基于5G技术的煤矿智能化开采关键技术探索

田世秀

摘要：煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障，当前处于煤矿智能化发展的初级阶段，仍然面临泛在感知难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差、融合大数据的智能决策效率低等问题，面向垂直行业智能化应用的第五代移动通信技术的解决提供了契机。智能化时代背景下，智能化技术的应用愈来愈广泛，将智能化技术和煤矿开采相结合，有助于创新煤矿开采的形式，提高煤矿开采的质量和效率。

关键词：5G技术;煤矿智能化;应用

煤炭开采技术一直受到许多企业的重视，每一个时代技术的进步和革新，都会在煤炭开采技术中得到应用，截至目前，主要经历了人力、炮采、普采和综采等发展阶段。由于受通信技术和井下复杂环境的约束，传输速率、设备互联和带宽一直以来都无法得到质的突破，进而制约着综采智能化的发展。5G 技术的到来，极大地催化了云计算、大数据和人工智能等技术的发展，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升，同样也影响着煤矿智能化开采技术的发展，为有效解决上述制约因素提供了技术支撑，因此探索5G 时代煤矿智能化无人开采技术具有重要的现实意义。

一、煤矿智能化应用5G技术

5G在设计之初就确定了三大应用场景，即增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延urLLC和海量机器通信mMTC。其对eMBB场景的技术支撑能力，能够有效适应煤矿中的超高清视频传输等大带宽的业务需求;对urLLC场景的技术支撑能力，能够有效满足无人采矿车、无人挖掘机等无人矿山智能设备间通信需求;对mMTC场景的技术支撑能力，能够更好地支持多种煤矿安全监测等传感数据采集需求。因此将5G通信技术应用于煤矿智能化开采中是煤矿开采的必由之路，也将有效推进煤矿智能化的进程，为全面开启煤矿智能化开采铺平“网络通信”之路。

1、数据生成速度快。5G应用场景多是基于大量数据的实时支撑，同时5G支持下的物联网数据瞬间产出量会数十倍甚至百倍于以往的数据量，数据生成速度会极大提高。

2、数据体量增长快。单位时间内的数据成指数级增加了，随时间累积的数据体量向着PB甚至ZB级发展，这也为大数据应用分析奠定了基础。以往为解决煤矿的控制数据、视频监控数据和安全数据的及时传输和隔离难题多采用控制通信环网、视频环网和安全环网三网独立的建设方案，虽然一定程度上解决了数据互占通道和安全数据隔离的难题，但带来的投资大、底層物联和上层融合难的问题也很突出。5G技术采用切片管理技术，按需定制网络，专网相互隔离、底层端端互联，为不同场景的传输需求提供了专用通道和安全解决方案。

二、5G技术在煤矿智能化中的应用

1、基于5G的高精实时定位。5G移动网络通信系统能够通过网络切片技术的创造性应用，将煤矿智能化应用过程中的物理空间网络划分为多个虚拟网络空间结构，利用任意虚拟网络空间不同的服务需求增强其不同功能，加强不同虚拟空间对传输结构、带宽数据、运行稳定性甚至可靠性等性能划分，灵活应对煤矿智能化应用过程中不同的网络应用场景。在此过程中，基于5G技术的高精实时定位与应用服务技术，直接转变了传统模式下煤矿井下定位系统传统蓝牙功能、超带宽传输技术等定位精确程度较低而不符合煤矿智能化应用中专业需要的局面，利用5G移动网络通信系统不设单独的基础设施方式，保证煤矿智能化应用过程中数据传输的实时性。

2、基于5G的虚拟交互应用。基于5G技术的虚拟交互应用主要体现在虚拟现实技术和增强现实技术的应用过程中，煤矿智能化开采应用过程中5G三维建模技术的虚拟展示图。在此应用过程中，基于5G的虚拟交互应用技术能够彻底颠覆煤矿资源开采过程中的传统人机互动模式，使煤矿智能化开采经历三维建模和虚拟展示的基础阶段、互动模式和可视化设计阶段以及混合现实与云端实时渲染阶段的三阶段技术变革历程。以混合现实和云端实时渲染阶段为例，分析5G移动网络通信技术的应用，可知该阶段能够对井下空间煤炭资源进行虚拟开采和协同运营与维护，满足高带宽需要和低时延要求，通过5G技术达到其性能目标。

