景少波

(陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著當(dāng)代社會(huì)生活水平的不斷提升和人們安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，煤炭安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的要求逐步提高。煤炭工業(yè)生產(chǎn)鏈安全管理要求煤炭資源開(kāi)采盡可能做到少人或無(wú)人，部分先進(jìn)的煤礦產(chǎn)業(yè)智能化甚至要求采取機(jī)器人值守或?qū)崟r(shí)監(jiān)控的無(wú)人值守模式，克服了人才流失和工人生產(chǎn)不安全給煤炭生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)的不良影響，也為區(qū)域煤炭經(jīng)濟(jì)的平衡發(fā)展和煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷優(yōu)化提供了更多可能。煤礦智能化技術(shù)作為煤礦產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化升級(jí)的重要一步，是保證我國(guó)煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)健康、可持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)支撐，也是使我國(guó)煤炭智能化發(fā)展處于良好運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵一步。在此背景下，對(duì)5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用的相關(guān)研究與探討，也就具備重要理論意義與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 5G技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

5G技術(shù)，也就是第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)。與以往的第2代、第3代、第4代等單一的無(wú)線接入技術(shù)相比，5G技術(shù)有著特殊優(yōu)勢(shì)，是全新的無(wú)線接入技術(shù)的高度融合的重要技術(shù)類別，也是現(xiàn)階段最新的通信技術(shù)類型，在全世界范圍內(nèi)受到了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注[1]。在5G技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，5G技術(shù)能夠應(yīng)對(duì)多樣化場(chǎng)景下極端的各式各樣的差異化性能需求，用各式各樣的技術(shù)糅合解決傳統(tǒng)模式下某單一技術(shù)為基礎(chǔ)的所有場(chǎng)景解決方案存在的不足。也就是說(shuō)，5G技術(shù)創(chuàng)新來(lái)源于5G技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)兩方面的高效融合，在無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模的天線陣列技術(shù)、多址技術(shù)、全頻譜接入技術(shù)等成為5G關(guān)鍵技術(shù)的重要內(nèi)容，而在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化架構(gòu)的模式，已然受到5G技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)研究人員的關(guān)注與重視。

此外，基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的濾波正交頻分復(fù)用技術(shù)甚至靈活雙工技術(shù)、終端直通技術(shù)等也成為5G技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容[2]。5G技術(shù)的應(yīng)用使得第5代網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的性能得到大幅度優(yōu)化和提升。與前幾代無(wú)線通信技術(shù)相比，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有頻譜更寬、時(shí)延更低、可靠性更強(qiáng)、安全性更高、傳輸速率更快以及傳輸容量更大等諸多優(yōu)勢(shì)[3]。

2 煤礦智能化應(yīng)用5G技術(shù)的可行性

2.1 井下空間特殊性

將5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化開(kāi)采和實(shí)踐過(guò)程中，需要著重分析在井下特殊的無(wú)線傳播環(huán)境中部署5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的可行性[4]。與普通地面空間的5G系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)相比，煤礦資源的井下無(wú)線傳輸模式受周邊環(huán)境因素的影響，表現(xiàn)出以下4點(diǎn)特征。①井下空間往往較為狹窄，信號(hào)傳遞距離較長(zhǎng)，且呈現(xiàn)出更多分支的結(jié)構(gòu)特征；②井下空間很容易產(chǎn)生干擾無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)信號(hào)傳遞的粗糙煤層；③井下空間將會(huì)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)備布置產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁力干擾；④井下空間的多分層和多瓦斯特質(zhì)，使煤炭資源開(kāi)采環(huán)境很容易影響5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)空間部署。因此，在煤礦智能化開(kāi)采過(guò)程中，先必須解決在高頻狀態(tài)下無(wú)線信號(hào)快速衰減的問(wèn)題、在定向傳輸能力增強(qiáng)的同時(shí)其繞射能力下降的問(wèn)題；在解決了上述問(wèn)題后討論無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在井下傳輸空間所具備的距離短、覆蓋范圍有限的尷尬情形；最后利用超密集組網(wǎng)技術(shù)或其他微基站技術(shù)等形成5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)架構(gòu)，支撐5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在井下開(kāi)采環(huán)境中的商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

