矿用5G通信系统建设关键技术应用研究

张珂

天地 (常州 )自动化股份有限公司 江苏省常州市 213000

摘要：煤炭是我国的基础能源和重要工业原料，在我国一次能源结构中长期作为主体能源。“十三五”时期是我国煤炭工业加快转型发展、实现由大到强历史跨越的重要机遇期。需要牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，适应把握引领经济发展新常态，努力建设集约、安全、高效、绿色的现代煤炭工业体系。在国家政策及企业内需的双重驱动下，当前矿山行业呈现智能化、绿色化的发展趋势，对高质量的无线通信网络需求强烈。智能化矿山^[1]的建设需要技术先进、业务全面、功能强大、性能稳定的5G通信系统平台做支撑。5G通信技术具有高带宽、低时延、大规模设备连接等特性，为煤矿井下设备群的“万物互联”提供了通道，可实现矿井全范围通信网络覆盖、对井下设备和环境数据进行全方位采集和传输、精准可靠的实现设备控制，满足井下各类业务系统的网络数据传输需求。5G通信技术的应用，将全面推动矿山行业信息化、自动化、智能化发展。

关键词：基础能源；5G技术；应用场景；承载网平台

1、引言

5G通信系统是新一代移动通信系统，它具备大宽带、低时延、广连接的特性。5G通信技术支持增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低延迟通信(uRLLC)、大规模机器类通信(mMTC)三大典型应用场景。5G与工业融合之后，逐步成为支撑并推动 5G、物联网、云计算、“互联网+”等一系列新技术与煤炭行业的深度融合，实现煤矿智能化建设。5G与工业互联网融合应用出现了八大类新型场景，分别为5G+超高清视频、5G+AR、5G+VR、5G+无人机、5G+云端机器人、5G+远程控制、5G+机器视觉以及5G+云化AGV等应用场景。

智能化矿山的建设需要技术先进、业务全面、功能强大、性能稳定的 5G无线通信系统平台做支撑。5G无线通信系统的先进性、稳定性及其业务能力直接影响矿山智能化的程度和未来发展潜力。

2、需求分析

智能矿山需要传输大量的传感数据和控制数据，必须依托于强大的高可靠通信传输网络。如综采工作面属于移动性作业，环境复杂，温度高、粉尘多、湿度大、光线不足，有线传输系统经常发生线缆断裂、接头松动等故障，可靠性差。煤矿井下智能辅助运输等系统的智能化，更是需要一套能够覆盖全矿井下的低延时、高可靠的无线传输系统，以便能够将设备的各种状态数据和安全检测数据实时传送至系统平台，并作出及时响应和反馈，业务需求如下表所示：

序号	业务需求	需求描述	备注
1	无人驾驶	实时数据传输，实现矿车无人驾驶
2	煤矿自动化（智能开采）	实时数据传输，主要实现智能工作面、无人工作面
3	井下机器人	为机器人提供通讯服务
4	VR/AR	高清视频传输
5	矿山物联网	矿压、小水泵、采空区火灾监测等缓变广覆盖数据传输
6	高清语音、视频通话	高清语音、视频通话

3、系统功能及场景应用

3.1、5G网络的通信场景

（1）连续广域覆盖场景：传统的通信场景，以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供100 Mbit/s 以上无缝的高速业务体验。

（2）热点高容量场景：主要面向局部热点区域,为用户提供极高的数据传输速率（1 Gbit/s）,满足网络极高的流量密度（数十 Tbit/s/km2）需求。

（3）低功耗大连接场景：针对物联网中部署大量终端的应用场景，要求网络支持超千亿设备连接，满足百万/km2 连接数密度指标要求，还要保证终端的超低功耗和超低成本。

（4）低延时高可靠场景：主要面向车联网、工业控制等垂直行业的极端性能需求，为用户提供毫秒级的端到端时延或接近100%的业务可靠性保证。

3.2、5G通信技术在智能矿山应用^[2]

