5G通信技术在智能化煤矿的应用与研究_何勇.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月2 0 2 0年2月，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安全监察局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部八部门联合印发了关于加快煤矿智能化发展的指导意见，明确了中国煤炭工业智能化发展的方向，吹响了中国煤矿智能化建设的号角。煤炭行业是中国传统行业中至关重要的一环，随着中国科学技术的蓬勃发展，各种新兴技术在煤矿中不断应用且显著提升了生产效率与员工安全性。由于W i-F i技术与4 G 通信技术受限于自身传输效率无法适配新兴技术，严重影响了设备的日常使用，而5 G 通信技术凭借广连接、低时延等特点有效解决了煤矿开采难度大、信号传输不稳定、远程操作高延迟等难题，且为新技术提供了稳定、高效、快速的信号网络。15G 通信技术及其优势分析1.15G 通信技术简介5 G 为第五代移动通信技术，具有高速率、低时延、广连接等特点。国际电信联盟（In te rn a tio n a lT e le c o m-m u n ic a tio nU n io n，IT U）定义了5 G 的三大类应用场景1，即增强移动宽带（E n h a n c e dM o b ileB ro a d b a n d，e M B B）、超高可靠低时延通信（U ltra-R e lia b leL o w-L a te n c yC o m-m u n ic a tio n s，u R L L C）和海量机器类通信（M a s s iv eM a-c h in eT y p eo fC o m m u n ic a tio n，m M T C）。增强移动宽带主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户提供极致的应用体验2；超高可靠低时延通信主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需要；海量机器类通信主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求3。可见，5 G 通信技术三大应用场景与煤矿日常作业紧密相关，完全覆盖了井下日常需要与长远发展。增强移动宽带凭借高移动带宽、热点高容量等特点为煤矿井下高清视频监控、多单位收稿日期：2022-11-06第一作者简介：何勇，1998年生，男，陕西榆林人，助理工程师，主要从事5G通信技术、煤矿智能化研究。通信作者：徐元涛，1985年生，男，陕西榆林人，工程师，主要从事智能煤矿、数据传输研究。5G 通信技术在智能化煤矿的应用与研究何勇，徐元涛（国能神东煤炭有限公司，陕西 榆林7 1 9 0 0 0）摘要：5 G通信技术已成为煤炭行业重点关注对象，它凭借高速率、低时延、广连接等特点有效解决了井下信号传输难题。5 G通信技术相比于其他通信技术，在关键技术和性能方面具有较大优势。通过分析5 G通信技术的优势及其在智能化煤矿中的应用，发现5 G通信技术在矿井5 G无线通信系统架构、基于5 G通信系统的井下高精度定位与应用服务、设备远程操控以及井下安全监测信息采集等方面具有显著优势。对煤炭行业5 G通信系统建设与煤矿智能化发展提出了一定的建议，帮助煤炭行业科学合理地推进5 G通信网络部署。关键词：5 G通信技术；智能化煤矿；高精度定位；设备远程操控；监测信息采集中图分类号：T D 6 5+5文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 6 7-0 3Application and Research of 5G Communication Technology in Intelligent Coal MinesHE Yong,XU Yuantao(CHN Energy Shendong Coal Co.,Ltd.,Yulin 719000,Shaanxi,China)Abstract:5G communication technology has become the focus of the coal industry,which effectively solves the difficult problemsof underground signal transmission with its characteristics of high speed,low latency and wide connection.Compared with othercommunication technologies,5G communication technology has great advantages in key technologies and performance.Theadvantages of 5G communication technology and its application in intelligent coal mines were analyzed,and it is found that 5Gcommunication technology has significant advantages