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智慧矿山建设中5G技术的具体应用与发展

 

科技兴安  加入时间:2020-08-29 15:50  点击:669   回首页

为全面提高我国煤矿生产技术水平,推动智慧矿山建设是提高煤炭工业质量必经之路。在煤炭行业智能化程度平均不高,尚处于发展的初级阶段的大环境下,针对井下感知困难、难以实现远程实时控制、智能决策效率低下、原有的Wifi和4G技术无法保证低延时高可靠等问题,第五代移动通信技术的出现为解决以上问题提供了技术依托。结合煤矿井下实际需求,5G技术的成功运用将会为煤炭企业提供井下安防、危险场所作业、虚拟现实和增强现实技术、高精度实时定位、远程控制、井下无人驾驶、协同运维等煤矿井下的切实保障。从5G技术的优势角度出发展望了基于5G技术建设智慧矿山的广阔应用前景。

煤矿产业在我国社会生产活动中是一项极易产生安全事故且生产过程中不确定因素极多的工程体系,如果能将5G技术应用到煤矿井下,势必会将我国煤炭生产水平提高到一个新的高度。通过建设智慧矿山,让危险因素可知可控,最终实现安全、无人、高效、清洁,是我们一直追寻的目标。随着网络技术的不断发展,第五代移动通信技术即将全面普及,相比较于4G技术,5G建立了更加系统的接收模块和抗干扰模块,如果应用于煤矿,将大大提高井下的信息传输效率及准确性。

目前,我国学者王国法等[1]已经就煤矿智能化应用5G技术进行了可行性分析,研究表明,从技术角度考虑采用3个以上5G微基站即可完全覆盖原4G网的管控范围,并带来带宽、速率的大幅提升和延时的降低。我国学者孙继平也在智慧矿山使用5G和Wi Fi6等无线通信技术做出比较分析,其中,5G技术在时延性和跨区连接速度方面明显优于Wi Fi6技术,随着5G技术的不断发展,系统成本也将大大降低[2]。此外,单个5G微基站的功耗和体积比现有4G基站的要小,更有利于井下长时间使用的安全性[1]。在煤矿智能化开采,在建设智慧矿山的基础上,构建5G+煤矿应用平台将为煤炭生产提供可靠保障。

1、5G关键技术综述

工业和信息化部办公厅于2019年11月22日发布了《“5G+工业互联网”512工程推进方案》,5G技术是新一代信息通信技术演进升级的重要方向,同时也是工业互联网是第四次工业革命的关键支撑,二者都是实现经济社会数字化转型的重要驱动力量。相较于传统的4G技术以及wifi组网存在的移动性差、覆盖率低、频段干扰、带宽受限等劣势,5G技术无论是应用规模、运行场景还是数据传输速率、时延管理、频谱效率、连接密度等关键性指标方面都有大幅度提升,基于此,全面推进5G技术的运行和升级,将为用户提供更加优质的体验[3]。

相关白皮书中认为,5G是大规模天线阵列与超密集组网体系组合而成的通信应用结构,内部涉及新型多址技术,能建立新型网络架构体系,具备连接千亿设备的能力,实现更加智能、高效的通信网络管理目标。

2、5G技术在建设智慧矿山中的应用

2.1用于矿区安防系统

基于5G的定位、高速数据传输和端端物联等优势,5G技术将助力实现井下的高效巡检和安防。通过实时定位井下的装备和人员,实时传输和共享井下的安全信息,将对井下作业人员的实施管控,针对目前出现的“检修作业不规范,管理开展不到位”等问题做到有据可循、有理可依。智能终端的主动推送功能自动识别其他移动终端设备并按需推送相关信息,实现井下信息的泛在感知和共享。相较于传统的数据上传下发的利用方式,5G模式下的数据利用更高效、延时更短、可靠性更高、经济性更好。5G技术相比于4G技术最大的提升优势莫过于网络的传输速率,其理论峰值最高可达到10Gbps,这就意味着人们可以通过搭建5G网络平台进行高清影像的实时传输,全面覆盖矿区,做到“监控系统无盲区,巡查系统无死角”的快速响应安全管理体系。

2.2 爆破作业与煤矿机器人应用

在需要频繁爆破的扎哈淖尔露天矿,土方的剥离必须经过穿孔爆破后方可进行采装运输,每天爆破点在3处以上,爆破及警戒区域最大可达2km2,即使操作人员完全按照规章操作也存在较高的危险系数[4]。此时,煤矿机器人来代替操作或实施监控的作用凸显出来,基于灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠的通信网络,未来煤矿井下需要更多的机器人来代替人工进行各类作业,通过煤矿机器人的云端控制,将计算的结果即时返回,进而在云端部署行动策略。


