董亮 仲繼穎 陳莉

(兗礦集團(tuán)信息化中心 山東鄒城 273500)

1 現(xiàn)狀及趨勢(shì)

我國(guó)是煤炭資源比較多的國(guó)家，煤礦企業(yè)也是我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)之一。改革開放以來(lái)，隨著煤礦科技的發(fā)展，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)也突飛猛進(jìn)，向著安全、高效、高利用和綠色開采方向發(fā)展。其中井下機(jī)械化開采、井下有線通信技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控技術(shù)等都得到實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)。但是我國(guó)目前的煤炭生產(chǎn)行業(yè)依舊是人員密集型，實(shí)現(xiàn)煤礦智能化生產(chǎn)依舊任重道遠(yuǎn)，其主要原因是受目前通信技術(shù)的約束。目前主要的通信技術(shù)為有線通信和無(wú)線通信技術(shù)，其中有線通信傳輸系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生線纜斷裂、接頭松動(dòng)等故障，可靠性差；無(wú)線通信技術(shù)主要有4G通信技術(shù)和井下WiFi通信技術(shù)，這兩種無(wú)線技術(shù)帶寬低、延時(shí)長(zhǎng)、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。所以以目前的通信技術(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤礦智能化生產(chǎn)的需求。因此，我國(guó)煤炭行業(yè)當(dāng)前處于煤礦智能化發(fā)展的初級(jí)階段，仍然面臨通信數(shù)據(jù)速率慢、多類型數(shù)據(jù)同步傳輸不可靠、遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)性差、融合大數(shù)據(jù)的智能決策效率低等問(wèn)題。

隨著新的智能化應(yīng)用第五代移動(dòng)通信技術(shù)問(wèn)世，為上述問(wèn)題的解決提供了契機(jī)。第五代移動(dòng)通信技術(shù)外語(yǔ)縮寫為：5G,5G技術(shù)是建立在4G的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的，其主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)利用更高效、延時(shí)更短、可靠性更高、經(jīng)濟(jì)性更好等。如煤礦生產(chǎn)結(jié)合5G技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)井下智能開采、井下智能運(yùn)輸、高精度實(shí)時(shí)定位與應(yīng)用服務(wù)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、井下巡檢與安防等，為煤礦智能化生產(chǎn)的實(shí)際需求奠定了基礎(chǔ)。

2 5G的相關(guān)性能

5G技術(shù)是為2020新時(shí)代的需求而研發(fā)的，是目前世界公認(rèn)在將來(lái)主要的通信方式，也是我國(guó)信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展最為重要的任務(wù)之一。現(xiàn)根據(jù)目前5G的主要通信技術(shù)，結(jié)合煤礦智能生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，總結(jié)相關(guān)性能如下。

2.1 可移動(dòng)性

移動(dòng)性是歷代移動(dòng)通信系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)作為將來(lái)主要的通信方式同樣需要高速移動(dòng)、低速移動(dòng)或非移動(dòng)場(chǎng)景下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等場(chǎng)景。

2.2 高傳輸性

5G的傳輸功能方面主要支持超高帶寬、高可靠低延時(shí)、海量物聯(lián)、超高可靠性傳輸，其主要體現(xiàn)5G的高速、可靠、穩(wěn)定性。其主要參數(shù)為：峰值數(shù)據(jù)速率≥1Gbps，上行穩(wěn)定帶寬不小于100MB，下行穩(wěn)定帶寬不小于200MB，連接數(shù)接近1000K每平方公里，空口時(shí)延＜10ms。

2.3 網(wǎng)速快

5G移動(dòng)通信技術(shù)主要特點(diǎn)就是速度高。只有網(wǎng)絡(luò)速度大大提升，在面對(duì)VR/超高清業(yè)務(wù)時(shí)才能不受限制。通過(guò)研究，5G網(wǎng)絡(luò)的理論傳輸速率可達(dá) 10Gbps。

2.4 故障弱化性

5G智能傳輸平臺(tái)除了可以實(shí)現(xiàn)5G傳輸系統(tǒng)的無(wú)線化、超高可靠、超高帶寬、超低時(shí)延外，還能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足礦山業(yè)務(wù)需求的情況下，將部分核心網(wǎng)控制業(yè)務(wù)下移至邊緣計(jì)算設(shè)備，并在核心網(wǎng)斷網(wǎng)情況下不中斷已有業(yè)務(wù)的傳輸，盡可能地對(duì)傳輸故障進(jìn)行了弱化，提高整個(gè)傳輸平臺(tái)的安全性和可靠性，降低平臺(tái)整體建設(shè)和運(yùn)維成本。

