苗鑫

摘要：文章基于對5G技術(shù)概念的介紹，重點研究在目前的煤礦智能化中應(yīng)用的必要性并分析其可行性，介紹5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用場景，以供參考。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù);煤礦智能化;應(yīng)用

1、引言

我國在經(jīng)歷了經(jīng)濟高速發(fā)展階段進入經(jīng)濟穩(wěn)步且追求高質(zhì)量發(fā)展的時期，對于煤炭資源的需求也趨于穩(wěn)定。煤炭企業(yè)在經(jīng)歷了落后產(chǎn)能逐漸被淘汰的階段，其產(chǎn)量也在穩(wěn)步增長，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求，對于推動國民經(jīng)濟快速發(fā)展起到重要作用。但是由于煤炭行業(yè)屬于高危行業(yè)，且目前針對煤炭生產(chǎn)安全的要求也在不斷提高，這也要求改進落后礦井的生產(chǎn)條件，解決不同地區(qū)煤炭技術(shù)發(fā)展不平衡的問題。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)就需要突進煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級來提升煤炭企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和安全性。但是傳統(tǒng)的煤炭自動化開采技術(shù)主要以傳統(tǒng)的無限通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，而此技術(shù)在帶寬、時延以及并發(fā)數(shù)量方面存在一定的技術(shù)限制，難以有效融合目前先進的人工智能和大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)。而目前最為先進的5G無限通信技術(shù)，則表現(xiàn)出帶寬大、時延低以及廣連接等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)不同應(yīng)用場景之間的信息高效互通，對于推進煤炭智能化發(fā)展以及數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將其與先進技術(shù)融合來實現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新起到關(guān)鍵作用。

2、5G技術(shù)概述

所謂5G就是第五代移動通訊系統(tǒng)的簡稱，其不僅僅是一種單一的無線接入技術(shù)，而且時一種可以與現(xiàn)有無線接入技術(shù)可以高度融合的全新的無線接入技術(shù)，其與目前普及應(yīng)用的4G技術(shù)相比，從峰值速率、流量密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率、連接數(shù)密度、時延、移動性、頻譜效率、用戶體驗速率等方面都表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，尤其表現(xiàn)出數(shù)據(jù)速率高、時延低以及可以大規(guī)模接入等優(yōu)勢。其與4G技術(shù)相比在很多技術(shù)方面有了較大突破，比如在高頻通信、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、設(shè)備到設(shè)備通信、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、移動邊緣計算等方面。

3、5G技術(shù)在煤礦智能化中應(yīng)用的必要性與可行性

3.1必要性分析

5G技術(shù)在設(shè)計階段就確定了增強型移動寬帶eMBB、超可靠低時延urLLC、海量機器通信mMTC等三大應(yīng)用場景，可以滿足煤礦井下生產(chǎn)中精確過程控制、傳輸超高清視頻、無人礦山智能設(shè)備之間的通信、不同煤礦安全監(jiān)測等傳感數(shù)據(jù)采集需求。因此，此技術(shù)在煤礦智能化開采中的應(yīng)用是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的必然之路。加之目前在煤礦智能化開采中普及應(yīng)用的4G以及WiFi無線通信技術(shù)，無法滿足目前煤礦智能化生產(chǎn)中精確過程控制要求和大量的機器視覺等場景需要高清視頻回放的帶寬需求，而且WiFi組網(wǎng)還具有較差的移動性和覆蓋范圍、容易受到頻段干擾以及帶寬受限等缺點。

但是在目前的煤礦智能化發(fā)展趨勢下，從智能化開采感知、智能化開采傳輸、智能化開采決策控制、智能化開采新技術(shù)新場景應(yīng)用、異構(gòu)物聯(lián)設(shè)備互聯(lián)互通等需求方面有了顯著的提升。比如在目前的智能化開采中需要大量傳感數(shù)據(jù)的支持，而且煤礦數(shù)據(jù)表現(xiàn)出多樣性、數(shù)據(jù)生成速度快以及數(shù)據(jù)體量增長快等特點。而對于開采傳輸需求來說，雖然通過將通信環(huán)網(wǎng)、視頻環(huán)網(wǎng)和安全環(huán)網(wǎng)相互獨立建設(shè)的方式可以解決數(shù)據(jù)互占通道以及安全數(shù)據(jù)隔離等問題，但是也表現(xiàn)出較高成本以及底層和上層物聯(lián)難度較大等問題。需要發(fā)揮5G技術(shù)中的切片管理技術(shù)，通過定制網(wǎng)絡(luò)的專網(wǎng)方式進行隔離并實現(xiàn)底層端的互聯(lián)，滿足不同場景的開采傳輸需求。以開采決策控制需求為例，由于目前井下智能化綜采系統(tǒng)中的各類智能化設(shè)備數(shù)量較多，并且需要同意的中心控制系統(tǒng)收集這些設(shè)備的信息并開展統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理和控制，對于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性的要求較高。以開采新技術(shù)新場景的應(yīng)用需求為例，在目前煤礦智能化生產(chǎn)水平不斷提高的發(fā)展趨勢下，井下大量智能設(shè)備的應(yīng)用可以實現(xiàn)實時巡查以及遠程會診，但是也需要消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，且要滿足信息快速反饋以及實時狀態(tài)控制等要求。然而目前主流的4G技術(shù)等已經(jīng)無法支撐智能化生產(chǎn)技術(shù)的需求，而5G技術(shù)則為煤礦智能生產(chǎn)中應(yīng)用各種業(yè)務(wù)場景提供了有力的技術(shù)支持。最后針對異構(gòu)物聯(lián)設(shè)備的互聯(lián)互通需求為例，由于目前煤礦生產(chǎn)中所用無線通信協(xié)議數(shù)量較多，難以實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備之間的有效互通互聯(lián)，影響了用戶體驗。而應(yīng)用5G技術(shù)則可以將現(xiàn)有或者未來的無線接入傳輸技術(shù)和功能網(wǎng)絡(luò)進行融合而形成統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)，可以為用戶提供超低時延以及超高速率的體驗，滿足不同業(yè)務(wù)場景的需求。

