F5G和 5G在煤炭行业深入应用的研究

李鹏程 荆师佳

山西省阳泉市华阳新材料科技集团有限公司

摘要：F5G与5G组网共同构筑了一张覆盖天上和地上的网络，同时结合新一代信息技术，为各行各业的智能化和数字化提供了无限的可能。其在煤炭行业特别是在采煤领域，能够发挥的作用也非常巨大，包括工控管理、虚拟现实、视频传输、人员定位、效能管控等多个应用场景，通过搭建这条煤矿智能化建设的高速公路，可以进一步推进煤炭行业生产现场的全自动化作业，为煤炭企业创造更多的价值。

关键词：F5G 5G 煤炭行业 应用研究

1. 概念及定义

1.1 5G、F5G概述

5G（5th Generation Mobile Communication Technology）是指第五代移动通信技术，其在传输速率、时延及连接的广泛性方面都要优于4G，5G带来的不仅是传输速率的提升，其高传输速率、低时延、高可靠、可容纳海量设备等优点，更使万物互联成为现实。

F5G（The 5th Generation Fixed Networks）是指第五代固定通信网络，由欧洲电信标准协会（ETSI）定义，致力于从光纤到户迈向光联万物。F5G基于光纤通信技术，故又成为F5G全光网，其关键技术主要以200G/400G、Wi-Fi 6和10G PON为代表，具有超大带宽、全光联接、确定性低时延、安全可靠等特质。

1.2 F5G与5G的关联与区别

5G是一种专注于无线技术的移动通信网络技术，其主要应用于移动终端设备（如手机、传感器）的访问，用于接入多种移动终端设备；尽管F5G是固定通信网络技术，但是其重点在于有线，而主要业务是固定网络光纤宽带的接入，一般在光纤可达的请况下，一定是优先选择F5G。

F5G和5G是不同的概念，两者之间也没有权属关系，但是F5G和5G共享一部分技术和网络，F5G可以有效地与5G协作，相辅相成，并增强用户网络感知能力。F5G和5G的综合应用能够在家庭、教育、医疗、交通、能源、金融和工业制造等多个领域创建多种应用场景，加快实现各行业的数字化转型。

2.F5G+5G组网

“5G移动网与F5G固网，一个是天上的一张网，一个是地上的一张网，就像是一对孪生兄弟。”长飞光纤光缆股份有限公司副总裁郑昕曾这样介绍F5g+5G技术。通过构建F5G+5G立体组网，实现从“光纤到户”到“光联万物”，F5G和5G共同承担着赋能百行千业的使命。

2.1组网优势

不同于传统交换机的三层网络架构，F5G全光工业网采用的是两层网络架构，即在光环网的头端节点和末端节点部署有源设备，而在汇聚层则采用无源分光器替代了原有的有源交换机和防爆箱。头端节点部署在井上的核心机房内，因此井下只有靠近业务源的光环网末端设备是有源的。从头端节点到末端节点之间长达40公里的矿井坑道内，都是由无源光器件组成的无源光环网。从而减少40%的防爆箱使用，提升矿井下的电气安全性。

F5G+5G组网架构，采用单纤业务承载技术，响应煤矿智能化验收标准2021中提出的环网需求，采取井上井下网络不同纤芯成环的要求，节省了光缆资源的同时创造更大带宽。相较于传统的工业以太环网设备，工业光网设备重量小，部署灵活方便，可打破传统交换机对于供电、顶板、底板、临水点的依赖，上台壁挂均可安装，而且不受安装位置的限制，可直接布置在业务需求量大的生产场所。以F5G作为井下主干网络，可以实现井下各类系统集中统一接入，比如安全监控、视频监控、人员定位等。F5G作为无线的承载网，可实现微秒级低时延，为5G承载提供高精度时钟同步、业务隔离功能，实现井下F5G+5G一张网传输。同时，其自带的故障诊断功能，可以与物理网络拓扑联动、智能网管分析器提供可靠建议，做到零基础易维护。