in the mine 5G wireless communication system architecture,undergroundhigh-precision positioning and application services based on 5G communication system,remote equipment control and undergroundsafety monitoring information collection.Some suggestions were provided for the construction of 5G communication system and theintelligent development of coal mines in the coal industry to help the coal industry promote the deployment of 5G communicationnetwork in a scientific and reasonable way.Key words:5G communication technology;intelligent coal mine;high-precision positioning;remote control of equipment;monitoring information collection（总第2 1 0期）技术研究1 6 7 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0042 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月语音通信、智能终端、混合现实采矿提供了更稳定、更高传输效率的网络系统；凭借超高可靠、低时延通信等特点满足井下无人驾驶、智能运输、设备远程诊断、机器人远程开采、多设备协同作业要求，实现低时延、小数据量、大连接数等技术要求4。将5 G通信技术应用于车辆运输管理、智能穿戴设备、信息采集等方面，实现了信息精准采集，数据不再是以往的模糊数据。1.25G 通信技术优势分析相比于地下广播、4 G 通信技术，5 G 通信技术在峰值传输速率、连接数量、网络移动性以及流量密度等方面均有1 0倍以上的提升。在峰值传输速率方面，5 G通信技术最大峰值传输速率达到1 0G b it/s，相比于地下广播、4 G 通信技术有显著提升；在连接数量上，5 G 通信技术凭借自身特点，单位面积可达到1 06个/k m2；在网络延迟上，5 G 通信技术可控制在1m s以内；在满足一定生产需要的前提下，5 G 通信技术信息传输和接收的最大相对传输速度仍达到5 0 0k m/h以上；在流量密度方面，单位面积区域内的总设备使用流量可以达到1 0M b it/（s m2）。5 G 通信技术与煤矿其他通信技术的对比如表1所示。表 1 5G 通信技术与煤矿其他通信技术对比分析表2煤矿智能化现状以国能神东煤炭有限公司为例，从1 9 8 8年起，该公司以生产信息化为重点，经过基础网络建设、成熟软件应用、系统融合等发展阶段，构建了统一调度、有线无线融合的一体化移动通信系统。移动通信系统经历了四个阶段，具体如表2所示。从表2可以看出，科学技术应用不足是煤矿智能化发展过程中面临的主要问题。a)现阶段相关硬件设备不齐全，导致煤矿智能化推进困难。5 G 通信技术仅作为试点技术在煤矿中尝试应用，无法大规模投入生产，以及煤矿对自身需要认知不足，在煤矿智能化建设阶段未全面配置相关软件设施5-6，导致智能软件与企业实际需要不匹配，未能切实解决企业实际问题，未发挥应有功能。b)矿井环境复杂，传感器种类复杂多样，但难以集成，导致数据无法集中处理，难以系统化处理，分析利用率低。c)考虑煤炭行业的特殊性，卫星信号无法到达井下深处且井下网络情况复杂，无线网、以太网多网并存，无法实现多网互通，难以发挥其及时性、智能性等优势7，因此需要信号更为稳定、质量更优且能实现单一网络覆盖井下，实现多设备互通的通信技术。表 2 国能神东煤炭有限公司移动通信发展历程35G 通信技术在智能化煤矿中的应用3.1矿井 5G 无线通信系统架构为显著推进煤矿智能化进程，推动5 G 通信技术应用，提高井下通信信号质量，实现多网互联等要求，将采用矿井5 G 无线通信系统8。该系统分为地上与井下两部分，地上采用A A U（A c tiv eA n te n n aU n it，有源天线单元）实现地面信号覆盖，通过IrD A（In fra re dD a taA s s o c ia tio n，红外接口）与 B B U（B u ild in gB a s eb a n dU n it，室内基带处理单元）相连接构成矿井5 G 无线通信系统地上部分9，井下则采用P ic oR R U（R e m o teR a d ioU n it，遥控发射单元）井下基站技术实现井下5 G无线网络覆盖1 0，通过井下H U B（集线器）单元对井下基站进行汇总，与地上B B U 相连接，进而构成完整的矿井5 G 无线通信系统1 1，如图1所示。矿井5 G 无线通信系统为煤矿井下作业人员、环境监测与开采设备实现“万物互联，一网一站”提供了稳定、高质量、低时延的通信网络，催生煤矿企业不断创新发展，推动煤矿智能化建设，进一步保证煤矿安全作业生产1 2。