5G通信技術及其在煤礦的應用構想

5G通信技術及其在煤礦的應用構想摘要:近年來我國煤礦無線通信系統(tǒng)首選WiFi和4G通信技術，隨著煤礦智能化建設的發(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，闡述了第五代移動通信技術(5G)關鍵技術及其性能優(yōu)勢；給出了礦用5G無線通信系統(tǒng)的組成及組網(wǎng)方式；結合5G通信技術特點和煤礦智能化發(fā)展需求，提出了5G通信技術在煤礦的應用場景，如井下無人駕駛及智能運輸、全礦井位置服務、設備遠程操控、故障遠程診斷、大寬帶業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸、煤礦機器人云端控制、全礦井安全監(jiān)測信息采集、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實礦山等；指出針對煤炭行業(yè)的5G技術應用場景還需不斷挖掘和完善，且由于5G網(wǎng)絡對承載網(wǎng)要求較高，煤礦應預估部署成本，結合自身發(fā)展狀況和需求搭建礦井5G通信網(wǎng)絡。關鍵詞：礦井無線通信；5G；煤礦智能化；低時延；高帶寬；安全監(jiān)測監(jiān)控0引言為滿足煤炭工業(yè)安全生產對礦井無線通信的需求，自20世紀80年代起，我國先后研制并應用了礦井漏泄通信、感應通信、透地通信、PHS(小靈通)通信系統(tǒng)[1]2010年后，通信技術發(fā)展愈來愈快，煤礦無線通信系統(tǒng)的應用隨時面臨礦井特定工作環(huán)境和作業(yè)流程的制約，如：寬帶要求，礦井提升機視頻監(jiān)控、采掘工作面實時移動視頻；流動性要求，機車運輸調度、巡檢員等流動作業(yè)人員之間及巡檢員和調度員之間的信號聯(lián)絡、對移動設備的數(shù)據(jù)采集等；即時性要求，設備及時維修、發(fā)生事故時組織緊急撤離和安全救護等。針對這些要求，各通信公司和研究院所科研人員經(jīng)過不懈努力，先后研制出礦井CDMA，WiFi，3G，4G通信系統(tǒng)并成功推廣應用。相較而言，能夠保證較好的語音、圖像、視頻傳輸性能的WiFi和4G通信技術近年來成為我國煤礦井下移動通信系統(tǒng)的首選，其性能基本滿足煤礦井下開采主要業(yè)務的數(shù)據(jù)通信需求。然而，煤炭行業(yè)對于[2]先進通信技術的要求是不斷存在且愈加苛刻的。一方面，井下特殊環(huán)境不僅要[3-5]求通信系統(tǒng)具有傳輸速率高、時延低、并發(fā)量大、可靠性高的特點，還對網(wǎng)絡覆蓋、傳輸功率、安全防爆、傳輸繞射、抗干擾等能力有特殊要求；另一方面，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展及礦井智能化水平的提高，包括智能采煤、智能運輸、礦井物聯(lián)網(wǎng)、煤礦大數(shù)據(jù)、礦用機器視覺、煤礦機器人、虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)等新興技術的井下應用，井下各類數(shù)據(jù)趨向規(guī)?；蛷碗s化，現(xiàn)階段煤礦無線通信系統(tǒng)的性能逐漸無法滿足智能化發(fā)展的各項需求。礦井無線寬帶通信是智慧礦山建設的關鍵，5G技術將突破傳統(tǒng)無線通信技術在傳輸帶寬、時延、連接數(shù)等[6]方面的制約，搭建礦井5G通信網(wǎng)絡將為煤礦智能化開采、礦井物聯(lián)網(wǎng)建設、[7-8]煤礦大數(shù)據(jù)業(yè)務等方面提供高速率、低時延、大連接、高可靠的通信鏈路保障。15G關鍵技術及優(yōu)勢1.15G關鍵技術面對多樣化場景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案，5G技術創(chuàng)新主要來源于無線技術和網(wǎng)絡技術兩方面。在無線技術領域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和[9-10]全頻譜接入等技術已成為業(yè)界關注的焦點；在網(wǎng)絡技術領域，基于軟件定義網(wǎng)絡(SoftwareDefinedNetwork，SDN)和網(wǎng)絡功能虛擬化(NetworkFunctionsVirtualization，NFV)的新型網(wǎng)絡架構已取得廣泛共識。此外，基于濾波的正交頻分復用(Filtered-OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,F-OFDM)、濾波器組多載波(FilterBankMulticarrier,FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(DevicetoDevice,D2D)、多元低密度奇偶檢驗(Q-aryLow-densityParitycheck，Q-aryLDPC)碼、網(wǎng)絡編碼、極化碼等也被認為是5G潛在關鍵技術。1.25G技術性能優(yōu)勢5G關鍵技術的應用使5G通信系統(tǒng)的性能大幅提高，與前幾代無線通信技術相比，5G通信技術具有傳輸速率高、網(wǎng)絡頻譜寬、時延低、可靠性高、容量大等優(yōu)勢(表1)。