2.2亟待解决的问题

2.2.1 5G网络信号穿透率弱

根据当前频谱资源的使用情况，5G相比4G普遍选用更高的频率，虽然满足了大带宽的需求，但是高频信号衰减快，穿透力相对较弱，信号传输距离明显偏短。基于5G宏基站信号衰减大这一特性，使用皮基站和飞基站可以有效的增强网络覆盖质量，提高用户体验。

2.2.2 无线设备器件无法满足煤矿5G网络规模化发展

对于传统的5G无线传输设备而言，其上下行的传输速率配比为2：8，不能满足井下生产作业时对于数据传输的实际要求。5G网络在井下生产的主要应用是视频传输、安全监控、人员定位和工业控制，基于以上要求，必然会对上行网络速率有特殊的要求，同时还需考虑端到端的单向时延，以及后备电源的持续时长等多种因素。尽管5G网络设备已经具备了一定的研发和生产能力，但是在产业规模、良品率、稳定性和性价比等方面还需要进一步提升。

2.2.3 应用场景设计和落地的问题

5G网络在煤炭企业的应用主要是以应用场景的落地来实现，基于5G网络技术条件下的场景驱动特征明显，从提出场景到应用落地涉及到技术研发、供应链改造、基础设施建设、智能终端和应用研发等一系列环节，这属于产业生态，而不是单纯的网络建设问题。

2.2.4 网络架构的兼容性问题

在5G时代，同一运营商将拥有至少包括5G、4G以及WLAN等多种不同制式的无线网络。5G网络要实现多网络融合，必将包含以上多个无线接入网和核心网。对于运营商而言，如何高效、便捷的维护和运行好多种制式的网络，以此减少运维成本，实现节能减排，提高市场竞争力，都是必须要面对和亟待解决的问题。而对于应用企业和用户而言，如何进行高效的网络架构设计，选择何种核心网，是否需要对现有网络进行大规模升级改造，也都是需要解决的问题。

2.2.5 网络成本高

5G采用更高的频率，单个基站的覆盖范围更小，需要部署更加密集的基站。而基站作为整个移动通信网络能耗的主要来源，占到了整个网络能耗的80%以上。因此，随着全球5G网络基站数量的总体上升，在能耗方面的运营支出必将直线上升。

2.2.6 转变思维和管理模式

与传统的技术和管理模式不同，煤矿融合应用5G技术与煤炭开发利用技术之后，必将衍生出新的井下生产技术、新业态、新职业和新岗位。而且在井下开采利用5G网络之后，随之而来的，必将是生产环节的人员逐步减少，由过去的手工开采，发展成为智能化开采，人员只需要在远端控制即可实现煤炭资源的开采作业，发展煤矿智能化并不意味着让煤矿工人下岗，而是要让煤矿工人更体面、更幸福的工作，让企业和职工都从智能化发展中收益，真正实现高质量发展。

3. 在煤碳行业中的应用场景研究

3.1 工业互联网

工业互联网利用F5G千兆光网的超大带宽、毫秒延时和高可靠性串联全架构层级，包括感知、处理和应用层多场景，以支撑层级间的数据传输，优化生产的决策质量和效率。通过结合RFID射频识别、传感器和执行器等设备，涵盖了人、机、料、法、环等多各环节，存储了海量的业务数据信息，实现了生产环节中各类设备在全生命周期中不同维度的信息监控和数据收集，将生产、管理、仓储、物流、服务等各环节高效联结，在获取海量碎片化数据之后，经由人工智能分析演算，最终实现优化智能决策和生产全价值链的提效。

3.2 云化虚拟协同

未来井下装备的智能化程度会越来越高，系统也愈加复杂，传统的维修工人已难以独立完成维修工作，需借助远程专家协助完成。现场的音视频信息可通过 5G 网络传输至远端，相关的虚拟模型也可虚拟至现场设备上，通过虚拟现实技术可实现专家与现场工人同样的视场和操作，甚至还可以用机器人代替人在井下完成维修。另外，利用虚拟现实(VR)与增强现实( AR) ，通过混合现实、云端实时渲染和虚实融合操控，实现虚拟开采、协同运维等。