5G网络负责将煤矿机器人连接到云端处理器,其低延迟特性满足云端处理和网络传输时间之和不超过100ms的要求,高带宽特性(10 Gbit/s以上)能为机器人提供足够的反应速度,通过5G高清云台摄像机的实时监控,定向无死角监控爆破作业现场和炸药运输车辆也能大大提高爆破作业和其他危险作业的可靠性。

2.3 VR技术和AR技术进一步在煤矿领域的应用

VR(虚拟现实)技术和AR(增强现实技术)在煤矿领域的成功运用将会彻底改变传统人机交互的模式。基于VR技术在煤矿领域的研究已经存在较多研究成果,其中运用在三维建模、互动模拟等方面居多,可如果要运用该项技术进行煤矿井下的云端实时渲染、融合实际操控则需要能提供100Mbps~10Gbps带宽、+2ms延时要求的5G技术满足。AR技术不同于VR技术之处在于AR技术可以将虚拟和现实相结合,能够实现虚拟世界和现实世界的同步,依托于5G技术传输速率高、延时极低、能满足高用户密度的优势,如果应用于为井下矿工制定逃生路线、或地面救援路线模拟则会极大降低出错率,AR技术还可以应用于设备检修,及时的显现设备的安全状态并提供可行性维修方案。

2.4 应用于井下定位系统精度改善

漏泄通信、感应通信、透地通信、RFID、Wi Fi、PHS(小灵通)、ZIGBEE等传统无线通信技术和设备在煤矿井下的应用,实现了煤矿井下移动通信、人员位置监测、为煤矿安全生产提供了手段[5]。但因为井下环境过于复杂,存在着大量的信号干扰,且井下作业设备众多,定位精度不高的问题也随之产生,而一旦需要单独布设相关基础设施,实时性则也难以保障。基于5G的低延时特性开发的井下定位与应用服务系统是未来的发展方向,伴随开发的井下车辆管理、开采精准推进等应用,解决移动装备的实时控制和管理难题。

2.5 应用于生产设备远程实时控制

实时远程控制一直是煤矿智能化开采的关键难题。传统的远程控制系统需要经过多重路由和多种协议才能将所需的各种传感信息汇集到集控中心再传至远程控制中心。因此,过去仅有部分对实时性要求不高的功能才可以用远程控制实现,实时性要求高的功能出于安全性角度一直没被考虑。井下采掘作业生成数据大、变化速度快,5G低延时、高带宽、高可靠的特性为这一难题的解决提供了基础支撑,基于5G的井上全功能的远程控制将会实现。在“万物互联”的今天,5G技术尤可以在系统繁杂煤矿井下发挥巨大作用,5G系统大容量低功耗的特点得到展现。


2.6 在井下无人驾驶领域应用前景

目前,地面的无人驾驶技术趋于成熟,但限于井下环境因素,无人驾驶对矿井无线网络的需求极高,目前,只有5G技术才能为井下通信网络提供充足的带宽、优良的服务质量、较低的时延和准确定位能力。在井下车辆行驶过程中,5G技术的高比特率能够实时对巷道大量的三维地图数据进行转换,传感器数据的共享也将提升车辆的环境感知能力。通过5G网络及设备,车辆具备精确定位、安全监测、自主感知、主动避障、自动错车、风门联动等功能,实现井下运输车辆无人驾驶[6]。井下运输系统的自动化、信息化和智能化,将会很大程度提高作业效率,实现智能管理。5G技术将大规模、实时传输采集到的车辆、车皮、设备、煤流、物资及附近环境等相关参数信息,以提升车辆运输和设备运行效率,保证运输系统运转过程安全高效。

3、结论

煤炭行业运用5G技术目前还处在初步摸索阶段,随着5G技术的不断发展,5G技术基站建设费用等成本会不断降低,在煤矿行业广泛应用5G技术的可能性也将大幅增加。5G技术的大规模应用也将会是推进煤矿行业智慧矿山建设的重要转折点。5G技术与大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术的结合也将逐一在煤矿落地,实现煤矿大数据的实时分析与决策支持。从“无人则安、少人则安”的治理原则出发,依靠科技的进步,才能真正实现煤炭行业工业质量的飞跃。

参考文献:

[1]王国法,赵国瑞,胡亚辉.5G技术在煤矿智能化中的应用展望[J].煤炭学报,2020,45(1):16-23.

[2]孙继平,陈晖升.智慧矿山与5G和Wi Fi6[J].工矿自动化,2019(10).

[3]张海.5G技术的研究现状及前景分析[J].通讯世界,2016(6):64.

[4]冯宇峰,李明泽,李惠云.5G“智慧矿山”破10项管理瓶颈[J].劳动保护,2019.

[5]孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报.

[6]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.