表12G/3G/4G/5G通信技術性能對比Table1Performancecomparisonof2G/3G/4G/5Gcommunicationtechnologies理世紓値遽率用戶體蛍理家砌到端時毬動tv(km■h.~*】多址方代信迫編碼2G384khit/a60!)-數(shù)字逋信TDM.VCDMATurlwj21Mbit/s440kbit/s2(?200CJ)MATuriw4G1GKil/a10Mbil/i30-541350也【皿、高址網(wǎng)瞄st據(jù)OFDMTurhi5G10Chii/t,100Uhii/s<1cMD^mMTC/ufturF-OFDM/FBMC/PDM.VSCMAI.DPC/kihr(1)用戶體驗速率(真實網(wǎng)絡環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率)：100Mbit/s~1Gbit/s。連接數(shù)密度(單位面積上支持的在線設備總和)：10/km。62端到端時延(數(shù)據(jù)包從源節(jié)點開始傳輸?shù)奖荒繕斯?jié)點正確接收的時間)：1ms。移動性(滿足一定性能要求時，收發(fā)雙方時間的最大相對移動速度)：500km/h以上。流量密度(單位面積區(qū)域內的總流量):10Mbits?m。-1-2

（6）用戶峰值速率（用戶可獲得的最高傳輸速率）：10-20Gbit/s。2礦井5G無線通信系統(tǒng)架構2.1系統(tǒng)組成礦井5G無線通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)平臺、地面5G基站、井下基站、井下HUB等組成，如圖1所示。井上采用AAU（ActiveAntennaUnit有源天線單元）完成地面覆蓋，通過Ir接口與BBU（BuildingBasebandUnit,室內基帶處理單元）相連；井下采用PicoRRU（RemoteRadioUnit,射頻拉遠單元）井下基站實現(xiàn)無線網(wǎng)絡覆蓋，井下基站通過井下HUB進行匯聚后，與井上BBU相連，傳輸接口為Ir接口。井下UilllJHiHHHUB圖1礦井井下UilllJHiHHHUB圖1礦井5G無線通信系統(tǒng)架構Fig.1Architectureofmine5Gwirelesscommunicationsystem;■壞境傳感誥j國手機"（有綁無纜I視頻釆笙 曲疝li軽設備終端 傳磅盟2.2組網(wǎng)方式5G網(wǎng)絡部署包含非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）和獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）2種方式[n]NSA是利用現(xiàn)有4G基礎設施，融合4G核心網(wǎng)部署5G網(wǎng)絡，并實現(xiàn)5G與長期演進(LongTermEvolution,LTE)聯(lián)合組網(wǎng)，這種方式在演變過程中涉及核心網(wǎng)的切換和增強型4G基站的改造，初期建網(wǎng)速度快，成本相對較低，但靈活性較差，中后期部署工作量大；SA則是重新搭建—張5G網(wǎng)絡，所用基站和基礎設施均要重新部署和建設，初期成本較高，雖然也可將現(xiàn)有的4G基站升級增強后與5G核心網(wǎng)連接，但SA架構的最終形態(tài)是5G基站連接5G核心網(wǎng)，不依賴現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡和基站設備，這種組網(wǎng)方式支持5G所有的新功能和新應用。礦井可依據(jù)現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的裝備情況和對無線通信的需求選擇合適的組網(wǎng)方式。35G通信技術在礦井的應用從礦山智慧化發(fā)展的角度來看，要實現(xiàn)煤礦作業(yè)人員、環(huán)境和設備全面感知下的“萬物互聯(lián)”，“—網(wǎng)—站”的高速井下通信網(wǎng)絡搭建，礦山關鍵設備遠程控制，礦井上下實景三維模型虛擬仿真，礦山數(shù)據(jù)的深層次挖掘等應用，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、SDN、VR和增強現(xiàn)實(AugmentedReality,AR)等數(shù)字化進程的關鍵技術，催生著煤炭行業(yè)不斷創(chuàng)新，為煤礦智能化建設和煤炭企業(yè)安全生產提供了新的技術手段，而5G通信網(wǎng)絡則將這些技術和礦井應用場景緊密連接起來。通過分析5G技術三大應用場景，初步認為5G技術的優(yōu)勢特點與煤炭行業(yè)智能化發(fā)展進程中對通信網(wǎng)絡技術的需求相契合，5G技術的三大應用場景均覆蓋了井下通信技術發(fā)展和應用方向，見表2。表25G技術煤礦應用場景Table2Applicationscenariosof5Gtechnologyincoalmine5C場景 特點煤礦應用場第⑵2低時延、超可靠ulxLLl.,_.b.airi井下無人駕駛■智能運輸、智能開采、全礦井債置服務.設備遠稈操權、戰(zhàn)障遠禪診斷.