黃馨丹

（上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200082）

1 基于5G 通信技術(shù)的煤礦智能化總框架設(shè)計(jì)

基于5G 通信技術(shù)的煤礦智能化總框架設(shè)計(jì)可以被規(guī)劃為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)層包括傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理等模塊，應(yīng)用層包括實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析以及預(yù)測預(yù)警等模塊，網(wǎng)絡(luò)層包括5G通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)等模塊。煤礦智能化總框架如圖1 所示。

圖1 煤礦智能化總框架設(shè)計(jì)

基于5G 通信技術(shù)的煤礦智能化總框架具有許多優(yōu)勢，5G 通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的通信延遲，從而能夠更快地響應(yīng)煤礦的實(shí)時監(jiān)控和預(yù)測預(yù)警需求[1-2]。5G 通信技術(shù)可以提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更高的可靠性，滿足煤礦復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸和處理的需要，而且還提供了更強(qiáng)的安全性和保密性，可以更好地保障煤礦的數(shù)據(jù)隱私和信息安全[3]。數(shù)據(jù)層需要使用各種傳感器節(jié)點(diǎn)采集煤礦中的各種數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊?，然后對?shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，從而為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持[4]。應(yīng)用層需要利用數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦的實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測預(yù)警等功能，以提高煤礦的安全性和生產(chǎn)效率。網(wǎng)絡(luò)層需要通過5G 通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、安全存儲和可靠交換等功能，從而為整個煤礦智能化系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，需要針對煤礦的實(shí)際需求對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)安全等方面進(jìn)行優(yōu)化和升級。

2 智能捕捉煤礦數(shù)據(jù)

在煤礦物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)層中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要用于數(shù)據(jù)采集[5]。傳感器節(jié)點(diǎn)通過各種傳感器感知煤礦生產(chǎn)環(huán)境中的溫度、濕度、氣體濃度、振動以及噪聲等各種信息，煤礦中用到的傳感器種類繁多，包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器、振動傳感器以及聲音傳感器等，采集完畢后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集過程如公式（1）所示。

式中：Di，j為第i個傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的第j個數(shù)據(jù)值；Sj為環(huán)境中的第j個物理量；f為傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)通常是非線性的，需要根據(jù)具體的傳感器進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)[6]。在煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，由于礦井內(nèi)的信號環(huán)境較惡劣，因此采用LoRa 等低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器[7]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通常采用嵌入式系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過程如公式（2）所示。

式中：Ii，j為從第i個傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的第j個數(shù)據(jù)值；Oi，j為處理后的結(jié)果；g為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理函數(shù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理函數(shù)通常是線性的，包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)降采樣以及數(shù)據(jù)壓縮等處理。煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量較大，因此需要有一定的存儲容量來存儲數(shù)據(jù)。云端服務(wù)器可以提供大容量的存儲空間，存儲從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)，以備后續(xù)使用。

3 實(shí)時分析生產(chǎn)環(huán)境

在煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中，實(shí)時監(jiān)控是一個非常重要的功能。通過實(shí)時監(jiān)控可以及時掌握煤礦生產(chǎn)環(huán)境的變化情況，為煤礦安全生產(chǎn)提供重要支撐。實(shí)時監(jiān)控可以通過Web 界面或移動App 實(shí)現(xiàn)，云端服務(wù)器可以對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取有價(jià)值的信息。數(shù)據(jù)分析可以幫助煤礦管理人員更好地了解煤礦生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)并及時處理問題。數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，K-means聚類算法對煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，以便更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。K-means 聚類算法是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，可以將數(shù)據(jù)集分成K個簇，其中每個簇的數(shù)據(jù)點(diǎn)與該簇的質(zhì)心距離最小。初始化K個簇的質(zhì)心c1，c2，...，ck。計(jì)算每個數(shù)據(jù)點(diǎn)x與所有簇質(zhì)心的距離，并將其分配到距離最近的簇中，如公式（3）所示。