2.5 網(wǎng)絡(luò)覆蓋全

5G通信技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋即泛在網(wǎng)，指在每一個(gè)角落都有網(wǎng)絡(luò)存在，只有這樣才能在復(fù)雜的場(chǎng)景上使用。5G網(wǎng)絡(luò)布控大量的小型基站，形成密集網(wǎng)絡(luò)群，形成信號(hào)全覆蓋。

3 5G技術(shù)在煤礦智能化生產(chǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景

5G技術(shù)在礦山的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：智能采掘、智能輔助運(yùn)輸、智能巡檢、智能檢修等。本方案的設(shè)計(jì)應(yīng)用，是5G技術(shù)在礦山主要場(chǎng)景的應(yīng)用。通過(guò)上述實(shí)際應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)煤礦智能化，在煤礦減員增效，大大提高煤礦生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率。

3.1 智能采掘功能

在煤礦采掘工作面的工作難度大、環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備多、安全條件差等，相對(duì)實(shí)現(xiàn)智能開采是非常必要的。在井下生產(chǎn)面順槽部署邊緣服務(wù)器（MEC），接入多個(gè)礦用基帶處理單元（BBU）采集信息，將信息經(jīng)過(guò)井下工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至地面5G核心網(wǎng)。最終形成智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)傳輸網(wǎng)。智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)傳輸網(wǎng)與礦用5G超高清攝像儀、礦用5G支架壓力傳感器、安裝有礦用5G裝置和慣導(dǎo)系統(tǒng)的采煤機(jī)（掘進(jìn)機(jī)）等裝備組成智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)。智能生產(chǎn)工作面系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求非常高，，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工作面與地面機(jī)房通訊故障時(shí)運(yùn)行中的業(yè)務(wù)不中斷。

3.2 智能輔助運(yùn)輸功能

基于5G 的低延時(shí)特性開發(fā)5G 網(wǎng)絡(luò)的井下定位與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，組建井下5G網(wǎng)絡(luò)，在井下無(wú)軌膠輪車、電機(jī)車、單軌吊等車輛上安裝5G裝備，通過(guò)礦用5G傳輸網(wǎng)進(jìn)行行駛狀態(tài)、精準(zhǔn)位置信息等數(shù)據(jù)采集、上傳、分析，從而實(shí)現(xiàn)智能輔助運(yùn)輸。

3.3 遠(yuǎn)程智能協(xié)同運(yùn)維

隨著技術(shù)的進(jìn)步，井下裝備的智能化程度會(huì)越來(lái)越高，系統(tǒng)也愈加復(fù)雜，只依靠傳統(tǒng)的維修工人已難以獨(dú)立完成維修工作，需借助5G傳輸網(wǎng)遠(yuǎn)程將現(xiàn)場(chǎng)采集到的設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等信息傳給工程師協(xié)助完成。工程師通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)的音視頻信息，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程師與現(xiàn)場(chǎng)工人同樣的視場(chǎng)和操作。隨著科技技術(shù)的進(jìn)步甚至還可以用機(jī)器人代替人在井下完成維修。

3.4 井下智能巡檢和安防

基于 5G 的精準(zhǔn)定位、高速數(shù)據(jù)傳輸和物聯(lián)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)井下的智能巡檢和安防。通過(guò)井下無(wú)人機(jī)、智能VR/AR等設(shè)備可實(shí)時(shí)定位井下的裝備和人員，實(shí)時(shí)傳輸和共享井下的安全信息，實(shí)現(xiàn)井下信息的泛在感知和共享，以便能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行及時(shí)巡查工作。而無(wú)論是無(wú)人機(jī)飛行控制、無(wú)人機(jī)巡檢視頻回傳，還是VR/AR智能遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷與維修，都需要高效的5G網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和快速的信息反饋，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，煤炭行業(yè)借助5G的技術(shù)定能得到廣泛的應(yīng)用，煤礦生產(chǎn)在5G技術(shù)的推動(dòng)下正從自動(dòng)化向智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能化采掘、智能化運(yùn)輸、智能化巡檢和協(xié)同運(yùn)維等遠(yuǎn)程智能控制。這樣不僅提高了煤炭的產(chǎn)量，還減少了運(yùn)行成本，同時(shí)減少煤礦職工的井下工作時(shí)間和次數(shù)，降低煤礦職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，最主要的是給煤礦行業(yè)帶來(lái)的可觀經(jīng)濟(jì)效效益。5G為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化奠定了基礎(chǔ)。