3.2基于 5G 无线通信系统的井下高精度定位与应用服务当前，无线通信技术是井下生产作业过程中实现精准定位的重要技术手段，但受限于传统通信技术，无法实现高精度定位。随着井下作业少人化与无人化发展，对定位服务精准化需求日益增加，煤矿对定位服务改进迫在眉睫1 3。5 G 通信网络凭借低时延、小数据、多连接等技术特点，为实现高精度定位服务奠定了网络基础1 4。3.3基于 5G 无线通信系统的设备远程操控开采设备远程操作是煤矿智能化的重要组成部分，技术类型理论峰值传输速率/（Gbit s-1）连接数密度/（个 km-2）网络延迟/ms网络移动性/（km h-1）流量密度/（Mbit s-1 m-2）地下广播10较差4G 通信技术110430 5035015G 通信技术101061500 以上10项别第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段时间 19882005 年 20052011 年2011 年2017 年项目井下固定电话通信井下小灵通通信3G 网络通信 4G 网络通信用途实现井下和地面远距离通信实现井下无线通信实现井下、地面数据传输与视频监控采用万兆环网实现视频、VR 等业务应用单位各使用单位各使用单位上湾矿、锦界矿大柳塔矿、补连塔矿、哈拉沟矿、寸草塔二矿注：VR 为虚拟现实技术（Virtual Reality）的英文缩写，指利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。1 6 8 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 1 矿井 5G 无线通信系统架构图由于实现设备远程操作对网络延迟具有极高的要求且井下信号传播差、通信线路长，设备远程操作迟迟不能推进1 5。而5 G 无线通信系统所提供的高稳定与低时延的通信网络为井下设备远程操作提供了可能1 6。同时，伴随井下作业的开展，采煤机、液压机等设备的实时状态参数、环境传感器不间断采集环境信息、高清摄像头对工作面实时采集信息等复杂庞大的井下数据必须依靠5 G 无线通信系统的高带宽、低时延、高安全性等特点，才可以实现人员在地面实时跟踪井下的智能远程操作1 7。3.4基于 5G 无线通信系统的井下安全监测信息采集当前，井下无法实现感知设备与通信网络全覆盖，如采空区等危险区域无法较好地解决环境监测问题1 8。为保证完善全面稳定的环境监测，需在井下矿道、开采设备上布置大量感知装置，不仅要求终端具有低能耗、低成本、稳定性好等特点，还要求通信传输网络的连接密度、传输速率与实时性均具有不错的表现1 9。5 G 无线通信系统低功耗大连接场景将终端时延控制在1m s以内，连接数密度可达1 06个/k m2，完全满足全矿井安全监测信息采集的需求2 0。4结语随着煤矿智能化的开展以及5 G 通信技术在煤炭行业的进一步普及，5 G 通信技术将成为推动煤矿智能化进程的一大助力。通过5 G 通信技术的增强移动宽带、超高可靠低时延通信、海量机器类通信，能够更好地满足煤矿生产的实时性需求，让更多的智能设备应用于煤矿生产中，从而有效推动智能化煤矿建设。但从当前情况来看，5 G 无线通信系统架构还不完善，设备形态与部署方式仍存在一定的不足，针对煤炭行业的5 G 通信技术还需不断完善。煤炭行业应充分结合企业实际、智能化煤矿需求，科学合理地推进5 G 通信网络部署。参考文献：1 温良，吴文臻，李起伟.矿用 F5G 架构的智能化煤矿建设方案研究 J.煤炭科学技术，2022，50(11)：176-182.2 张立亚.煤矿 5G 通信系统安全应用技术研究 J.工矿自动化，2021，47(12)：8-12.3 孙继平.煤矿智能化与矿用 5G 和网络硬切片技术 J.工矿自动化，2021，47(8)：1-6.4 梁占泽.大柳塔煤矿智能矿山建设实践 J.工矿自动化，2021，47（增刊 2）：70-74.5 胡亚辉，赵国瑞，吴群英.面向煤矿智能化的 5G 关键技术研究 J.煤炭科学技术，2022，50(2)：223-230.6 李胜军，余北建，李士雷，等.5G“驱动”煤矿智能化建设探索 J.煤炭科学技术，2021，49（增刊 1）：16-20.7 王国法，任怀伟，赵国瑞，等.煤矿智能化十大“痛点”解析及对策 J.工矿自动化，2021，47(6)：1-11.8 韩哲.5G 是煤矿智能化的关键 J.煤炭技术，2021，40(6)：156-159.9 宋建华，马鹏飞.5G 技术在智能矿山建设中的应用研究 J.工矿自动化，2021，47（增刊 1）：42-44.10 轩红新.5G 技术在煤矿的应用研究：评 5G 移动通信系统及关键技术 J.矿业研究与开发，2020，40(10)：186-187.11 孟庆勇.5G 技术在煤矿井下应用架构探讨 J.工矿自动化，2020，46(7)：28-33.视频采集设备何 勇，等：5 G 通信技术在智能化煤矿的应用与研究移动设备监测监控传感器开采设备智能穿戴设备AAUBBU地面井下核心网平台井下基站HUB光纤5G 设备环境传感器标志卡智慧矿灯（下转第 173 页）1 6 9 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月2事故原因分析及建议措施2.1控制易发和重大事件的发生煤炭行业要做好安全生产，第一就是控制事故中的死亡人数，第二就是控制事故发生的次数。要想控制事故中的死亡人数，就要控制重大事件的发生；要想控制事故发生的次数，就要控制易发事件的发生。