试析5G技术在煤矿智能化中的应用

李敏，张龙

（1.山东能源集团兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿信息中心，山东邹城，273500;2.山东能源集团兖州煤业股份有限公司信息化中心，山东邹城，273500）

0 引言

作为我国的一种主导能源种类，煤炭资源是社会经济发展的重要资源。很长一段时间以来，煤炭资源开发和应用模式较为粗放。为此，在后续的发展进程中，煤矿生产务必提升智能化与信息化水平，尽量地降低煤矿生产工人的规模，以智能化手段监测围岩、水、电力、瓦斯等，以及提升预警水平，从而建构现代化的安全、高效矿井。鉴于此，探究煤矿智能化发展中5G技术的应用对于煤矿领域的整体发展具备十分关键的作用。

1 基于5G的实时精准定位以及应用服务

5G移动网络通信系统在创新应用网络切片技术的基础上划分煤矿智能化应用的物理空间网络为一系列虚拟空间结构，结合各种虚拟网络空间的不同服务需求强化相应的功能，注重各种虚拟空间对运行可控性、带宽数据、传输结构的性能划分，对煤矿智能化应用中各自网络场景进行灵活应对[1]。常规模式下的煤矿井下定位系统需要应用传统超带宽传输技术和蓝牙技术等，基于5G技术的高精实时定位以及应用服务技术在此过程中真正扭转了常规模式中的煤矿井下定位缺少精确性而不适应煤矿智能化应用需求的局面，结合5G移动网络通信系统并非对独立的基础设施方式进行设置，从而确保了智能化应用中煤矿数据传输的实时性。因为5G 移动网络通信系统的时延性比较低，所以可以对5G网络定位和应用服务模块进行开发，这属于煤矿智能化的发展趋势，这样可以精准管控煤矿开采车辆和线路。

2 基于5G的虚拟交互应用

煤矿智能化开采中5G三维建模技术的虚拟呈现以及增强现实技术和虚拟现实技术的应用即基于5G的虚拟交互应用。基于5G的虚拟交换应用可以真正打破常规煤矿开采中的人机互动方式的束缚，让煤矿智能化开采历经三个阶段的技术更新进程，即基础阶段（三维建模以及虚拟呈现）、可视化设计和互动模式阶段、云端实时渲染和混合现实阶段[2]。例如，对于云端实时渲染和混合现实阶段而言，应用5G移动网络通信技术能够协同维护和虚拟开采矿井空间煤炭资源，实现低时延与高带宽的需要，应用5G技术实现其性能目标。

3 生产远程实时控制

针对煤矿智能化应用中的远程实时控制生产来讲，煤矿开采资源的控制向来都是煤矿智慧化建设和智能化开采的重要事项。常规的煤矿开采生产以及远程控制重点应用各种互联网协议、传感器、路由器等，然后借助传感器设施在集控中心汇集一系列数据信息，再向远程控制中心传输[3]，这样只是可以实现一些对数据传输实时性标准较低的远程控制要求。而对于一部分数据传输实时性标准较高以及煤矿工人安全、矿井空间结构生产安全的考虑，上述远程控制系统不适用，而应用5G 移动网络通信技术智能化开采煤矿可以很好地完善这种不足。基于5G的矿井远程实时控制可以使数据传输标准非常高的煤矿安全管理目标以及资源开采目的的实现，建构真正的智能化开采实时控制模块。

4 矿井远程协同运维

矿井远程协调运维属于煤矿智能化矿井空间中应用5G移动网络通信技术的情景。在后续的煤矿开采中，由于矿井空间比较小，基于矿井空间的持续缩小矿井设备智能化的水平不断提升，装备系统整体结构不断提升复杂化程度，常规的人工维修方式较难适应矿井高智能化设备维护以及狭小空间的运营要求。为此，常常应用远程专家系统辅助进行矿井空间设备的维护和运营，结合5G 移动网络通信系统对矿井空间场地的数据信息（视频和音频等）进行传输，能够在矿井空间智能化设备中连接煤矿智能化应用牵涉到的虚拟操作系统或模型，在应用虚拟现实技术的基础上可以使煤矿工人和专家的同时操作、观察等目标实现，也有助于通过机器人取代矿井工人来管理和维护矿井空间设备。其中，基于5G技术的远程运维如图1所示。

