5G技術(shù)在遠(yuǎn)程智慧采礦中的應(yīng)用

　　摘要：闡述智慧礦山的建設(shè)，未來(lái)礦山實(shí)踐和理論研究，基于5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備部署，從而進(jìn)一步探索和完善5G技術(shù)在遠(yuǎn)程智慧采礦的應(yīng)用。

　　本文源自集成電路應(yīng)用,2020,37(11):70-71.《集成電路應(yīng)用》雜志1984年創(chuàng)刊，是國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司主管，上海貝嶺股份有限公司主辦，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)、深圳市半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)協(xié)辦的電子電工、電力、半導(dǎo)體材料、集成電路等領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)期刊。現(xiàn)為上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)刊，屬?lài)?guó)家一級(jí)刊物。是集學(xué)術(shù)性、應(yīng)用性極強(qiáng)的集成電路產(chǎn)業(yè)權(quán)威中文雜志。

　　當(dāng)前我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要還是依托WiFi和4G技術(shù)，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，智慧礦山的發(fā)展在逐步實(shí)現(xiàn)智能化和實(shí)時(shí)化，傳感器技術(shù)的發(fā)展更是推進(jìn)了智慧采礦的發(fā)展。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，智慧礦山領(lǐng)域在通信系統(tǒng)及通信方式的需求不斷提高，5G技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率，成為一個(gè)重要課題[1]。傳統(tǒng)采礦業(yè)內(nèi)部的信息化與數(shù)字化程度較低，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)合5G技術(shù)，提出智慧礦山的研究。先基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)車(chē)載監(jiān)控與車(chē)載定位項(xiàng)目，在根據(jù)5G的低時(shí)延與高可靠性特點(diǎn)建設(shè)遠(yuǎn)程采礦項(xiàng)目。

　　1、智慧礦山

　　傳統(tǒng)的采礦業(yè)主要是以人力為主體去實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，主要依賴(lài)人的主觀(guān)意志，不能準(zhǔn)確、即時(shí)的去完成，再加上易疲勞、記憶偏差、知識(shí)不足等多方面，傳統(tǒng)的采礦業(yè)表現(xiàn)出了：看不清、算不準(zhǔn)、控不住。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將智慧礦山成為一個(gè)欣的信息世界，從實(shí)踐的角度，智慧礦山的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了操控人員在調(diào)度控制室，通過(guò)輸入生產(chǎn)任務(wù)或目標(biāo)，通過(guò)操作鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備，控制提升設(shè)備、通風(fēng)機(jī)等采礦設(shè)備，使得各機(jī)器自適應(yīng)工作面條件，進(jìn)一步優(yōu)化了自己的工作參數(shù)，保證了相關(guān)設(shè)備的協(xié)作和聯(lián)動(dòng)。智慧礦山技術(shù)的發(fā)展不斷地自動(dòng)采集礦下信息并及時(shí)返回，通過(guò)信息算法和智能模型處理，信息傳輸主要依賴(lài)于CDMA、WiFi、3G、4G通信系統(tǒng)，較好地保證了生產(chǎn)過(guò)程中語(yǔ)音、圖像、視頻傳輸?shù)刃畔⒌膫鬏敗Ｈ欢S著煤礦行業(yè)的發(fā)展及智慧礦山水平的提升，在采煤、運(yùn)輸?shù)确矫鎸?duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的帶寬需求在不斷提高，5G技術(shù)的出現(xiàn)，將突破以往通信技術(shù)在傳輸過(guò)程中的帶寬、時(shí)延、連接數(shù)等方面的制約，依托5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧遠(yuǎn)程采礦也將實(shí)現(xiàn)新的突破。

　　2、5G技術(shù)在采礦中的應(yīng)用

　　5G作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)較4G有更高的性能，不只是簡(jiǎn)單的解決了移動(dòng)狀態(tài)下人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間實(shí)時(shí)交互的問(wèn)題。同時(shí)在用戶(hù)體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延性方面取得了突破性的進(jìn)展，其傳輸速率達(dá)到毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，10Tbps/km2的流量密度。5G技術(shù)在智慧采礦中的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)以下應(yīng)用案例。

