5G技術(shù)在智慧煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

牛鐸潤(rùn)

摘要：隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦信息化正向信息擴(kuò)展、高度集成、綜合應(yīng)用、自動(dòng)控制、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、智能決策的方向發(fā)展。5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）將為煤礦井下實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)采集、高清視頻監(jiān)控傳輸、遠(yuǎn)程精確控制、大設(shè)備連接等方面提供重要的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：5G通信;煤礦工程;綜采自動(dòng)化

引言

近些年，煤礦智能化在我國(guó)煤炭生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)面已體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)保障能力，成為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的重要方向。在煤礦智能化進(jìn)程中，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（The5thgenerationcommunication，5G）融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)成為煤礦智能化的有效推動(dòng)力，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛共識(shí)。隨著國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知以及工信部印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，融合5G等新一代信息技術(shù)推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)進(jìn)一步獲得學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及政府的高度重視。然而，井下的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境、煤礦開(kāi)采的具體業(yè)務(wù)需求不明導(dǎo)致無(wú)法直接將5G通信系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦智能化開(kāi)采之中，需要進(jìn)一步研究5G適應(yīng)性技術(shù)以滿(mǎn)足煤礦智能化開(kāi)采的無(wú)線(xiàn)通信與信息處理需求。針對(duì)上述問(wèn)題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)從關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化制定、實(shí)驗(yàn)室及網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)建設(shè)等各方面開(kāi)展了積極的研發(fā)工作。然而，目前的研發(fā)及試點(diǎn)建設(shè)尚處起步階段，面向煤礦特定場(chǎng)景的針對(duì)性研究依然欠缺，對(duì)于煤礦智能化水平的提升有限。

一、智慧煤礦分析

智能煤礦是我國(guó)煤礦發(fā)展的新局面，也是我國(guó)硬煤健康穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。智能煤礦基本上結(jié)合了各種技術(shù)，以形成數(shù)據(jù)鏈路和數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)，完整而全面的感知系統(tǒng)以及強(qiáng)大的服務(wù)平臺(tái)。具體內(nèi)容在下面進(jìn)行了分析和詳細(xì)說(shuō)明。（1）智能煤礦主要集成了物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可以使煤礦的變化更加智能化和自動(dòng)化，從而提高煤礦的效率。（2）現(xiàn)階段發(fā)展智能煤礦也符合我國(guó)的環(huán)境要求，有效地實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好的經(jīng)營(yíng)方式。此外，智能煤礦還根據(jù)實(shí)際采礦和生產(chǎn)條件創(chuàng)建了各種平臺(tái)系統(tǒng)，例如：綜合控制平臺(tái)、地下煤礦定位和導(dǎo)航平臺(tái)、礦井運(yùn)輸信息平臺(tái)、視頻監(jiān)控和3D場(chǎng)景平臺(tái)、災(zāi)難意識(shí)和報(bào)警平臺(tái)、無(wú)人工作系統(tǒng)智能控制平臺(tái)等;每個(gè)系統(tǒng)都是在線(xiàn)的。這可以為各種任務(wù)的開(kāi)發(fā)提供相對(duì)有利的環(huán)境。

二、5G技術(shù)在智慧煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.一體化管控優(yōu)化管理變革

傳統(tǒng)粗放管理模式下，由于缺少數(shù)據(jù)，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，只能依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理，無(wú)法支撐對(duì)更多過(guò)程細(xì)節(jié)的管控，難以對(duì)各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)做出預(yù)警。隨著“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，為非煤礦山實(shí)現(xiàn)智慧化生產(chǎn)和精益化管理提供了可能。實(shí)現(xiàn)非煤礦山智慧化生產(chǎn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和生產(chǎn)流程，精益管理通過(guò)構(gòu)建合理的生產(chǎn)方式和流程，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性，從而解決礦山生產(chǎn)過(guò)程中的不確定性問(wèn)題，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)分析各類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山安全生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)，綜合評(píng)估相關(guān)災(zāi)害，為礦山管理方式由“經(jīng)驗(yàn)管理”向“智慧化管理”轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

