yè)伴隨著大量數(shù)據(jù)的生成，設(shè)備高精度傳感器要采集掘進機、采煤機、液壓支架等主要設(shè)備的實時狀態(tài)參數(shù)信息，環(huán)境傳感器要采集作業(yè)巷道環(huán)境參數(shù)信息，高清攝像頭要采集工作面作業(yè)視頻和煤壁圖像。這些數(shù)據(jù)種類繁多、體量巨大、生成速度極快，必須依靠5G通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延、高可靠、高連接的傳輸特性，才能在遠端搭建實時同步的開采可視化模型，人員在地面利用可視化系統(tǒng)實時跟蹤工作面現(xiàn)場場景，下達控制指令，實現(xiàn)設(shè)備及整套作業(yè)工序的智能遠程控制。2.4故障遠程診斷井下設(shè)備故障遠程診斷依賴5G網(wǎng)絡(luò)的低時延和高服務(wù)質(zhì)量保障特性，利用智能傳感器實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測，并與云端入1平臺、數(shù)據(jù)庫進行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和處理，對設(shè)備進行主動監(jiān)測，提出定制化的診斷方案，維修人員不必專門前往井下判斷設(shè)備故障類型，大幅降低了檢修班工作強度。2.5大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸5G技術(shù)可滿足礦井高清視頻監(jiān)控服務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，井下大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來源于主要作業(yè)點，包括采掘工作面、進回風(fēng)巷、主要運輸巷道等重點視頻監(jiān)控區(qū)域，視頻采集設(shè)備為作業(yè)點固定安裝和搭載在各類巡檢機器人上的高清攝像裝置。基于人工智能的礦井視頻監(jiān)控將有效提高人員作業(yè)安全性，提升井下生產(chǎn)效率，其主要用于生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的人員違規(guī)識別、煤巖介質(zhì)識別、煤流運輸狀況識別、煤砰分揀圖像識別、作業(yè)安全質(zhì)量識別、設(shè)備狀態(tài)巡檢等場景。2.6煤礦機器人云端控制靈活、可移動、高帶寬、低時延和高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是煤礦機器人實現(xiàn)安全協(xié)同生產(chǎn)作業(yè)的基本要求。未來煤礦井下需要更多的機器人代替人工進行各類作業(yè)，但每個機器人的計算能力有限。煤礦機器人云端控制即實時地將機器人獲取的外部信息發(fā)送給云端，再將計算結(jié)果即時返回機器人，煤礦機器人自身只作為純粹的執(zhí)行器，計算資源部署在云端°5G網(wǎng)絡(luò)負責(zé)將煤礦機器人連接至云端"大腦”，其擁有的低時延特性滿足云端處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間相加不超過100ms的要求，高帶寬特性為機器人提供足夠的帶寬(10Gbit/s以上)。2.7全礦井安全監(jiān)測信息采集目前井下感知設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)無法做到全礦井安全監(jiān)測信息的泛在感知，如采空區(qū)等危險區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測未能有較好的解決方案。井下巷道、硐室和設(shè)備需要布置大量的感知節(jié)點，不僅要求終端具備低能耗、低成本、高安全性的特點，還對無線網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)密度、傳輸速率和實時性有較高要求°5G技術(shù)的低功耗大連接場景將端到端時延控制在10ms以內(nèi)，連接數(shù)密度達106/km2，滿足全礦井安全監(jiān)測信息采集的需求。井下環(huán)境監(jiān)控、作業(yè)設(shè)備監(jiān)控、人員體征監(jiān)控、儀器儀表監(jiān)控、通風(fēng)及排水監(jiān)控等系統(tǒng)均需要5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大規(guī)模感知節(jié)點的互聯(lián)互通，用一張容納海量傳感器的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全礦井安全監(jiān)測信息的采集，并接入移動邊緣計算服務(wù)器，對所采集的信息進行分析和處理，結(jié)合云計算和人工智能等先進技術(shù)，回傳數(shù)據(jù)處理結(jié)果。2.8VR/AR礦山VR、AR技術(shù)在煤礦的應(yīng)用主要有礦山模型可視化展示、教學(xué)和操作培訓(xùn)、仿真環(huán)境下施工和開采模擬、工作面設(shè)備作業(yè)規(guī)劃和控制、綜采監(jiān)測監(jiān)控、遠程設(shè)備維修等。基于VR、AR技術(shù)建立真正意義上的虛擬礦山模型需要采集所有井下實時更新的巷道環(huán)境和作業(yè)數(shù)據(jù)，通過激光測距儀等專業(yè)測距儀器獲取的點云數(shù)據(jù)建立3D模型，通過大量傳感節(jié)點獲取實時環(huán)境參數(shù)和設(shè)備工況信息，從而真實、同步反映礦山數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程，建立礦井遠程透明監(jiān)控系統(tǒng)°5G技術(shù)所特有的低時延、高帶寬使大量源數(shù)據(jù)持續(xù)不斷地被用于對模型數(shù)據(jù)進行更新和校正，滿足虛擬礦山構(gòu)建的需要。3前景展望在地面，5G技術(shù)已經(jīng)為森林防火的低功耗廣連接場景、自動駕駛的低延時高可靠場景、高清賽事轉(zhuǎn)播的多熱點高容量場景等提供了切實可行的解決方案。5G技術(shù)與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的結(jié)合也將逐一在煤礦落地，實現(xiàn)煤礦大數(shù)據(jù)的實時分析與決策支持，可視化遠程操控與數(shù)字孿生應(yīng)用，混合現(xiàn)實遠程運維服務(wù)等。總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該是有線骨干+5G覆蓋的形式。以光纖骨干環(huán)網(wǎng)保證井下信息傳輸?shù)陌踩煽?，?G網(wǎng)保證井下無線覆蓋和移動傳輸?shù)男枨?。結(jié)合井下實際的巷道或工作面布置優(yōu)化5G微基站的布置，保證覆蓋的同時減少資源消耗。分析并劃分井下應(yīng)用場景，梳理不同應(yīng)用場景的個性化需求，根據(jù)需求對網(wǎng)絡(luò)資源進行邏輯分割，即完成所謂的“切片〃。4結(jié)語5G通信技術(shù)具備優(yōu)異的性能，是礦井無線通信發(fā)展的趨勢；但是目前來看針對煤炭行業(yè)的5G技術(shù)應(yīng)用場景還需不斷挖掘和完善，且由于5G網(wǎng)絡(luò)對承載網(wǎng)要求較高，煤礦應(yīng)預(yù)估部署成本，結(jié)合自身發(fā)展?fàn)顩r和需求搭建礦井5G通信網(wǎng)絡(luò)。參考文獻：孫繼平.礦井寬帶無線傳輸技術(shù)研究[J].工礦自動化，2013，39(2)：1-5.任文清.4G無