图1 基于5G技术的远程运维

5煤矿5G移动边缘计算

移动边缘计算将计算能力和IT服务环境提供给靠近终端用户，在靠近终端用户移动节点下沉一些网络业务，进而实现网络传输时延的缩短，以5G网络提高用户体验。为此，当今5G网络的一项必备基础设施是移动边缘计算，其普遍地应用于车联网等场景当中。可是，由部署节点至重要技术，移动边缘计算都要求结合实际场景来设计方案，即当前固有的移动边缘计算方案难以在煤矿智能化中直接应用。为此，基于煤矿智能化的移动边缘计算需要设计架构，且对适宜的重要技术（计算任务卸载和迁移、云边协同等）进行研发。其中，煤矿移动边缘计算中的多层次智能架构（云+边缘+端）的云边协同非常适用。在此需要明确的是，移动边缘计算节点不但涵盖网络设备，而且囊括自动化的掘进机和采煤机等终端设备[4]。在“端”以人工智能算法（深度学习等）使单台输送和采矿设备的智能实现，在“边缘”对多台设备的运行和环境感知参数进行收集，以及对生产远程控制等时延标准非常高的紧急事件予以处理，以使紧急设备托管实现，在“云”中对“端”的信息进行采集，深入优化智能算法，从而提高单台设备的智能化水平。计算卸载指的是用户终端设备在移动边缘计算网络中卸载计算任务，重点完善设备存在的计算能效或性能、资源储存等缺陷。计算卸载技术中尤为重要的是明确计算任务怎样在云和端间实现切割。计算迁移指的是在各种网络节点间分配计算任务，这一系列节点能够是网络节点或端节点。计算卸载和迁移算法的重点是怎样明确计算任务在边缘服务器节点和用户终端间实现科学切割，通过最小的带宽标准和能耗达到服务质量标准。煤矿场景下应结合实际业务明确在云、边、端各自进行计算或处理的任务。例如针对高清视频监控业务，能够在监控射向头位置先初步处理画面，将一部分非异常或重复性画面去除，仅仅对感兴趣的画面进行传输。也能够在5G基站位置部署的边缘计算节点深入压缩处理上传之后的画面，最终向云端上传。

6 煤矿5G切片技术应用

一般运营商的切片实例对应mMTC、URLLC、eMMB三种应用场景。事实上，如此的分类是基于垂直行业的基本场景。煤矿具体应用中能够深入细分为多个场景（远程运维、环境监测、生产控制、人员调度等），且确定各种应用场景中牵涉到的一些具体业务，以及把它们向服务级别转换，即所谓的端至端的网络切片标准，像是覆盖安全性、容量、时延等。在5G网络切片管理实体中下发服务级别即完成此应用场景的煤矿5G网络切片实例化。不过，并非网络切片粒度愈细愈佳，切片太细一是不传输信息的情况下会使很多网络资源被占用，二是切片管理系统的负荷会增加。特别是在当今没有完备定义煤矿智能化应用场景的条件下，当网络资源整体一定的条件下，也应预留一部分智能化业务的网络资源。为此，5G网络切片基于煤矿智能化场景不但应定制一部分场景的切片，而且也应将公共网络切片提供给服务级别较低或网络应用率高的场景。以此思想作为指导，图2给出了基于智能化的煤矿5G 网络切片架构。在此架构当中划分网络资源为共用切片以及专用切片。各个切片涵盖组合5G核心网的全部网元，有会话管理、用户面管理、接入和移动管理、统一数据管理、策略控制等功能并且，还涵盖移动边缘计算功能。而专用切片具备一套完善（边缘计算、核心网、无线接入网等）的虚拟5G网元设备，对QoS具备非常严格要求的应用场景（生产控制类）是其重点服务对象[5]。而公用切片的重点服务对象是网络资源应用率低、对QoS标准具备相应容忍度的场景，像是尽管远程协同运维对QoS的标准较低，可是因为不经常应用网络，所以在公用切片中划分，从而可以实现网络资源应用率的提升。需要明确的是，公用切片对三种切片（mMTC、URLLC、eMMB）都支持，能够联合应用这三种切片传输信息。

图2 基于智能化的煤矿5G 网络切片架构