更新每個簇的質(zhì)心為該簇所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值，如公式（4）所示。

式中：xi為第i個數(shù)據(jù)點(diǎn)到簇質(zhì)心的距離。

通過算法重復(fù)直到簇不再發(fā)生變化或達(dá)到最大迭代次數(shù)為止，數(shù)據(jù)分組分析是一種重要的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，它通過將數(shù)據(jù)集合分成若干個簇來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律和模式。K-means 聚類算法的基本思想是隨機(jī)選擇K個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為初始的簇中心，然后將每個數(shù)據(jù)點(diǎn)分配給距離它最近的簇中心，重新計(jì)算每個簇的中心，將中心更新為該簇內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值。重復(fù)執(zhí)行該過程，直到簇不再發(fā)生變化或達(dá)到最大迭代次數(shù)為止。在煤礦生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的分析中，數(shù)據(jù)分組分析可以幫助煤礦管理人員預(yù)測可能出現(xiàn)的安全問題并提前發(fā)出預(yù)警。通過聚類算法可以將生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)分成若干個簇，每個簇代表一種生產(chǎn)環(huán)境的狀態(tài)，將煤礦的溫度、濕度以及氧氣濃度等參數(shù)作為數(shù)據(jù)集合，通過聚類算法將其分成幾個簇。在這些簇中，可能存在一些異常值，這些異常值可能代表一些潛在的安全問題。預(yù)測預(yù)警可以幫助煤礦管理人員及時采取措施，保障煤礦生產(chǎn)安全。在預(yù)測到可能出現(xiàn)的安全問題后，煤礦管理人員可以采取調(diào)整生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)等措施防止發(fā)生事故，有效地提高煤礦生產(chǎn)安全的水平，保障煤礦員工的安全和生命健康。

4 煤礦智能化5G 通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋

網(wǎng)絡(luò)層主要是指煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的通信層，即基于5G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層。在煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)層是非常重要的一層，它主要負(fù)責(zé)煤礦物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信，同時保證數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。當(dāng)前，基于5G 通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層已經(jīng)成為煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主流選擇，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的高速傳輸，為實(shí)時監(jiān)控和安全生產(chǎn)提供重要支撐。5G 通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的高速傳輸，同時保證數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。5G網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)和設(shè)備組成，智能煤礦5G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況如圖2 所示。

圖2 智能煤礦5G 通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況

由圖2 可知，核心網(wǎng)是5G 網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的控制、管理和用戶身份驗(yàn)證等任務(wù)。核心網(wǎng)采用云計(jì)算技術(shù)，可以對大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理和存儲，支持多種不同的數(shù)據(jù)格式和傳輸協(xié)議。無線接入網(wǎng)是5G 網(wǎng)絡(luò)的另一個重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)將無線信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將其傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)。無線接入網(wǎng)采用多個小型基站覆蓋的方式，可以實(shí)現(xiàn)更均勻的信號覆蓋和更高的信號質(zhì)量。在煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測煤礦生產(chǎn)環(huán)境的變化，包括溫度、濕度、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛纫约帮L(fēng)速等。傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線接入網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)進(jìn)行處理和分析。云計(jì)算及區(qū)塊鏈技術(shù)可以采集各種傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)的功能，支持多種不同的數(shù)據(jù)格式和傳輸協(xié)議。