　　(1)車(chē)輛的無(wú)人駕駛。傳統(tǒng)采礦行業(yè)中礦車(chē)主要以人工駕駛為主，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)中容易產(chǎn)生疲憊感，容易引起的礦業(yè)工作效率低、安全隱患存在的缺點(diǎn)。5G技術(shù)的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外借助于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研發(fā)了無(wú)人駕駛，避免了司機(jī)疲勞駕駛帶來(lái)的安全隱患，對(duì)采礦工作環(huán)境的要求也相對(duì)較低。對(duì)車(chē)輛的遙控指揮對(duì)網(wǎng)絡(luò)的通信速率和時(shí)延要求較高，尤其是多車(chē)輛協(xié)同作業(yè)情況，更是如此。

　　(2)礦區(qū)環(huán)境的測(cè)繪。傳統(tǒng)礦業(yè)在采礦作業(yè)開(kāi)始前更多的是人工測(cè)繪，但由于礦山工作環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，很多區(qū)域繪制獲取不到或不準(zhǔn)確，造成礦山資源的浪費(fèi)。利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)采礦區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制，大大提高了信息的準(zhǔn)確性和資源的利用率，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)和增產(chǎn)。

　　(3)傳感器技術(shù)的應(yīng)用。礦區(qū)通過(guò)使用傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制及數(shù)據(jù)信息的傳輸，感知設(shè)備控制面臨著網(wǎng)絡(luò)通信鏈路長(zhǎng)、環(huán)境差等特點(diǎn)。傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸出、傳輸過(guò)程中常出現(xiàn)延時(shí)，使得不能實(shí)時(shí)計(jì)算并完成生產(chǎn)，特別是多車(chē)輛、多設(shè)備協(xié)同作業(yè)的情況。利用5G技術(shù)對(duì)礦山傳感器進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，加大對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院透咝浴?/p>

　　5G技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將3D地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲取礦區(qū)地理環(huán)境，通過(guò)傳感器獲得礦區(qū)數(shù)據(jù)提升車(chē)輛的感知能力，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增加了連接數(shù)密度、傳感器節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展，終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邥r(shí)效性。5G技術(shù)在智慧采礦的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信、車(chē)輛精確定位、安全監(jiān)測(cè)、自主避障等方面都有應(yīng)用。

　　3、項(xiàng)目需求分析

　　(1)智慧礦山網(wǎng)絡(luò)分析：某傳統(tǒng)礦山共計(jì)3個(gè)采礦區(qū)，采礦區(qū)分別在50m左右高度山坡上下挖20m左右深坑，現(xiàn)使用4G通信技術(shù)，其性能僅能基本滿(mǎn)足礦區(qū)開(kāi)采主要業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信需求。然而，采礦行業(yè)對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足智慧礦山的需求，并且智慧礦山需要以極低的消息傳輸時(shí)延，傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)礦區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較高，采礦車(chē)輛定位的精準(zhǔn)性高，以上需求使得智慧礦山網(wǎng)絡(luò)必須是一種具有超低時(shí)延、超高可靠性的網(wǎng)絡(luò)。5G技術(shù)將突破傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在傳輸帶寬、時(shí)延、連接數(shù)等方面的制約，搭建5G通信網(wǎng)絡(luò)將為智能化開(kāi)采、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等方面提供高速率、低時(shí)延、大連接、高可靠的通信鏈路保障。圖1為某礦區(qū)地圖數(shù)據(jù)，礦區(qū)間距較大，傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)距離要求盡可能精準(zhǔn)，誤差較小，采集車(chē)輛很少是單個(gè)車(chē)輛獨(dú)立完成，需要多車(chē)輛協(xié)同作業(yè)，那么礦區(qū)地圖需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)展現(xiàn)，開(kāi)采前對(duì)礦區(qū)地理環(huán)境因素：可燃?xì)怏w、溫濕度等信息的獲取至關(guān)重要，開(kāi)采過(guò)程中對(duì)車(chē)輛信息的獲取、傳輸要盡力做到小誤差、短時(shí)延。

