摘要：運用5G新技術賦能煤炭工業(yè)轉型升級，能夠提升自動化、智能化水平，降低資源消耗，保障安全生產(chǎn)，實現(xiàn)煤炭行業(yè)質(zhì)量、效率和動力方面的變革。該文就5G通信技術在綜采工作面方面的應用展開了相關研究，通過深入分析井下采煤工作面的難點，致力于為煤炭企業(yè)打造新的經(jīng)濟增長點，延展產(chǎn)業(yè)與價值鏈，開拓新的盈利增長空間。

關鍵詞：5G通信技術；綜采工作面；應用；研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.050

中圖分類號：TN 929.5 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Research on the Application of 5G Communication Technology

in Fully Mechanized Mining Faces

LAN Wei， ZHANG Tao

（Shaanxi Zhiyin Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China）

Abstract： Empowering the transformation and upgrading of the coal industry with 5G new technology can improve automation and intelligence levels， reduce resource consumption， ensure safe production， and achieve changes in the quality， efficiency， and power of the coal industry. This article conducts relevant research on the application of 5G communication technology in fully mechanized mining faces. Through in-depth analysis of the difficulties in underground coal mining， we are committed to creating new economic growth points for coal enterprises， extending the industry and value chain， and exploring new profit growth opportunities.

Keywords： 5G communication technology; fully mechanized mining face; application; research

在數(shù)字化時代的浪潮中，5G技術以其高速率、低延遲和廣連接的獨特優(yōu)勢，引領著全球通信技術的新革命。特別是在煤礦這一具有特殊工作環(huán)境和高安全要求的行業(yè)，5G技術的引入，預示著生產(chǎn)方式的變革，也為提升安全生產(chǎn)水平、促進行業(yè)智能化升級提供了新思路。

1 5G通信技術在綜采工作面的應用背景

1.1 煤礦智能化是大勢所趨

煤礦智能化轉型正隨著技術進步而成為大勢所趨，代表了煤炭行業(yè)對高效、安全生產(chǎn)的追求。煤炭產(chǎn)業(yè)，歷史上因其工作環(huán)境的復雜性、事故災難的頻發(fā)及惡劣的安全形勢，長期面臨生產(chǎn)效率低下和人員安全難以保障的雙重困境。2020年12月發(fā)布的《關于開展首批智能化示范煤礦建設的通知》，明確提出了建設少人無人智能化示范煤礦的目標。煤礦智能化轉型成為推動能源科技創(chuàng)新、培育轉型升級新動能的戰(zhàn)略任務。

1.2 智能綜采工作面是智能礦山建設核心

傳統(tǒng)的綜采工作面依賴有線網(wǎng)絡進行設備間的數(shù)據(jù)通信，在某種程度上限制了生產(chǎn)效率的提升和安全生產(chǎn)的保障。隨著5G通信技術的引入，智能綜采工作面實現(xiàn)了從有線到無線的巨大跨越，為煤礦生產(chǎn)提供了更為靈活、高效的通信解決方案。中國聯(lián)通的改革嘗試為智能綜采工作面的發(fā)展提供了新的思路。通過在工作面部署“1個核心控制系統(tǒng)加9個子系統(tǒng)”的模式，將傳統(tǒng)的綜采設備控制系統(tǒng)進行了升級改造，實質(zhì)上將整個綜采工作面轉化為一個高度自動化的大型機器人。大型機器人的“大腦”，即綜采工作面自動化順槽集中控制系統(tǒng)，能夠接收操作人員通過人機交互發(fā)出的各項指令，實現(xiàn)對采煤作業(yè)的指揮、井下調(diào)度及一鍵啟停，同時對采煤工作面的設備運行情況進行實時監(jiān)控。組成的子系統(tǒng)則像是機器人的四肢，負責執(zhí)行對運行設備的遠程控制[1]。