2.2 5G技術(shù)的微基站網(wǎng)絡(luò)布置

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部署角度分析可知，目前煤礦智能化應(yīng)用過(guò)程中的井下空間環(huán)境布置為4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)+WiFi網(wǎng)絡(luò)全覆蓋模式。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)覆蓋距離大致為1 500 m，而5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可采取宏基站或微基站2種結(jié)構(gòu)類型，宏基站的設(shè)備容量更高，實(shí)際發(fā)射功率更強(qiáng)，但并不適合井下作業(yè)空間;微基站設(shè)備容量較小，實(shí)際發(fā)射功率較低，其有效距離僅有500 m。因此，從純粹的技術(shù)角度出發(fā)，應(yīng)考慮上述不同原因?qū)?G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)微基站布設(shè)的影響，使微基站能夠完全覆蓋原有4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的范圍，并提升4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶寬速度、傳輸速率以及降低其數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)[6]。針對(duì)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)微基站架構(gòu)的功能消耗和體積比，由于該比值比4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信下的基站值要小，因此更有利于保障井下空間長(zhǎng)時(shí)間使用的結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性[7]。綜上所述，基于5G技術(shù)的微基站網(wǎng)絡(luò)布置如圖1所示。

圖1 基于5G技術(shù)的微基站網(wǎng)絡(luò)布置Fig.1 Micro base station network layout based on 5G technology

3 5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用

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

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用，將煤礦智能化應(yīng)用過(guò)程中的物理空間網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，利用任意虛擬網(wǎng)絡(luò)空間不同的服務(wù)需求增強(qiáng)其不同功能，加強(qiáng)不同虛擬空間對(duì)傳輸結(jié)構(gòu)、帶寬數(shù)據(jù)、運(yùn)行穩(wěn)定性甚至可靠性等性能劃分，靈活應(yīng)對(duì)煤礦智能化應(yīng)用過(guò)程中不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景[8]。在此過(guò)程中，基于5G技術(shù)的高精實(shí)時(shí)定位與應(yīng)用服務(wù)技術(shù)，直接轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)模式下煤礦井下定位系統(tǒng)傳統(tǒng)藍(lán)牙功能、超帶寬傳輸技術(shù)等定位精確程度較低而不符合煤礦智能化應(yīng)用中專業(yè)需要的局面，利用5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)不設(shè)單獨(dú)的基礎(chǔ)設(shè)施方式，保證煤礦智能化應(yīng)用過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性[9]?；?G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的較低時(shí)延特性而開(kāi)發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)井下定位與應(yīng)用服務(wù)模塊，將是煤礦智能化的重要發(fā)展方向，也將對(duì)煤礦井下資源開(kāi)采的車輛管控和開(kāi)采路線的精準(zhǔn)推進(jìn)提供可能。

3.2 基于 5G的虛擬交互應(yīng)用

基于5G技術(shù)的虛擬交互應(yīng)用主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，煤礦智能化開(kāi)采應(yīng)用過(guò)程中5G三維建模技術(shù)的虛擬展示圖，如圖2所示。在此應(yīng)用過(guò)程中，基于5G的虛擬交互應(yīng)用技術(shù)能夠徹底顛覆煤礦資源開(kāi)采過(guò)程中的傳統(tǒng)人機(jī)互動(dòng)模式，使煤礦智能化開(kāi)采經(jīng)歷三維建模和虛擬展示的基礎(chǔ)階段、互動(dòng)模式和可視化設(shè)計(jì)階段以及混合現(xiàn)實(shí)與云端實(shí)時(shí)渲染階段的三階段技術(shù)變革歷程[10]。以混合現(xiàn)實(shí)和云端實(shí)時(shí)渲染階段為例，分析5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，可知該階段能夠?qū)驴臻g煤炭資源進(jìn)行虛擬開(kāi)采和協(xié)同運(yùn)營(yíng)與維護(hù)，滿足高帶寬需要和低時(shí)延要求，通過(guò)5G技術(shù)達(dá)到其性能目標(biāo)。

