＊趙志勇 王生俊 康志強(qiáng)

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦 山西 032303）

1.引言

本文分析了5G中的6種關(guān)鍵技術(shù)，包括RF通信，大型天線陣列，超致密網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備到設(shè)備通信，網(wǎng)絡(luò)分離和移動(dòng)邊緣計(jì)算及其各自的技術(shù)特征，并探討了智能煤礦的應(yīng)用信息感知，各種類型的數(shù)據(jù)傳輸中的缺陷，實(shí)時(shí)決策，新技術(shù)應(yīng)用以及異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互操作性要求。

2.煤礦智能化應(yīng)用5G技術(shù)的必要性與可行性

(1)煤礦智能化應(yīng)用5G技術(shù)的必要性

圖1 5G對煤礦智能化開采的支撐

在5G開發(fā)的早期，確定了三個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用場景，例如高級(jí)移動(dòng)寬帶（eMBB），超可靠的低延遲通信（urLLC）和多機(jī)通信（mMTC）。eMBB解決方案的技術(shù)支持功能可以有效地應(yīng)對高帶寬業(yè)務(wù)需求，例如煤礦中的超高清視頻傳輸；urLLC方案的技術(shù)支持職責(zé)可以有效地利用空置的采礦車輛和空置的挖掘機(jī)以及其他空置的礦山。智能設(shè)備之間的通信要求；mMTC解決方案的技術(shù)支持功能可以更好地支持傳感器數(shù)據(jù)收集要求，例如煤礦安全監(jiān)控。因此，將5G通信技術(shù)應(yīng)用于智能采煤與后來的采煤方法相同。它還將有效改善智能煤礦開采流程，并為完全開放的“聯(lián)網(wǎng)”鋪平道路。

同時(shí)，煤礦中現(xiàn)有的廣泛使用的無線通信技術(shù)（例如4G和Wi-Fi）很難滿足智能煤礦的數(shù)據(jù)傳輸和處理要求。

缺乏4G技術(shù)：它可以為用戶在下行鏈路上提供超過100Mbps的最高速度，在上行鏈路上提供超過50Mbps的最高速度。但是，在智能生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺等許多場景都需要高清視頻。1080P需要20Mbps的上行鏈路帶寬，而4K仍需要75Mbps的上行鏈路帶寬（帶寬會(huì)影響準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性會(huì)影響識(shí)別能力，并實(shí)時(shí)知道是否可以遠(yuǎn)程控制）。顯然，4G不能滿足上述行業(yè)應(yīng)用的要求。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)：

①行動(dòng)不便。AP之間切換的延遲時(shí)間＞100毫秒，這使得諸如AGV之類的移動(dòng)設(shè)備很容易斷開連接，并且僅限于AP內(nèi)的移動(dòng)。

②覆蓋率差。WiFi信號(hào)在反射和衍射之后很容易產(chǎn)生多徑干擾。

③在頻帶上的干擾。WiFi使用公開可用的頻帶，并且存在影響解調(diào)能力的干擾。

④帶寬有限。機(jī)器視覺應(yīng)用所需的上行帶寬（100M級(jí)）。

(2)煤礦智能化應(yīng)用5G技術(shù)的可行性

在地下礦井中使用5G無線技術(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下意外情況：高頻無線信號(hào)的快速放大，定向承載能力的提高和差分能力的降低，導(dǎo)致傳輸距離短和覆蓋范圍有限。這些問題是5G技術(shù)的問題，在5G技術(shù)的分析和開發(fā)的早期階段就解決了。因此，隨著大規(guī)模MIMO（多天線陣列）和微基站技術(shù)（超密集網(wǎng)絡(luò)的成功技術(shù)）的出現(xiàn)，這套關(guān)鍵技術(shù)將成為可能。5G核心技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并支持5G技術(shù)的商業(yè)化。