3.3 可视化管理

目前，井下很多控制系统都实现了远程集中监测，设备运行的电流、电压、温度、振动等参数以及视频信息都已传输至地面集控中心，但是受限于网络带宽的限制，现在的视频清晰度较低，安装数量有限，不能满足远程控制的需要。但是随着5G网络在井下的应用，其较高速率的上行带宽，可以实现井下多路高清视频同时上传，实现井下作业环境、人员、设备可视化管理，在地面就可以直观、实时的看到井下采掘作业活动，通过建设“有线+无线”的覆盖网络，实时获取视频信息，使看井下就像在看地面一样。另外，结合视频智能AI分析技术，实现对作业现场人员操作行为、设备运行状况、环境变化情况等的智能识别，有效管控作业安全，并识别各类安全隐患，更好的为井下的安全生产提供便利。

3.4 远程控制

生产实时性控制一直是煤矿智能化开采的关键卡脖子难题。但是，5G 低延时的特性为这一难题的解决提供了基础支撑，使得基于 5G 的井上全功能远程控制成为可能。基于5G的综采工作面高清视频大容量同步传输和生产监控数据低时延远程交互技术，可以实现采掘头面的无人操作；基于5G的井下安全检测、大范围传感接入和视频识别预警技术，可以实现井下设备的无人巡检；基于5G的低时延配合煤矿井下辅助定位系统，可以实现井下无轨胶轮车的无人驾驶。

3.5 安全监控

过去煤炭智能化开采一致受到传统无线通讯技术在带宽、延时和并发数等方面的限制，一直无法实现较大突破，从而导致大数据分析、物联网、人工智能等先进应用技术难以为智能化煤矿作业服务。利用5G网络大带宽、低时延和广连接的特性以及微基站、切片技术和端到端的连接等为突破煤矿智能化开采数据传输处理的瓶颈提供了核心技术支撑，保证了矿井监测监控数据的安全、高效、可靠。

3.6生产单元模拟

基于5G网络实现生产数据的实时采集，结合数字孪生、大数据分析、人工智能等先进技术建设井下虚拟生产单元，模拟和仿真煤矿井下生产现场，通过采集和分析各生产单元的运行过程，实现产能的预测、生产流程优化和精确管控。

3.7生产效能管控

利用5G大连接的技术特点，可以实现对海量效能数据、排放数据的秒级采集，同时结合人工智能和大数据分析技术，优化生产能效，提升能源利用率，实现节能减排，降低运营成本，从而助力“双碳”目标的实现。

3.8 生产过程溯源

5G技术与区块链技术、工业互联网标识解析技术相结合，实现“一物一码”，将生产过程中涉及的人、机、料等关键信息关联整合，形成不可篡改的业务数据，可以有效实现实时追溯产品的批次、品质、上下游关键客户等重要信息，从而辅助动态调整生产作业工序参数、提升产品质量，使企业实现利益最大化成为可能。

3.9设备预测维护

对于煤炭行业来说，设备维护始终是一个无法避免的问题，何时进行维护，需要维护的设备数量有多少，需要维护的设备在什么位置，如果能够利用大数据分析找到答案，必将给企业的生产和经营带来事半功倍的效果。

将煤矿生产设备接入5G网络，可以实时监控设备性能和状态，结合历史数据，利用大数据分析技术实现设备运行趋势的提前预判、故障的提前预警，从而延长设备的使用寿命，确保生产安全高效。

4.结语

F5G网络作为新一代矿业网络基础设施，为煤炭行业的智能化建设提供了新思路，5G技术的应用，解决了传输链路的卡脖子问题，助力传统自动化向智能化控制技术转变，使矿井实现智能化成为可能，为煤炭行业实现智能化提供更多的解决方案，并涌现出更多的应用场景。通过5G和F5G的组网，联接海量的人员、传感器、机械设备等，再通过F5G的强大运力将各应用场景实时采集的数据传输到各分析系统和决策系统，依托大数据分析和人工智能等先进技术，在第一时间为煤炭行业的数字化转型提供源动力。

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