5G通信技術的應用，就如同為大型機器人搭建了一條信息傳輸?shù)母咚俟?，確保操作指令可以高速、可靠地傳遞至控制器，實現(xiàn)對采煤機精確控制。大幅提升了綜采工作面的操作效率和安全性，使得操作人員可以在更安全的位置——井上或硐室進行作業(yè)控制，有效保障了礦工的生命安全。智能綜采工作面的建設，是煤礦生產(chǎn)向智能化、自動化方向邁進的重要一步，代表了煤炭行業(yè)對高效安全生產(chǎn)的追求，也是智能礦山建設理念在實踐中的具體體現(xiàn)。

1.3 5G﹢綜采工作面實現(xiàn)煤礦顛覆性變革

5G技術與綜采工作面的結合，實現(xiàn)了煤礦領域的顛覆性變革，深刻影響了煤礦的生產(chǎn)方式和工作環(huán)境。以往惡劣的煤礦作業(yè)環(huán)境不僅對工人的身體健康構成威脅，尤其是長期暴露在井下作業(yè)環(huán)境中可能引發(fā)呼吸道職業(yè)病，同時，傳統(tǒng)的采煤方式需要工人直接對綜采工作面的設備進行手動操作，勞動強度大，而且存在較高的安全風險。5G技術被引進后，憑借其高速的下行和上行速率、廣泛的連接能力以及低延遲的特性，徹底改變了這一狀況。通過對綜采設備的實時監(jiān)控和自動化控制，5G+綜采工作面極大地提高了生產(chǎn)效率，同時顯著降低了工人的勞動強度和安全風險。

2 5G通信技術在綜采工作面的應用體系構建

針對煤礦綜采工作面，必須研究并設計一套新一代的高可靠、智能化5G通信體系，為煤礦智能開采提供堅實的通信支撐。體系通過完成典型使用環(huán)境的驗證，確保系統(tǒng)在煤礦井下這一特殊且惡劣環(huán)境中運行的穩(wěn)定性和可靠性，同時也保證了系統(tǒng)操作的簡便性。體系要遵循《煤礦5G通信系統(tǒng)安全標志管理方案（試行）》和《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術要求（試行）》的相關要求，構建一套完整的煤礦智能開采5G通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。此外，通過采用5G作為煤礦井下的網(wǎng)絡承載，開發(fā)了軟件固化的5G基站、核心網(wǎng)、采集終端設備，提高無線通信系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的服務能力，形成一套完善的技術和軟件，全面滿足了煤礦工作面智能開采的需求。通信體系的設計考慮到系統(tǒng)的整體性和開放性，系統(tǒng)設計時需要充分考慮各個系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)及整合，以提高系統(tǒng)的整體利用效率，公開各種通信協(xié)議接口，保證系統(tǒng)間具有良好的互聯(lián)、互操作能力。此外，體系的可靠性特別針對煤炭生產(chǎn)對安全生產(chǎn)的特殊要求，必須選用高可靠設備，同時采用國際上先進的5G通信技術和自動控制技術，為滿足煤礦工作面智能開采的需求提供強有力的技術支持[2]。

3 5G通信技術在綜采工作面應用的價值

3.1 經(jīng)濟效益

在煤礦綜采工作面引入5G通信技術，帶來的經(jīng)濟效益是顯著而且多方面的，徹底改變了傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)模式。借助5G的大帶寬、低時延特性，煤礦工作面的通信體系實現(xiàn)了從有線到無線的躍進，直接對成本控制產(chǎn)生了深遠影響iCW+2mc9i0XMCgNhSaszUQ==。傳統(tǒng)有線通信方式在部署工作面時耗時長，成本高，5G技術的應用顯著降低了時間成本。特別是在井上調(diào)測和井下部署環(huán)節(jié)，無線傳輸方式的高效性減少了煤礦對時間成本的消耗，提高了整體作業(yè)效率。

此外，煤礦工作面在切換地點過程中，原有的數(shù)據(jù)傳輸線纜頻繁遭受破損，維修和更換成本極高，且因施工導致的工期延誤等間接損失更是巨大。5G無線通信技術的應用，有效避免了這類成本浪費，減少了對昂貴線纜的依賴，同時顯著縮短了施工工期，提升了生產(chǎn)效率。