在網(wǎng)絡(luò)部署方面，目前在礦山中部署的4G網(wǎng)絡(luò)是4G+WiFi架構(gòu)，其4G覆蓋范圍（基于礦山狹長空間的特征，不需要覆蓋半徑）約為1500。5G有兩種類型：宏基站和微基站。宏基站設(shè)備具有較大的傳輸容量和較高的發(fā)射功率，盡管微基站設(shè)備容量較小，但不適用于傳輸功率低，有效范圍約為500m的大型地下應(yīng)用。從技術(shù)角度來看，使用三個(gè)以上的5G微基站完全覆蓋了原始4G網(wǎng)絡(luò)控制區(qū)域，并導(dǎo)致吞吐量、速度和延遲顯著增加。此外，單個(gè)5G微型基站的功耗和體積都低于現(xiàn)有的4G基站，從而提高了長期在地下礦山中使用的安全性。基本的5G微型站的布局如圖2所示。

圖2 綜采工作面5G布置示意

關(guān)于地下煤礦的其他不利環(huán)境因素，合理使用和規(guī)劃5G技術(shù)可以解決地下應(yīng)用的緊迫問題。成功的關(guān)鍵是針對不同的應(yīng)用場景和應(yīng)用環(huán)境開發(fā)不同的5G部署解決方案。例如，對于有多個(gè)雜散的狹窄的地下空間，應(yīng)使用有線光纖骨干+密集的5G微基站。功率控制和位置優(yōu)化是視頻監(jiān)視和控制信號(hào)同步傳輸問題的關(guān)鍵，合理的網(wǎng)絡(luò)隔離是關(guān)鍵和可靠的隔離。

3.5G在煤礦的應(yīng)用場景

(1)基于5G的高精實(shí)時(shí)定位與應(yīng)用服務(wù)

目前，地下煤礦的定位系統(tǒng)主要基于藍(lán)牙，ZigBee和超寬帶等傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。定位精度不高，必須單獨(dú)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，難以保證實(shí)時(shí)運(yùn)行?；诘脱舆t5G特性開發(fā)用于地下定位和應(yīng)用維護(hù)的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向，它將為諸如地下車輛管理，實(shí)時(shí)精確采礦和采礦以及解決問題的應(yīng)用程序提供控制。

(2)生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制一直是煤礦智能采礦中的關(guān)鍵問題。為了從傳感器到中央控制中心收集必要的信息，常規(guī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必須經(jīng)過數(shù)條路徑和幾種協(xié)議，直到將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。因此，只能使用一些不要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，出于安全考慮，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不能對實(shí)時(shí)性高的功能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。低延遲5G屬性為解決此問題提供了基本支持，并且目前正在實(shí)施基于5G的Inoue遠(yuǎn)程控制，圖3為相關(guān)應(yīng)用示意圖。

圖3 基于5G的多源決策控制示意

(3)井下遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維

5G Underground的另一個(gè)重要應(yīng)用是遠(yuǎn)程操作和維護(hù)。未來，地下設(shè)備的智能水平將越來越高，系統(tǒng)將越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的維護(hù)人員不再需要自己進(jìn)行維護(hù)工作，而需要遠(yuǎn)程專家的幫助?，F(xiàn)場音頻和視頻信息可以通過5G網(wǎng)絡(luò)廣播到遠(yuǎn)程站點(diǎn)，并且相關(guān)的虛擬模型也可以在現(xiàn)場設(shè)備上虛擬化。它們可以由建筑工地的工人實(shí)施，甚至可以使用機(jī)器人代替人工。

4.總結(jié)

（1）整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)采用有線骨干網(wǎng)+5G覆蓋的形式。光纖環(huán)形骨干網(wǎng)用于確保地下信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，?G網(wǎng)絡(luò)用于提供地下無線電覆蓋范圍和移動(dòng)傳輸要求。

（2）根據(jù)井下或工作面的實(shí)際布局優(yōu)化5G微基站布局，以確保覆蓋范圍并減少資源消耗。

（3）分析和拆分井下應(yīng)用場景，對不同應(yīng)用場景的個(gè)別需求進(jìn)行排序，并根據(jù)需求對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行邏輯劃分，以完成所謂的“拆分”。

（4）在建立良好的傳輸平臺(tái)的基礎(chǔ)上，必須著眼于平臺(tái)集成，應(yīng)用場景和先進(jìn)技術(shù)，無處不在的感知，可靠的實(shí)時(shí)傳輸，大數(shù)據(jù)應(yīng)用以及快速智能的決策。