5G技术在煤矿智能化建设中的应用展望

＊赵志勇 王生俊 康志强

（山西汾西矿业集团柳湾煤矿 山西 032303）

1.引言

本文分析了5G中的6种关键技术，包括RF通信，大型天线阵列，超致密网络，设备到设备通信，网络分离和移动边缘计算及其各自的技术特征，并探讨了智能煤矿的应用信息感知，各种类型的数据传输中的缺陷，实时决策，新技术应用以及异构物联网设备的互操作性要求。

2.煤矿智能化应用5G技术的必要性与可行性

(1)煤矿智能化应用5G技术的必要性

图1 5G对煤矿智能化开采的支撑

在5G开发的早期，确定了三个关键的应用场景，例如高级移动宽带（eMBB），超可靠的低延迟通信（urLLC）和多机通信（mMTC）。eMBB解决方案的技术支持功能可以有效地应对高带宽业务需求，例如煤矿中的超高清视频传输；urLLC方案的技术支持职责可以有效地利用空置的采矿车辆和空置的挖掘机以及其他空置的矿山。智能设备之间的通信要求；mMTC解决方案的技术支持功能可以更好地支持传感器数据收集要求，例如煤矿安全监控。因此，将5G通信技术应用于智能采煤与后来的采煤方法相同。它还将有效改善智能煤矿开采流程，并为完全开放的“联网”铺平道路。

同时，煤矿中现有的广泛使用的无线通信技术（例如4G和Wi-Fi）很难满足智能煤矿的数据传输和处理要求。

缺乏4G技术：它可以为用户在下行链路上提供超过100Mbps的最高速度，在上行链路上提供超过50Mbps的最高速度。但是，在智能生产过程中，机器视觉等许多场景都需要高清视频。1080P需要20Mbps的上行链路带宽，而4K仍需要75Mbps的上行链路带宽（带宽会影响准确性，准确性会影响识别能力，并实时知道是否可以远程控制）。显然，4G不能满足上述行业应用的要求。

Wi-Fi网络的热点：

①行动不便。AP之间切换的延迟时间＞100毫秒，这使得诸如AGV之类的移动设备很容易断开连接，并且仅限于AP内的移动。

②覆盖率差。WiFi信号在反射和衍射之后很容易产生多径干扰。

③在频带上的干扰。WiFi使用公开可用的频带，并且存在影响解调能力的干扰。

④带宽有限。机器视觉应用所需的上行带宽（100M级）。

(2)煤矿智能化应用5G技术的可行性

在地下矿井中使用5G无线技术时，会出现以下意外情况：高频无线信号的快速放大，定向承载能力的提高和差分能力的降低，导致传输距离短和覆盖范围有限。这些问题是5G技术的问题，在5G技术的分析和开发的早期阶段就解决了。因此，随着大规模MIMO（多天线阵列）和微基站技术（超密集网络的成功技术）的出现，这套关键技术将成为可能。5G核心技术系统已经开发并支持5G技术的商业化。

在网络部署方面，目前在矿山中部署的4G网络是4G+WiFi架构，其4G覆盖范围（基于矿山狭长空间的特征，不需要覆盖半径）约为1500。5G有两种类型：宏基站和微基站。宏基站设备具有较大的传输容量和较高的发射功率，尽管微基站设备容量较小，但不适用于传输功率低，有效范围约为500m的大型地下应用。从技术角度来看，使用三个以上的5G微基站完全覆盖了原始4G网络控制区域，并导致吞吐量、速度和延迟显着增加。此外，单个5G微型基站的功耗和体积都低于现有的4G基站，从而提高了长期在地下矿山中使用的安全性。基本的5G微型站的布局如图2所示。

图2 综采工作面5G布置示意

关于地下煤矿的其他不利环境因素，合理使用和规划5G技术可以解决地下应用的紧迫问题。成功的关键是针对不同的应用场景和应用环境开发不同的5G部署解决方案。例如，对于有多个杂散的狭窄的地下空间，应使用有线光纤骨干+密集的5G微基站。功率控制和位置优化是视频监视和控制信号同步传输问题的关键，合理的网络隔离是关键和可靠的隔离。

3.5G在煤矿的应用场景

(1)基于5G的高精实时定位与应用服务

目前，地下煤矿的定位系统主要基于蓝牙，ZigBee和超宽带等传统的无线数据传输技术。定位精度不高，必须单独提供相应的基础设施，难以保证实时运行。基于低延迟5G特性开发用于地下定位和应用维护的5G网络系统是未来的发展方向，它将为诸如地下车辆管理，实时精确采矿和采矿以及解决问题的应用程序提供控制。

(2)生产远程实时控制

实时生产控制一直是煤矿智能采矿中的关键问题。为了从传感器到中央控制中心收集必要的信息，常规的远程控制系统必须经过数条路径和几种协议，直到将其传输到远程控制中心。因此，只能使用一些不要求实时性强的功能，出于安全考虑，需要进行远程控制，不能对实时性高的功能进行远程控制。低延迟5G属性为解决此问题提供了基本支持，并且目前正在实施基于5G的Inoue远程控制，图3为相关应用示意图。

图3 基于5G的多源决策控制示意

(3)井下远程协同运维

5G Underground的另一个重要应用是远程操作和维护。未来，地下设备的智能水平将越来越高，系统将越来越复杂。传统的维护人员不再需要自己进行维护工作，而需要远程专家的帮助。现场音频和视频信息可以通过5G网络广播到远程站点，并且相关的虚拟模型也可以在现场设备上虚拟化。它们可以由建筑工地的工人实施，甚至可以使用机器人代替人工。

4.总结

（1）整个网络架构应采用有线骨干网+5G覆盖的形式。光纤环形骨干网用于确保地下信息传输的安全性和可靠性，而5G网络用于提供地下无线电覆盖范围和移动传输要求。

（2）根据井下或工作面的实际布局优化5G微基站布局，以确保覆盖范围并减少资源消耗。

（3）分析和拆分井下应用场景，对不同应用场景的个别需求进行排序，并根据需求对网络资源进行逻辑划分，以完成所谓的“拆分”。

（4）在建立良好的传输平台的基础上，必须着眼于平台集成，应用场景和先进技术，无处不在的感知，可靠的实时传输，大数据应用以及快速智能的决策。