5G通信网络技术在煤矿智能化的应用

文｜ 钱柄旭

近年来，我国煤炭开采技术在不断地创新和发展过程中，尤其是在全面淘汰落后产能的社会背景下，仍然可以保证煤炭产量的高度稳定，满足我国社会发展对煤炭资源的需求总量，对于确保各行各业发展的能源供给以及保障能源安全作出了突出贡献。但是伴随着人们生活水平的不断提升，煤炭安全、节约生产成为企业发展的核心课题，可通过对智能化技术的有效运用，比如5G技术，推动煤炭行业实现转型和升级。

一、5G发展概述

5G技术在全球范围内受到了广泛关注，为全球发展带来了颠覆性变化。其特征主要表现在以下几个方面：

一是速率更高。通过5G技术，可以将毫米为单位对数据进行传递，有效规避3Ghz之下的数据信息传递拥挤问题，实现了分布与波束跟踪和波束跟踪之间的有机融合，在最小范围内形成更大的天线，进一步规避高频通信毫米波穿透的缺陷和不足之处。

二是峰值速率更高。5G技术的峰值速率可达到互联网运行的最高速度，其最低速率相较于4G通信技术，速率可达到其10倍及以上。因此对于单个用户流量来说，可实现质量的全面飞跃。

三是容量更大。基于同一空间之下，可实现密度更高的频谱效率，主要是由于5G技术运用大规模MIMO，系统容量可直接达到4G技术的1000倍。

二、煤矿智能化应用5G技术的可行性

在煤矿企业的智能化开采过程中，将5G技术应用于其中，主要是通过5G技术对井下的特殊环境进行分析，对井下作业进行合理部署（如图1）。相较于地面，井下作业及其环境特征主要表现在以下几个方面：一是井下空间狭长，同时分支较多；二是容易吸收或对无线电波带来干扰；三是设备布置较为复杂，有着非常强大的磁力干扰；四是粉尘、瓦斯较多，可能会对相关工作人员带来安全威胁。

图1 工作面 5G 布置示意

将5G技术运用在井下开采，其最大的问题就在于高频无线信号可能会在井下环境中迅速衰减，定向传输能力虽可得到增强，但是其绕射能力将会得到下降，导致传输距离较短，覆盖范围无法达到理想化目标。近年来，这些问题在5G技术的研发过程中，已得到攻克，并衍生出了超密集组网技术、Massive MIMO等，这些技术的出现和发展，构建出了更为完善的5G核心技术体系。

基于网络部署角度简要分析，现阶段在煤矿智能化开采过程中，网络布置中的4G网络大多数是4G技术+Wi-Fi，其覆盖距离可达到1500米左右。但是5G技术分为两大类，分别为微基站和宏基站，宏基站其设备容量更高，发射功率更强，在井下这种空间较小的地区不适合进行大规模使用。微基站虽然其中提到设备容量较小，但是总体发射功率较低，覆盖距离可达到500米左右。因此，基于技术角度进行考量，可通过运用三个或三个以上的微基站，既可达到原有4G网络覆盖的管控范围，同时可实现宽带速率的全方位提升，延迟全方位降低。除此之外，5G伪基站的功能消耗以及设备体积，相较于4G基站来说要更小，更加可以保障在井下运用时的安全可靠性。面对井下作业时由于环境所带来的安全因素，加强对5G技术的规划和使用，可有效弥补井下作业的短板之处。需依照井下作业的实际现状，制定出针对性的5G布设方案。举例来说，对于狭长同时分支较多的井下空间，可以通过有线光纤主干+ 5G微基站，为煤矿企业的智能化开采奠定坚实的基础，提供强有力的技术保障。

三、5G通信网络技术在煤矿智能化的应用策略

（一）高精度实时定位与应用服务

目前在我国的煤矿井下工作过程中，定位系统大多是运用传统的蓝牙技术以及超宽带无线传输技术，总体定位精准性无法达到要求，同时还需要单独设置对应的基础设施，信息传递真实性也无法得到保障。但是通过5G技术的低延时特点，开发出针对性的5G网络井下定位系统和使用系统，为煤矿自动化发展未来的必然趋势。可实现井下车辆管理，并对车辆进行精准推进，进一步弥补传统移动设备实时控制的缺陷和不足之处，优化管理水平。

（二）虚拟交互应用

AR技术和VR技术是可以改变传统煤矿井下作业管理水平的重要技术，颠覆传统的人机交互，成为我国现代信息产业发展过程中的颠覆性变革。AR技术、VR技术的使用划分为三大阶段，首先可以用在虚拟展示和三维建模上，比较常见的如裸眼3D技术，既可满足4G+Wi-Fi需求，又可促使宽带速率全面提升，延时全面下降。其次是运用在互动模拟和可视化设计上，例如可以进行多人井下培训。最后就是可用在云端实时渲染和虚拟操控上，例如可进行井下协同运维，进行无人开采工作。

（三）生产远程实时控制

实现煤矿自动化生产过程的动态化控制，一直是我国煤矿智能化发展过程中的核心所在，也是这些年技术攻克的重点难题。在传统的远程控制终端系统中，需要运用多种路由，并建设多项协议，才可将分散数据信息进行集中汇集，集成到总控中心中再传输到远程控制中心。因此，个别对实时性要求不高的功能可通过远程控制来进行实现，但是对于实时性要求较高的功能，综合考量安全因素，无法运用远程控制。5G技术其延时较低，可为攻克这一难题提供坚实的基础，通过5G技术的井上全功能远程管控，即可达成这一目标。

（四）井下远程协同运维

将5G技术应用在井下智能化开采，即可实现远程协同。未来，在我国自动化技术不断发展的过程中，煤矿井下智能化水平也将会得到全面提升，系统变得越来越复杂，传统的维修技术及人工维修，已经无法独立完成运维工作，需要通过系统的远程控制，基于专家系统为其提供辅助，达成远程协同运维目标。目前已有的煤矿智能化音频信息，可通过对5G技术的运用，将其传输到远端对应的虚拟模型，也可直接传输到现场设备。通过对虚拟现实技术的有效运用，可确保专家和一线工人获得同样的视觉场景，进行针对性的系统操作，还可以通过对机器人的运用，对井下人工维修进行替代。

（五）井下巡检和安防

通过5G技术的定位功能以及数据传输速率较高等特征，可通过端口与端口之间的物联网衔接，实现井下工作的高效率巡检，保障安防工作的完整性。运用5G技术，可对井下设备和井下工作人员进行实时定位，并对数据进行第一时间的共享，传输到智能终端，可在第一时间推送数据信息，并对信息进行自动化识别，使得井下环境感知水平得到全方位提升，实现和井上工作人员的第一时间共享。传统的数据上传下发，5G技术支持之下的信息使用过程更为高效，延迟时间得到全面缩短，具备更强的可靠性，同时具备更高的性价比。

四、结论

综上所述，将5G技术用在我国煤矿智能化发展中，可有效弥补目前煤矿作业的短板之处，促使环境感知精准度全方位提升，实现了安全监管工作效果的全面优化，对于改善我国煤矿智能化水平有着非常重要的现实作用，真正地实现智能化开采。因此需相关工作人员了解5G技术特征以及运用在煤矿智能化中的可行性，并围绕定位与应用、虚拟交互、生产过程控制、井下运维、巡检着手，保障5G技术应用场景的合理性，发挥出5G技术的最大价值。