（1）智能工作面

通过5G无线通信系统构建的传输通道，能够可靠、准确、实时地实现工作面各类环境指标、设备工况、作业参数和调度指令等数据的井上——井下双向传输，一方面利用前端设备（掘锚一体机）的自主定位与自动导航技术、计算机集中控制技术，实现工作面生产过程的自动化、以及操作的少人化、无人化。

图1：智能工作面数据传输示意图

（2）高清视频传输

借助5G大带宽、低时延的特性，为煤矿提供全环节的高清视频监控服务。采集井下高清视频数据，利用5G无线和工业环网组成的高速网络，实时传输高清视频到后台，实现对皮带运输、探放水、工作人员活动行为等重点信息分析识别，为煤矿安全生产提供智能安全预警，保护煤矿人员及财产安全。

工作面、掘进面、井下变电所、主运大巷、辅助运输大巷、副斜井、皮带机头、避难硐室等重要场所部署高清视频设备，通过5G信号转换器可将原有视频设备实时传输视频到地面集控中心。

图2：视频传输示意图

（3）矿山车辆远程或无人驾驶^[3]

通过5G、 V2X、多种传感器信息融合计算和决策实现超视距融合感知，结合车辆的定位和地图信息进行决策规划，进行远程驾驶或自主作业。通过车路协同，将路侧感知的信息融合分析构建虚拟环境模型，预测系统运行状况。可有效避免人为误操作、疲劳驾驶、违章作业等造成的运输事故。

井下无人驾驶车辆依托井下路线建立的5G网络，使得井下车联网中的重要数据通过5G信号接入到远程监控平台，在无人和有人驾驶并存的环境下，可实时监测、调度和管理井下无人驾驶车辆的作业任务、行驶路径等。

图3：无人驾驶传输示意图

（4）机电硐室场景应用

机电硐室（中央变电所、中央水泵房、采区变电所）进行5G无线通信网络覆盖，实现语音、视频通讯；后期安装5G移动巡检机器人，实现设备现场超高清视频、语音、红外成像等数据的实时回传及设备运行故障的超前预判、预警。

（5）掘进工作面场景应用^[4]

在掘进机加装5G传输模块，实现对掘进机的远程操作。

根据后期需要在掘进工作面皮带机头、掘进机点、风机点、供电点、转载点布置基站，运输顺槽关键节点布置基站完成现场5G信号覆盖。

掘进机外置本安型5G CPE，在电控箱内完成信号转换，通过外引的天线将雷达数据以5G通信系统传输至设备列车和地面控制中心。

（6）其他子系统接入承载网平台功能^[5]

井下建设5G承载网作为煤矿其他各子系统大数据的传输平台，矿方可根据需要将在用各个子系统如高清视频、工业控制、辅助运输、人员定位、车辆管理、信息发布、胶带监控等接入承载网平台，满足各系统低时延、高可靠的数据传输。

4、结语

5G通信在煤矿经过了一段时间的推广和应用，积累了一些实践经验，如大宽带业务数据传输、大宽带业务数据传输、考虑发射功率限制及井下现场特殊环境要求，矿用5G基站覆盖距离有限，基站数量大幅增加，网络建设成本偏高、5G应用场景有待深入挖掘、技术加购不统一等问题，随着煤炭科技企业、运行商等共同努力开发，5G必将成为煤矿数字基础设施建设的核心内容，有力于改变传统的采煤生产模式和提升煤炭工业形象，提升煤炭人的幸福感，促进能源革命和煤炭行业的高质量发展。

参考文献

[1]《煤矿智能化建设指南（2021年版）》解读—从编写组视角进行解读[J].王国法.智能矿山.2021(04)

[2] 5G技术下的智能煤矿及智能感知系统[J]. 刘晓嫣.广播电视网络.2020(10)

[3] 煤矿用无人驾驶辅助运输车辆的蒙特卡罗定位方法[J]. 鲍文亮.煤炭科学技术.2021(11)

[4] 煤矿巷道智能化掘进关键技术研究[J].武传伟.能源与节能.2022(02)

[5] 基于UWB技术在井下实时定位系统中的应用[J].刘海峰.工矿自动化.2021(S1)