機器人擰制，設規(guī)協(xié)同作業(yè)等増強型移動寬井下島淸視頻監(jiān)控、譏音適信、智能終端、帶，熱點高容址VR/AR曠山、混合現(xiàn)實束礦帑廊能施.小數(shù)期乍輛運輸轡理.智能穿眥設備.安仝監(jiān)測信怙、大連接數(shù)息采集、井下電子圉欄等3.1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)絡的難題。目前只有5G技術才能為井下通信網(wǎng)絡提供充足的帶寬、優(yōu)良的服務質量、低時延及精確的定位能力。井下車輛行駛過程中，5G技術的高速率能夠實時對巷道大量3D地圖數(shù)據(jù)進行轉換，專感器數(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)絡及設備，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、調度裝備、自動化轉運裝置及相關的運輸對象進行整體協(xié)調，5G技術將大規(guī)模、實時傳輸采集到的車輛、車皮、設備、煤流、物資及附近環(huán)境等相關參數(shù)信息，以提高車輛運輸和設備運行效率，保證運輸系統(tǒng)運轉過程安全高效。3.2全礦井位置服務目前井下定位系統(tǒng)或位置跟蹤系統(tǒng)都是針對單一需求而設計，僅滿足了礦井部分場合和局部的業(yè)務需求。井下作業(yè)的少人化和無人化發(fā)展對位置服務的需求日益顯現(xiàn)，對井下位置服務系統(tǒng)的精度、容量和響應時間等指標都提出了更高的需求。5G技術利用大規(guī)模天線、高頻段通信等技術特征，為實現(xiàn)高精度定位提供了技術保障。3.3設備遠程操控設備遠程操控是智能開采的重要組成部分［12］實現(xiàn)設備遠程控制對網(wǎng)絡實時性的要求極高，井下設備控制網(wǎng)絡通信鏈路長、環(huán)境苛刻，5G技術所提供的高可靠和超低時延的控制網(wǎng)絡是保證井下設備正常運轉的前提。同時，井下開采作業(yè)伴隨著大量數(shù)據(jù)的生成，設備高精度傳感器要采集掘進機、采煤機、液壓支架等主要設備的實時狀態(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)設備及整套作業(yè)工序的智能遠程控制。3.4故障遠程診斷井下設備故障遠程診斷依賴5G網(wǎng)絡的低時延和高服務質量保障特性，利用智能傳感器實現(xiàn)設備狀態(tài)實時監(jiān)測，并與云端AI平臺、數(shù)據(jù)庫進行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和處理，對設備進行主動監(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備故障類型，大幅降低了檢修班工作強度。此外，5G技術與AR/VR技術的結合應用，通過回傳的現(xiàn)場高清視頻，有望實現(xiàn)地面人員對井下設備的遠程運維，或指導當班人員現(xiàn)場進行維修作業(yè)，如對檢修設備進行遠程操控，甚至不用人員下井就能完成故障修復。大寬帶業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸5G技術可滿足礦井高清視頻監(jiān)控服務對網(wǎng)絡帶寬的要求，井下大寬帶業(yè)務數(shù)據(jù)來源于主要作業(yè)點，包括采掘工作面、進回風巷、主要運輸巷道等重點視頻監(jiān)控區(qū)域，視頻采集設備為作業(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?；谌斯ぶ悄艿牡V井視頻監(jiān)控將有效提高人員作業(yè)安全性，提升井下生產效率，其主要用于生產作業(yè)區(qū)域的人員違規(guī)識別、煤巖介質識別、煤流運輸狀況識別、煤矸分揀圖像識別、作業(yè)安全質量識別、設備狀態(tài)巡檢等場景。此外，災后救援現(xiàn)場的圖像和視頻也可用于指導開展救援工作。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)絡是煤礦機器人實現(xiàn)安全協(xié)同生產作業(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)絡負責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）。全礦井安全監(jiān)測信息采集目前井下感知設備和傳輸網(wǎng)絡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)絡的連接數(shù)密度、傳輸速率和實時性有較高要求。5G技術的低功耗大連接場景將端到端時延控制在10ms以內，連接數(shù)密度達10/km，滿足全礦62井安全監(jiān)測信息采集的需求。井下環(huán)境監(jiān)控、作業(yè)設備監(jiān)控、人員體征監(jiān)控、儀器儀表監(jiān)控、通風及排水監(jiān)控等系統(tǒng)均需要5G網(wǎng)絡實現(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)絡實現(xiàn)全礦井安全監(jiān)測信息的采集，并接入[13]移動邊緣計算服務器，對所采集的信息進行分析和處理，結合云