为此必须严格执行国家颁布的各项有关煤矿安全的方针、政策、法律法规和技术措施等，预防和控制煤矿重大和易发事件，并制定相关的事故预防方案。2.2加强安全监督管理机制的建设现阶段，中国部分煤矿企业对安全的重视程度不足，安全检查流于形式，在经济利益的趋使下，出现了“重效率，轻安全”的状况。由于历史原因，中国各省还有一些小煤矿在安全管理、生产技术水平和安全资金投入上都要落后于现平均水平。因此，这些小煤矿的存在本身就是最大的安全隐患。鉴于此，要加大煤矿的整合力度。现在正逢煤炭经济下行阶段，可依法关闭一些小煤矿。2.3做好煤矿职工的安全教育培训针对煤矿职工专业安全素质和意识较差的问题，政府管理部门和企业应提高煤矿中高危害职业的准入门槛，每年定期开展煤矿职工安全培训教育，提升职工专业安全知识素质和技能水平，不断完善职工培训教育和考核机制，形成重“技术”和“安全”的意识9。2.4加大对事故责任单位和个人的处罚力度在法律、行政制度上，加大对事故责任单位和个人的处罚力度，包括加大经济处罚和责任追责，提高煤矿事故违法责任追究成本，让失职单位和个人受到应有的惩罚，从而让其他企业和个人形成畏惧和警戒之心。督促企业严格按照国家相关法律和标准落实企业主体责任，建立健全相关的机构和责任人，减少事故的发生。2.5提高安全技术水平要想提高煤矿的安全技术水平，就要增加煤矿安全生产的投入，引进先进的安全生产机器设备，提高行业机器自动开采率，减少本行业人员的参入率，积极发展煤炭行业的安全科学技术，逐步完善中国煤炭行业的安全生产系统，改善煤矿职工的工作环境，保证安全资金充足，并配备专业的安全技术人员，确保煤矿安全生产的进行。3结语通过统计近五年来中国的煤矿事故，发现各个省多发的煤矿事故，有针对性地采取安全生产技术措施。中国当前煤炭市场供大于求，各煤矿生产总规模达5 0多亿吨，而中国一年的煤炭需求量为3.0 1 09t。当前，中国煤炭经济下行，产能严重过剩，国家严厉控制煤炭的使用率，淘汰落后产能，使用新能源。在国家安全生产形势不断趋严的情况下，政府监管和安全重视程度进一步加强，未来中国煤炭行业将迎来五大调整：a)小矿不断被整合兼并，数量不断减少，生产规模不断扩大；b)老旧矿井进行升级改造，不断向现代化矿井方向转变；c)由东部沿海向西部内陆开发矿井；d)煤矿灾害严重的矿井通过开采设备和管理水平的提升向受灾害影响较小的矿井调整；e)矿井的机械化、自动化程度不断提高，煤矿工人数量不断减少。今后中国政府的安全监管形势将不断加强，各类违法违规行为将不断减少，煤矿企业通过提质改造将不断向现代化企业转化。参考文献：1 张培森，李复兴，朱慧聪.20082020 年煤矿事故统计分析及防范对策 J.矿业安全与环保，2022，49(1)：128-134.2 张俊文，杨虹霞.20052019 年我国煤矿重大及以上事故统计分析及安全生产对策研究 J.煤矿安全，2020，52(12)：261-264.3 张培森，牛辉，朱慧聪，等.20192020 年我国煤矿安全生产形势分析 J.煤矿安全，2020，52(11)：245-249.4 张世龙，张民波，朱仁豪，等.近 5 年我国煤矿事故特征分析及防治对策 J.煤炭与化工，2020，44(8)：101-106.5 张培森，朱慧聪，李复兴，等.20082019 年我国煤矿水害事故统计及演变趋势分析 J.煤矿安全，2020，52(8)：194-200.6 白彦龙，李海立，陈昱，等.2019 年我国煤矿事故案例统计分析 J.决策探索（中），2020(9)：17.7 宁小亮.20162018 年全国煤矿事故规律分析及对策研究 J.工矿自动化，2020，46(7)：34-41.8 黄继广，马汉鹏，范春姣，等.我国煤矿安全事故统计分析及预测 J.陕西煤炭，2020，39(3)：34-39.9 纵瑞利，吴威威，刘方远.我国煤矿生产事故统计及安全生产措施 J.煤炭技术，2020，39(1)：205-207.（编辑：白洁）王 豪，等：2 0 1 6 2 0 2 0年中国煤矿安全事故统计与现状分析研究 12 王国法，任怀伟，庞义辉，等.煤矿智能化（初级阶段）技术体系研究与工程进展 J.煤炭科学技术，2020，48(7)：1-27.13 孙继平.煤矿智能化与矿用 5G J.工矿自动化，2020，46(8)：1-7.14 孙继平，张高敏.矿用 5G 频段选择及天线优化设置研究 J.工矿自动化，2020，46(5)：1-7.15 范京道，李川，闫振国.融合 5G 技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景 J.煤炭学报，2020，45(6)：1949-1958.16 常琳，郑慧莹，李鸣.煤矿 5G 通信系统的安全性研究 J.煤矿安全，2021，52(8)：137-141.17 霍振龙，张袁浩.5G 通信技术及其在煤矿的应用构想 J.工矿自动化，2020，46(3)：1-5.18 张立亚.基于 5G 通信的矿山可视化智能监控技术 J.煤炭技术，2022，41(1)：191-194.19 尚雅琪，王向前.中国煤矿智能化知识图谱可视化分析 J.矿业研究与开发，2021，41(8)：192-198.20 王国法.煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 J.煤炭科学技术，2022，50(1)：1-27.（编辑：刘晓芳）（上接第 169 页）1 7 3