　　圖1礦區(qū)地理分布圖

　　(2)覆蓋需求分析：(1)規(guī)劃站點(diǎn)MDT分析。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試CL網(wǎng)信號(hào)差，分析最新MDT。該區(qū)域MDT柵格RSRP在105dbm左右，待智慧礦山項(xiàng)目啟用后MDT會(huì)更差。(2)規(guī)劃站點(diǎn)CQT分析。分析最新現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試CQT數(shù)據(jù)，從測(cè)試指標(biāo)來(lái)看，周邊整體覆蓋較弱，需要開(kāi)通規(guī)劃站點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)盲。

　　(3)智慧采礦擬建方案：(1)一期為車(chē)載監(jiān)控與車(chē)載定位項(xiàng)目。根據(jù)以上分析，本期方案主要解決采石場(chǎng)3個(gè)開(kāi)采區(qū)覆蓋問(wèn)題，在勘查位置建設(shè)十五米組合抱桿定向基站，新增2副FDD-LTE(2T2R天線(xiàn))：扇區(qū)1天線(xiàn)掛高50o，方位角350o，電子下傾角5o，機(jī)械下傾角3o，總下傾角8o;扇區(qū)2天線(xiàn)掛高50o，方位角280o，電子下傾角5o，機(jī)械下傾角3o，總下傾角8o。2臺(tái)L1.8GRRU、10o和90o,1臺(tái)C800MRRU分別覆蓋：10o、90o，解決采石場(chǎng)CL弱覆蓋問(wèn)題，滿(mǎn)足車(chē)載監(jiān)控與車(chē)載定位需求。(2)二期為智慧5G遠(yuǎn)程采礦項(xiàng)目。基于5G的遠(yuǎn)程采礦項(xiàng)目，主要是利用5G網(wǎng)絡(luò)超低時(shí)延，超強(qiáng)可靠性的特點(diǎn)完成采礦車(chē)輛的無(wú)人駕駛。傳統(tǒng)采礦行業(yè)無(wú)論是開(kāi)采還是運(yùn)輸都離不開(kāi)各種各樣的工程車(chē)輛，并且車(chē)輛離不開(kāi)駕駛員，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕駛時(shí)間后工作效率下降且存在安全隱患。傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足超低時(shí)延超高可靠性這一需求，5G技術(shù)所提供的高可靠和超低時(shí)延的控制網(wǎng)絡(luò)是保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。

　　礦區(qū)作業(yè)環(huán)境苛刻，多種環(huán)境傳感器要采集工作環(huán)境參數(shù)信息，高清攝像頭要采集工作視頻和圖像，各種數(shù)據(jù)生成速度快，體量大，種類(lèi)多，必須依靠5G通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時(shí)延、高可靠、高連接的傳輸特性，將網(wǎng)絡(luò)切片以及毫米波等5G通信技術(shù)引入到車(chē)聯(lián)網(wǎng)中，旨在能夠?qū)崿F(xiàn)超低時(shí)延超高可靠性的車(chē)聯(lián)網(wǎng)。5G技術(shù)的高速率通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)礦區(qū)大量的3D地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳感器數(shù)據(jù)的共享也將提升車(chē)輛的環(huán)境感知能力。礦區(qū)采礦車(chē)輛使用72GHz的毫米波與路邊接入單元之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，采用人工智能的在線(xiàn)學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化作業(yè)路線(xiàn)，利用無(wú)人駕駛技術(shù)，還可以遠(yuǎn)程遙控指揮礦區(qū)采礦車(chē)輛，從而達(dá)到礦區(qū)節(jié)約運(yùn)輸成本，提高工作效率的效果。通過(guò)5G技術(shù)的運(yùn)用，礦區(qū)采礦車(chē)輛具備了精確定位、自主感知、安全監(jiān)測(cè)、主動(dòng)避障等功能，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)采礦車(chē)輛的無(wú)人駕駛。

　　基于5G技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)礦區(qū)工作環(huán)境的要求更低，安全隱患更少，工作效率更高。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)智慧采礦在不同時(shí)期、不同通信技術(shù)下采礦指標(biāo)的分析后，5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，智慧礦山的建設(shè)是未來(lái)礦山實(shí)踐和理論研究的前沿方向，基于5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備部署等方面還需要進(jìn)一步的探索和完善。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]霍振龍,張?jiān)?5G通信技術(shù)及其在煤礦的應(yīng)用構(gòu)想[J].工礦自動(dòng)化,2020,46(03):1-5.