采用5G通信技術后，煤礦設備如液壓支架等可直接與5G基站通信，省去了中間連接設備和線纜，進一步降低了成本。更為重要的是，5G技術的應用實現(xiàn)了煤礦工作面的減員增效，通信維護人員數(shù)量大幅減少，人力成本得到了有效節(jié)約。同時，智能化綜采的生產(chǎn)過程中設備自主感知運行和智能控制成為主流，減少了人工作業(yè)，降低了職工勞動強度，提升了生產(chǎn)效率。通過5G技術，煤礦工作面原有的有線通信體系網(wǎng)絡開通、部署、維護、升級的難度和成本得到了顯著降低，同時簡化和強化了井下組網(wǎng)架構，提高了帶寬，降低了時延，整體建設、使用、維護效率得到提升。

3.2 社會效益

5G通信技術在綜采工作面的運用標志著煤礦開采技術的創(chuàng)新，為工人提供了更為安全、高效的工作環(huán)境。5G通信技術的推廣應用減少了礦工在惡劣環(huán)境中的工作頻率，降低了設備故障的發(fā)生率，從而保障了從業(yè)人員的安全與健康。同時，5G技術的應用還顯著提升了煤炭工業(yè)的科技裝備水平，不僅增強了行業(yè)的自信心和自豪感，也提高了煤礦職工的社會地位，助力煤礦從勞動密集型向技術密集型轉型，增強了礦工和企業(yè)的榮譽感。此外，5G技術的引入為工作面的無線傳輸開辟了新途徑，推動了綜采裝備技術水平和礦井自動化水平的全面升級，對于構建安全型礦井具有重大的意義[3]。

4 5G通信技術在綜采工作面應用關鍵

技術分析

4.1 提高可靠性

基站利用終端設備的雙頻異頻技術，構建雙鏈路保護，顯著增強了網(wǎng)絡拓撲的健壯性。通過一體化設計，將核心網(wǎng)、BBU、RRU等產(chǎn)品集成于單個物理設備中，大幅減少了故障節(jié)點，從而簡化了系統(tǒng)架構，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。在終端設備的設計上，采用小型化策略，通過芯片級的設備和減少不必要的元器件，實現(xiàn)了5G模組與工作面通信設備的高效集成。軟件層面的可靠設計，如預調(diào)度、控制解調(diào)門限、定制特殊波形以及小區(qū)合并技術，進一步確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?G NR的免授權調(diào)度簡化了鑒權過程，有效減少了鑒權時間，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和高效性。mini-Slot技術作為URLLC的時間資源單位，通過采用mini-Slot進行調(diào)度，極大縮短了數(shù)據(jù)的傳輸和處理時延，提升了響應速度?；贑BG的HARQ重傳機制優(yōu)化了重傳效率和時效，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時，通過多BWP選擇，能夠規(guī)避帶寬內(nèi)的干擾，終端根據(jù)干擾情況選擇使用干擾較低的BWP，并在必要時切換工作的BWP，進一步增強了通信的可靠性。

4.2 提高抗干擾能力

井下環(huán)境復雜，尤其是粉塵多的情況下，干擾問題較為突出。為了有效消除組網(wǎng)中潛在的強干擾，可采用虛擬小區(qū)技術和更加嚴格的資源及干擾管理方案。虛擬小區(qū)技術通過其獨特的傳輸機制，在拓撲網(wǎng)絡中很好地抑制了干擾。同時，通過SSB跳頻技術提升了終端的同步能力，進一步通過CORESET和SearchSpace來進行控制信道的抗干擾處理。這些措施共同提升了5G通信在綜采工作面的性能，確保了通信的穩(wěn)定可靠，從而為煤礦的安全生產(chǎn)和高效運營提供了堅實的技術支撐。