圖2 三維建模技術(shù)的虛擬展示Fig.2 Virtual display of 3D modeling technology

3.3 生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

就煤礦智能化應(yīng)用過(guò)程中的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)而言，煤礦開(kāi)采資源的生產(chǎn)控制一直都是煤礦智能開(kāi)采或智慧化建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)的煤礦工業(yè)生產(chǎn)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要利用路由器、傳感器以及多類型的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將各種數(shù)據(jù)由傳感器設(shè)備匯集到集中控制中心，再傳遞到遠(yuǎn)程控制中心，僅僅能滿足部分對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求不高的遠(yuǎn)程控制需要。但若針對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高甚至井下空間結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安全或員工安全考慮的部分，并不能采用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在煤礦智能化開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)用，就直接打破了該固有難題[11]?；?G的井下全功能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸要求極高部分的煤炭資源開(kāi)采或安全管理目標(biāo)，建立真正的煤礦智能化開(kāi)采遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制模塊，基于5G技術(shù)的多元決策控制架構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 基于5G技術(shù)的多元決策控制架構(gòu)示意Fig.3 Multi decision control architecture based on 5G technology

3.4 井下遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在煤礦智能化井下空間中的重要應(yīng)用場(chǎng)景，即遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)營(yíng)與維護(hù)?；?G技術(shù)的遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，如圖4所示，在未來(lái)的煤礦資源井下開(kāi)采過(guò)程中，井下空間較為狹窄，井下設(shè)備智能化程度將隨著空間的不斷縮小而越來(lái)越高，整個(gè)裝備系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜程度逐步提高，傳統(tǒng)的人工維修模式難以滿足井下狹窄空間和高度智能化設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)需要[12]。因此，往往需借助遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)輔助完成井下空間設(shè)備運(yùn)營(yíng)與維護(hù)，利用5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳遞煤礦資源井下空間現(xiàn)場(chǎng)的音頻、視頻數(shù)據(jù)等信息，可將煤礦智能化應(yīng)用所涉及到的虛擬模型或虛擬操作系統(tǒng)連接到井下空間智能化設(shè)備中，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)專家和礦工的同時(shí)操作和觀察，更為機(jī)器人代替工人在井下空間對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理提供了可能。

圖4 基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)Fig.4 Remote operation and maintenance based on 5G technology

3.5 井下巡檢和安防

基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的井下巡檢和安防是煤礦智能化應(yīng)用的重要內(nèi)容，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能以及智能定位功能等，將實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采井下空間的高效巡查和安全防護(hù)。通過(guò)該安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)分享井下空間裝備運(yùn)行現(xiàn)狀、人員身體狀況等信息，通過(guò)井下空間安全信息與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，利用智慧終端的推送功能實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息在不同設(shè)備終端間的相互傳遞和溝通，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享，快速提升數(shù)據(jù)共享效率，利用更高效、更可靠和更經(jīng)濟(jì)的方式開(kāi)采煤礦資源。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的煤礦智能化系統(tǒng)，能夠借助5G技術(shù)的高精實(shí)時(shí)定位與服務(wù)、虛擬交互服務(wù)、生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制服務(wù)、井下運(yùn)營(yíng)維護(hù)協(xié)同管理服務(wù)以及井下巡檢和安全防護(hù)服務(wù)等功能，達(dá)到數(shù)據(jù)信息以及安全管理的基礎(chǔ)目標(biāo)，通過(guò)5G技術(shù)與大數(shù)據(jù)信息技術(shù)、云平臺(tái)計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬交互技術(shù)等的融合，為煤礦智能化應(yīng)用過(guò)程中大量數(shù)據(jù)信息分析和提供決策支持甚至實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化操作等，為我國(guó)提升煤礦智能化應(yīng)用水平作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。