5 測試試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該試驗(yàn)的目的是探究在煤礦智能化建設(shè)中5G 通信技術(shù)的應(yīng)用，通過使用5G 通信設(shè)備和傳感器采集并傳輸煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)，并通過服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和掌握煤礦情況的功能，提高煤礦的智能化程度。試驗(yàn)中使用的5G 通信設(shè)備為華為的5G CPE Pro 2，激光測距儀為BOSCH GLM 500 型號，溫濕度傳感器型號為DHT22，氧氣濃度傳感器型號為MQ-2，瓦斯?jié)舛葌鞲衅餍吞枮镸Q-4，服務(wù)器為DELL PowerEdge T440 服務(wù)器，采用MATLAB 2021a 軟件來進(jìn)行試驗(yàn)分析。首先，需要在煤礦中安裝傳感器，這些傳感器可以采集煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)。通過5G 通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器。其次，在服務(wù)器端需要使用MATLAB 等數(shù)據(jù)處理分析工具對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出相應(yīng)的結(jié)論和結(jié)果。在這個過程中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分析等操作，以獲得可靠的結(jié)論和結(jié)果。最后，展示分析結(jié)果，例如通過數(shù)據(jù)可視化等方式展示煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)的變化情況。這些展示結(jié)果可以幫助煤礦管理者及時發(fā)現(xiàn)煤礦中的異常情況，從而采取相應(yīng)的措施保障煤礦安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

5.2 試驗(yàn)過程

在煤礦智能化建設(shè)的過程中，應(yīng)用5G 通信技術(shù)可以采集煤礦中的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器上進(jìn)行處理和分析。在煤礦中應(yīng)用5G 通信技術(shù)的測試試驗(yàn)流程如下：1） 安裝傳感器。為了采集煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)，需要在煤礦中安裝相應(yīng)的傳感器。這些傳感器可以通過無線方式或有線方式與5G 通信模塊進(jìn)行連接，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給5G通信模塊。2） 數(shù)據(jù)傳輸。5G 通信技術(shù)可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至云端服務(wù)器上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。5G 通信技術(shù)具有高速、低延遲以及高可靠性等特點(diǎn)，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。3） 數(shù)據(jù)處理。在服務(wù)器端需要使用MATLAB等數(shù)據(jù)處理分析工具對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這個過程需要進(jìn)行濾波、分析等操作，以獲得可靠的結(jié)論和結(jié)果。其中，MATLAB 可以幫助快速分析處理大量數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)可視化的功能。4） 數(shù)據(jù)展示。通過數(shù)據(jù)可視化等方式展示煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)的變化情況。需要注意的是，在煤礦智能化建設(shè)中應(yīng)用5G 通信技術(shù)需要考慮多個因素，例如信號覆蓋范圍、信號穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)安全性等。同時，在使用MATLAB 等數(shù)據(jù)處理分析工具時也需要考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中，通過使用5G 通信技術(shù)采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r上傳至云端服務(wù)器并進(jìn)行處理、分析。根據(jù)分析結(jié)果可以對煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對煤礦的安全生產(chǎn)有重要意義。通過MATLAB 分析后得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)分析結(jié)果

由表1 可知，在不同時間點(diǎn)上，煤礦中的溫度、濕度、氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)都有所變化，表1 記錄了5個時間點(diǎn)（1 h~5 h）的溫度、濕度、氧氣濃度和瓦斯?jié)舛?。? 個時間點(diǎn)中，溫度下降，由25.2 ℃降至24.2 ℃；濕度上升，由42%升至46%；氧氣濃度下降，由19.1%降至17.9%；瓦斯?jié)舛壬仙?，?.7%升至1.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，以上內(nèi)容與實(shí)際人工記錄的內(nèi)容基本一致，該結(jié)果可以預(yù)測煤礦的安全情況，便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)煤礦中可能存在的危險(xiǎn)情況，并及時采取措施進(jìn)行處理。

6 結(jié)語

綜上所述，該文探究了5G 通信技術(shù)在煤礦智能化建設(shè)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)5G 通信技術(shù)對煤礦生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率的影響。該文設(shè)計(jì)了基于5G 通信技術(shù)的煤礦智能化總框架，智能捕捉煤礦數(shù)據(jù)，實(shí)時分析生產(chǎn)環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)煤礦智能化5G 通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的目標(biāo)。研究表明，5G 通信技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，可以提供更高速、更可靠且更安全的數(shù)據(jù)傳輸方式，提高了煤礦的信息化水平，加強(qiáng)了煤礦生產(chǎn)安全保障，可以實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。