4.3 完善井下工作面5G網(wǎng)絡整體系統(tǒng)規(guī)劃部署

在完善煤礦綜采工作面的5G網(wǎng)絡整體系統(tǒng)規(guī)劃部署中，必須堅持“統(tǒng)一規(guī)劃、安全經(jīng)濟、全面覆蓋、精細設計”的原則。確保5G網(wǎng)絡能夠高效、安全地服務于煤礦的特定需求。首先，無線頻段的選擇關乎網(wǎng)絡的覆蓋范圍和穿透力，采用2.6 GHz和3.5 GHz TDD模式的5G無線頻率，因帶寬大、頻率相對較低的特點而具有良好的穿透力，而且產(chǎn)業(yè)鏈完善、經(jīng)濟實惠。其次，無線基站的選型注重小型化、高集成度和低功耗，易于部署和維護，同時考慮到雙頻異頻及雙鏈路備份保護，增強了網(wǎng)絡的可靠性和靈活性。在組網(wǎng)方式上，采用雙網(wǎng)雙平面的策略，進一步強化了工作面網(wǎng)絡的健壯性。最后，對于核心網(wǎng)的建設，小型化、低功耗的設計理念同樣適用，確保了網(wǎng)絡的易維護性和易部署性。

4.4 技術創(chuàng)新點

5G通信技術在煤礦綜采工作面的技術創(chuàng)新展示出多方面應用潛力和優(yōu)勢。

（1）通過創(chuàng)新煤礦綜采面設備的分布式協(xié)同控制技術，基于智能感知、智能決策、智能控制等理論，研究和實現(xiàn)了基于多源數(shù)據(jù)融合的分布式協(xié)同控制策略。

（2）針對煤礦工作空間狹小的特點，構建的5G通信網(wǎng)絡克服了傳統(tǒng)井下通信的局限，通過建立無線信道路徑損耗和多徑衰落模型，精確揭示了電波傳播的衰減特性和傳輸機理。選擇最佳的傳輸頻帶參數(shù)，使用礦用隔爆兼本安型基站和通信終端設備組網(wǎng)，構建了一個安全、簡潔且可靈活擴展的通信網(wǎng)絡。

（3）所構建的5G通信網(wǎng)絡具備以下技術優(yōu)勢：高可靠性確保了無單點故障影響，滿足工作面業(yè)務系統(tǒng)的需求；高度集成的設備簡化了改造和認證過程；高安全性符合國家煤礦安全指標；設備的小體積和輕重量便于部署；通過光纖環(huán)網(wǎng)連接，基站接傳輸設備能利用現(xiàn)有的光纖設備，通過光纖環(huán)網(wǎng)的自愈功能實現(xiàn)更高的可靠性和魯棒性。

（4）一體化設備的低成本特性，在部署和維護成本上均較傳統(tǒng)5G分布式基站更為經(jīng)濟。

5 5G通信技術在綜采工作面的應用前

景分析

在國家和相關地方政府的大力推動下，煤炭企業(yè)5G技術在煤礦領域的實際部署和應用測試已經(jīng)展開。5G技術在煤炭開采領域內(nèi)帶來的場景驅動特征十分明顯，其實施涵蓋了技術研發(fā)、供應鏈優(yōu)化、基礎設施建設、智能終端與應用開發(fā)、以及商業(yè)化運營等多個環(huán)節(jié)的一個完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)。5G技術的引入，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式相比，顯著提高了數(shù)據(jù)利用率，減少了延時，提高了可靠性，提升了經(jīng)濟效益。在煤礦井下惡劣的環(huán)境中，5G通信網(wǎng)絡能夠保障煤炭生產(chǎn)過程中信息的高效傳輸。探索5G技術在煤礦的深入應用，有助于加速煤炭行業(yè)的新舊動能轉換，推動煤炭企業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展邁進。5G技術在煤礦綜采工作面應用具有廣闊前景。

6 結束語

在如今數(shù)字化、智能化快速發(fā)展的背景下，5G技術的應用標志著煤礦產(chǎn)業(yè)轉型升級邁出重要一步。隨著應用的深入推進，5G技術將引領煤礦行業(yè)邁上更高效、更安全、更綠色的發(fā)展道路。這也是當前煤礦企業(yè)、技術供應商需要共同努力的方向。

參考文獻

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[3] 侯振堂，侯尚武，翟軍民，等．5G技術在智慧煤礦自動化系統(tǒng)中的應用[J]．電子技術（上海），2021（8）：94-95．