3.2可行性分析

由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境中存在空間狹長和多分支的特點，其中的粗糙煤壁會對無線電波傳輸起到干擾或者吸收無線電波，加之井下狹小的空間中應(yīng)用多種電氣設(shè)備等會產(chǎn)生較強的電磁干擾，在空氣中彌漫著瓦斯和粉塵等，開采作業(yè)環(huán)境比較特殊，對于5G系統(tǒng)部署和應(yīng)用帶來較大的難度。比如在5G技術(shù)應(yīng)用中會出現(xiàn)高頻無線信號快速衰減，在提升定向傳輸能力時會降低繞射能力，因而減小其傳輸距離和覆蓋范圍。針對上述問題，目前5G技術(shù)中通過超密集組網(wǎng)技術(shù)和微基站技術(shù)的應(yīng)用進行解決。此外，在應(yīng)用5G技術(shù)時，通過微基站的應(yīng)用，只需要3個微基站就可以覆蓋原有4G網(wǎng)絡(luò)的管控范圍，同時也提升帶寬和速率并降低時延。而且此微基站的體積小且功耗比較低，運行安全性較高。而針對煤礦生產(chǎn)中的井下空間狹長以及多分支等特點，也可以利用5G技術(shù)中的有線光纖主干+密集5G微基站的布設(shè)方案來解決。并且通過合理進行網(wǎng)絡(luò)切片的方式來解決視頻監(jiān)控和控制信號同步傳輸?shù)膯栴}，并起到有效的安全隔離作用。由此可見，基于5G技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸和分發(fā)平臺在目前的煤礦智能化開采中的應(yīng)用是可行的。

4、5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用場景分析

一是在煤礦的不同應(yīng)用場景中，通過5G技術(shù)的應(yīng)用，可以發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合不同服務(wù)需求來劃分不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)，滿足大量并行業(yè)務(wù)上線以及端到端的性能需求。比如在高精實時定位與應(yīng)用服務(wù)中，基于5G網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的井下定位和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，可以在井下車輛管理和開采精準(zhǔn)推進等應(yīng)用中解決移動設(shè)備的實時控制和管理的難題。二是基于5G技術(shù)開發(fā)的虛擬現(xiàn)實以及增強現(xiàn)實技術(shù)，可以利用裸眼3D等技術(shù)進行三維建模與虛擬展示，而且發(fā)揮其互動模擬以及可視化設(shè)計的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于井下培訓(xùn)系統(tǒng)中。還可以發(fā)揮其混合現(xiàn)實、云端實時渲染和虛實融合操控等優(yōu)勢，在虛擬開采和協(xié)同運維中應(yīng)用。三是在生產(chǎn)遠程實時控制中，發(fā)揮5G技術(shù)低時延的優(yōu)勢，實現(xiàn)井上全功能的遠程控制。四是在井下遠程協(xié)同運維中，面對更加復(fù)雜的井下裝備及其組成的智能化系統(tǒng)，可以通過5G網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場的音視頻信息向遠端傳輸，且在現(xiàn)場設(shè)備上應(yīng)用虛擬模型，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，專家可以遠程如同現(xiàn)場人員一樣進行操作并使用機器代替人工進行操作。五是在井下巡檢和安防中，發(fā)揮5G技術(shù)在定位、高速數(shù)據(jù)傳輸以及端端無鏈等方面的優(yōu)勢，將井下的安全信息進行實時傳輸和共享，并且向其他移動撞斷設(shè)備主動推送相關(guān)信息，表現(xiàn)出更加高效、更可靠以及良好經(jīng)濟性等優(yōu)點。

5、結(jié)語

5G技術(shù)由于具備了4G以及WiFi等無線通信技術(shù)不具備的顯著優(yōu)勢，在目前煤礦智能化發(fā)展的必然趨勢下，無論從未來發(fā)展的必然性，還是從技術(shù)以及實際應(yīng)用的可行性上，都表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。未來會逐漸將5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，推動煤礦智能化建設(shè)與發(fā)展。

參考文獻：

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