5G通信技术在智能化煤矿的应用与研究

5G通信技术在智能化煤矿的应用与研究

傅伟海

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中国移动通信集团浙江有限公司宁波分公司315300

摘要：随着社会经济的发展，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Wi-Fi技术与4G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5G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。

关键词：5G通信技术；智能化；煤矿；应用

引言

在新的历史条件下，把新的信息技术和传统的煤炭工业生产紧密地联系在一起，是一项重要的工作。5G煤矿智能化是以5G作为安全出口，运用人工智能技术、互联网大数据、雾计算、云计算、工业互联网等技术手段，融合煤矿采、掘、运、支等传统工艺，建成具备开采智能化、生产加工自动化技术、管理信息化专业能力的矿山开采。5G通信技术在矿井中的运用，将有力地促进煤矿的绿色、开放、共享、高质量的发展，使煤炭行业由“阻塞领域”向“领跑领域”的跨越。5G矿井的智能化建设，对煤炭企业生产数据进行信息化管理，实现向纵深发展具有重要意义。5G通信技术的出现，是煤矿企业自主研发的一项信息化管理，也是煤矿生产效率更新的引领者。

15G在煤矿智能化建设中的作用

1.1物联感知

矿井传感器类型多、总量大、数据信息多，安装和使用各类传感器是矿井智能化建设的基础，完成对机器设备情况、详细地址、环境监控系统、员工安全等数据的全面认识是矿井传感器发展的一个重要方向。5G通信技术可以实现对各类传感器的万物互联功能。

1.2信息融合

由于矿井中各种系统的软件和通信协议种类繁多，以及前期技术限制和总体规划滞后，使得各个系统的软件之间出现了“死路”。而且利用大数据处理煤矿智能化应用、机器设备负荷预测、高精度三维模型、人工智能等技术会带来大量的信息量，从而使数据信息按照网络接口无障碍浏览信息特征的要求更加急切。5G通信技术可以融合各类信息数据，并能够实现畅通传输。

1.3智能控制

由于煤矿本身存在地质环境状况复杂，以及管理机制不健全和员工行为不规范等因素，煤矿生产安全问题备受关注。利用5G通信技术可以实现远程操作智能控制，降低人工采掘强度和生产成本，减少安全生产事故。

1.4综合管控

煤矿单位除了生产、安全等重要子系统的建设相对完整，其他方面的建设水平还有待提高。可以利用5G通信技术建立一个综合的管理系统，包括多个系统、多个软件、大量的信息存储、数据统计、分析、预测、调度指挥、监管、矿井工业广场等场景业务系统，实现技术高端化、操作形象化，降低运用的门槛，给工作人员提供更“平价”的智能化实际操作体验。

2“双碳”战略对信息与通信技术的挑战

2.1“双碳”战略对经济发展具有重大挑战

在2020年，中国的CO2排放量相较于2010年上升了30%以上。这其中虽然有我国人口众多、经济体量巨大的因素，但更多的是我国作为发展中国家，在经济建设与社会治理上显然的存在后发的“劣势”，碳排放意味着我国的基本经济发展权，而碳达峰则意味着我国需要在传统经济尤其是产业发展上达到巅峰。为此，在衡量CO2排放情况，制定减排战略的同时，也要保证在2030以前（碳达峰时间节点），经济发展要比碳达峰走的更快，进而在碳达峰的目标导向下形成发展与生态的双提升。所以在某个时间点上，CO2的排放将继续上升。碳达峰要建立在可持续发展的基础上，这对实现“两碳”的发展具有重大意义；从碳达峰到碳中和，发达国家大约需要50～70年的过渡时期，而我们在2060年前就已经许下了要达到碳达峰目标的诺言，在2060年之前，完成“碳中和”的目标。

2.2“双碳”战略对经济模式具有重大挑战

“双碳”战略需要在产业升级的基础上实现生产与环境的协同及可持续发展。这就需要在当前的经济模式下，形成多元化经营态势。将传统的重工业生产或资源密集型产业向高精特新产业转移，向高端服务业、创意设计业、文化产业等领域转移，通过数据升级向数据化、信息化、智能化转移。上述改变必然需要信息与通信技术作为基础，只有在以此搭建信息交互网络后才能够通过布置应用的方式实现对相关产业的升级落实，进而辅助在经济模式转变后带来的碳排放减量目标的达成。

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5G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5G无线通信系统。该系统分为地上与井下两部分，地上采用AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）实现地面信号覆盖，通过IrDA（Infrared Data Association，红外接口）与BBU（Building Baseband Unit，室内基带处理单元）相连接构成矿井5G无线通信系统地上部分，井下则采用PicoRRU（Remote Radio Unit，遥控发射单元）井下基站技术实现井下5G无线网络覆盖，通过井下HUB（集线器）单元对井下基站进行汇总，与地上BBU相连接，进而构成完整的矿井5G无线通信系统。

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。5G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。

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，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。而5G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。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5G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。

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。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。5G无线通信系统低功耗大连接场景将终端时延控制在1ms以内，连接数密度可达106个/km2，完全满足全矿井安全监测信息采集的需求。

结语

煤炭工业要紧跟新技术发展的步伐，利用新科技突破制约科学难题，加快矿井智能化建设的步伐，提高煤炭工业科技水平，增强基础实力，推动提升煤炭行业多产业发展。5G通信技术对于煤炭产业的探索应用处于工业生产的最前端，还没有得到相对成熟的应用，这也表明现阶段煤矿企业对于推广智能化系统的态度。同时，对于一些公司在应用中遇到的关于防爆、输出功率、稳定性等问题，只有加速5G通信技术在煤矿行业中的应用，才能益于难点的处理，促进煤矿5G通信技术更新迭代。

参考文献

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[2]韩哲.5G 是煤矿智能化的关键［J］.煤炭技术，2021，40(6)：156-159.

[3]张亚飞.信息与通信技术在碳达峰、碳中和战略中的应用[J].电子世界，2021(22)：146-147.