2.高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)與5G通信技術(shù)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)時(shí)采集和傳輸綜采設(shè)備運(yùn)行情況，目前井下常用的防爆攝像機(jī)性能較差，在煤礦井下惡劣的生產(chǎn)條件下，經(jīng)常出現(xiàn)被煤塵覆蓋降低清晰度和照射范圍的情況，不能全面展現(xiàn)工作面實(shí)時(shí)情況，且維護(hù)起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。煤礦井下綜采工作面光線(xiàn)復(fù)雜昏暗、粉塵懸浮、溫濕度較大，近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，4k高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)逐漸成為行業(yè)寵兒，但4k高清攝像機(jī)需要更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬（一般情況下4k圖像需要6～8Mb/s的帶寬，經(jīng)不同的編碼格式編碼后可降低帶寬需求），無(wú)論是RF射頻信號(hào)、WiFi還是4G均難以滿(mǎn)足高清視頻的帶寬需求。5G作為更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完全能夠滿(mǎn)足高清視頻監(jiān)控圖像傳輸?shù)男枨蟆Ｒ匀A為5GCPE終端設(shè)備Pro版為例，數(shù)據(jù)傳輸上行峰值：250Mb/s;下行峰值：1.65Gb/s，在滿(mǎn)足高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，仍有足夠的帶寬支持通話(huà)、視頻、數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程控制等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3.無(wú)線(xiàn)基站選型

5G基站種類(lèi)與形式并不單一，除了宏基站以外，還有微基站、皮基站以及飛基站。微基站、皮基站和飛基站的具體設(shè)備形態(tài)又分為分布式和一體化兩種。宏基站發(fā)射功率較大，覆蓋范圍也比較大，因此適合于需要大面積覆蓋的場(chǎng)景。相比宏基站，微基站、皮基站以及飛基站體積更小、部署方便、選址靈活，通常作為宏基站的補(bǔ)充進(jìn)行無(wú)線(xiàn)覆蓋增強(qiáng)和熱點(diǎn)區(qū)域業(yè)務(wù)流量提升。通常，在如下場(chǎng)景中，亦可以采用微基站進(jìn)行無(wú)線(xiàn)覆蓋：1）宏基站建設(shè)有難度的待覆蓋區(qū)域，比如建站困難或者空間受限的地方;2）較小的室外覆蓋區(qū)域;3）對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸帶寬有較大要求的辦公區(qū)或者居民區(qū);4）需要進(jìn)行深度覆蓋的區(qū)域。由于煤礦地面和井下兩種不同的使用環(huán)境，因此煤礦5G無(wú)線(xiàn)基站需要根據(jù)這兩種不同的使用環(huán)境分別進(jìn)行選型。

4.數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)分析技術(shù)是智能采礦的關(guān)鍵部分，因?yàn)橹悄苊旱V由不同的平臺(tái)操作系統(tǒng)組成。因此，對(duì)諸如實(shí)際操作平臺(tái)和技術(shù)平臺(tái)之類(lèi)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析非常重要。在應(yīng)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)時(shí)，主要是使用傳感器收集數(shù)據(jù)和信息以及確定數(shù)據(jù)分析的有用性。同時(shí)，利用此數(shù)據(jù)，可以有效地分析和提取煤礦開(kāi)采的相關(guān)信息，并將其應(yīng)用于煤礦開(kāi)采，以確保煤礦開(kāi)采的效率和實(shí)施智能煤礦開(kāi)采模式。另外，通過(guò)使用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以為相關(guān)人員執(zhí)行各種任務(wù)，從而使工作相對(duì)方便，準(zhǔn)確地了解采礦問(wèn)題并及時(shí)解決，以確保各項(xiàng)任務(wù)的順利進(jìn)行。

結(jié)語(yǔ)

綜采自動(dòng)化、智能化是未來(lái)煤炭企業(yè)的發(fā)展方向，采煤機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)開(kāi)始研究，5G作為新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擁有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)5G綜采工作面可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、綜采液壓支架、高清視頻監(jiān)控、刮板運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)之間的整合，提高數(shù)據(jù)利用率，建立以自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警聯(lián)動(dòng)為核心的智能采礦體系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井下采煤少人化、無(wú)人化作業(yè)，提高生產(chǎn)效率，減少安全事故。

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