3、生产远程实时控制。就煤矿智能化应用过程中的远程实时控制生产而言，煤矿开采资源的生产控制一直都是煤矿智能开采或智慧化建设过程中的关键内容。传统的煤矿工业生产和远程控制系统，主要利用路由器、传感器以及多类型的互联网协议，将各种数据由传感器设备汇集到集中控制中心，再传递到远程控制中心，仅仅能满足部分对数据传输实时性要求不高的远程控制需要。但若针对实时性要求较高甚至井下空间结构生产安全或员工安全考虑的部分，并不能采用远程控制系统，可5G 移动网络通信技术在煤矿智能化开采过程中的应用，就直接打破了该固有难题。基于5G 的井下全功能远程控制系统，能够实现实时数据传输要求极高部分的煤炭资源开采或安全管理目标，建立真正的煤矿智能化开采远程实时控制模块，基于5G 技术的多元决策控制架构。

4、井下远程协同运维。5G移动网络通信技术在煤矿智能化井下空间中的重要应用场景，即远程协同运营与维护。基于5G技术的远程运营维护场景结构，在煤矿资源井下开采过程中，井下空间较为狭窄，井下设备智能化程度将随着空间的不断缩小而越来越高，整个装备系统架构复杂程度逐步提高，传统的人工维修模式难以满足井下狭窄空间和高度智能化设备的运营维护需要。因此，往往需借助远程专家系统辅助完成井下空间设备运营与维护，利用5G移动网络通信系统传递煤矿资源井下空间现场的音频、视频数据等信息，可将煤矿智能化应用所涉及到的虚拟模型或虚拟操作系统连接到井下空间智能化设备中，通过虚拟现实技术的应用实现专家和矿工的同时操作和观察，更为机器人代替工人在井下空间对设备进行维护管理提供了可能。

在地面，5G技术已经为森林防火的低功耗广连接场景、自动驾驶的低延时高可靠场景、高清赛事转播的多热点高容量场景等提供了切实可行的解决方案。5G技术与大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术的结合也将逐一在煤矿落地，实现煤矿大数据的实时分析与决策支持，可视化远程操控与数字孪生应用，混合现实远程运维服务等。

（1）总体网络架构应该是有线骨干+5G覆盖的形式。以光纤骨干环网保证井下信息传输的安全可靠，以5G网保证井下无线覆盖和移动传输的需求。

（2）结合井下实际的巷道或工作面布置优化5G微基站的布置，保证覆盖的同时减少资源消耗。

（3）分析并划分井下应用场景，梳理不同应用场景的个性化需求，根据需求对网络资源进行逻辑分割，即完成所谓的“切片”。

（4）在构建好传输平台的基础上，要注重平台与应用场景和先进技术的融合，解决一直困扰煤矿智能化开采的泛在感知、实时可靠传输、大数据应用、快速智能决策、混合现实远程操作等卡脖子难题，实现基于混合现实的井下智能化开采和远程实时可视化操控。在智能化系统的基础上，明晰了综采智能化系统整体架构，以综采工作面智能装备为主，详细阐述了采煤机、液压支架、刮板运输机现阶段的智能化技术。此外，总结了不同装备智能化技术对应的综采智能化发展阶段。可以看出，综采智能化是煤矿开采的必然发展趋势，随着科学技术的不断进步，装备的智能化水平也将得到极大提升。

参考文献：

[1]杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].炭科学技术，2019，47（01）：1-10.

[2]黄乐亭，黄曾华，张科学.5G技术大采高综采智能化工作面开采关键技术研究[J].煤矿开采，2021（1）：1-6.

[3]陈关皓，杨凡，孙静.5G技术煤矿智能化开采关键核心技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2020（09）：22，24.