5G技術(shù)在礦山智能化中的應(yīng)用展望

1、5G 技術(shù)在礦山智能化中的應(yīng)用展望摘要:之前，由于礦山智能化開(kāi)采在寬帶、并發(fā)數(shù)量以及延時(shí)等方面受到傳 統(tǒng)無(wú)線通訊技術(shù)的影響，長(zhǎng)期以來(lái)很難形成大的突破，最終使得大數(shù)據(jù)人工智 能、虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)難以應(yīng)用到礦山開(kāi)采中為智能化開(kāi)采服務(wù)。5G技術(shù)以其大 帶寬低延時(shí)和廣連接的優(yōu)勢(shì)打通了不同應(yīng)用場(chǎng)景間信息高效交互的通道，有利 于重塑傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型，牽引云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能 和移動(dòng)應(yīng)用的深度融合，倉(cāng)慚應(yīng)用和服務(wù)。鑒于此，本文就5G技術(shù)在礦山智能化 中的應(yīng)用展開(kāi)探討，以期為相關(guān)工作起到參考作用。關(guān)鍵詞:5G技術(shù);礦山智能化;應(yīng)用場(chǎng)景5G關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢(shì)5G關(guān)鍵技術(shù)面對(duì)多樣化場(chǎng)景的極端

2、差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù) 為基礎(chǔ)形成針對(duì)所有場(chǎng)景的解決方案，5G技術(shù)創(chuàng)新主要來(lái)源于無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)兩方面。在無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接 入等技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn);在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Net work， SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Ne twork Func tions Vir tu aliza tion, NFV)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已取得廣泛共識(shí)。此外，基于濾波的正交頻分復(fù)用 (Filtered-Orthogonal Frequency pision Multiplexing， F-OF

3、DM)、濾波器組多 載波(Filter Bank Multi carrier， FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(Device to Device， D2D)、多元低密度奇偶檢驗(yàn)(Q-ary Low-density Parity-check，Q- aryLDPC)碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、極化碼等也被認(rèn)為是5G潛在關(guān)鍵技術(shù)5G技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)5G關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用使5G通信系統(tǒng)的性能大幅提高，與前幾代無(wú)線通信技術(shù) 相比，5G通信技術(shù)具有傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、時(shí)延低、可靠性高、容量大等優(yōu)勢(shì):（1）用戶體驗(yàn)速率（真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率）：100Mbit/slGbit/s。（2）連接數(shù)密度（單位

4、面積上支持的在線設(shè)備總 和）：106/km2。（3）端到端時(shí)延（數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收的時(shí) 間）：lms。（4）移動(dòng)性（滿足一定性能要求時(shí)，收發(fā)雙方時(shí)間的最大相對(duì)移動(dòng)速 度）：500km/h以上。（5）流量密度（單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量）：10Mbits“m-2。礦井5G無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)2.1系統(tǒng)組成礦井5G無(wú)線通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)平臺(tái)、地面5G基站、井 下基站、井下HUB 等組成。井上采用AAU（Active Antenna Unit,有源天線單元）完成地面覆 蓋，通過(guò)Ir接 口與BBU（BuildingBaseband Unit,室內(nèi)基帶處理單元）相連;井 下采用Pico RR

5、U（Remote Radio Unit,射頻拉遠(yuǎn)單元）井下基站實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋, 井下基站通過(guò)井下HUB進(jìn)行匯聚后,與井上BBU相連，傳輸接口為Ir接口。2.2組網(wǎng)方式5G網(wǎng)絡(luò)部署包含非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone, NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone, SA）2種方式NSA是利用現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施，融合4G核心網(wǎng)部署5G網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn) 5G與長(zhǎng)期演進(jìn)（LongTermEvolution, LTE）聯(lián)合組網(wǎng)，這種方式在演變過(guò)程中涉及 核心網(wǎng)的切換和增強(qiáng)型4G基站的改造，初期建網(wǎng)速度快，成本相對(duì)較低，但靈 活性較差，中后期部署工作量大；SA則是重新搭建一張5G網(wǎng)絡(luò)，所用基站和基礎(chǔ) 設(shè)

6、施均要重新部署和建設(shè)，初期成本較高，雖然也可將現(xiàn)有的4G基站升級(jí)增強(qiáng) 后與5G核心網(wǎng)連接，但SA架構(gòu)的最終形態(tài)是5G基站連接5G核心網(wǎng)，不依賴現(xiàn) 有的4G網(wǎng)絡(luò)和基站設(shè)備，這種組網(wǎng)方式支持5G所有的新功能和新應(yīng)用。礦井可 依據(jù)現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的裝備情況和對(duì)無(wú)線通信的需求選擇合適的組網(wǎng)方式。5G在礦山的應(yīng)用場(chǎng)景3.1基于5G的高精實(shí)時(shí)定位與應(yīng)用服務(wù)目前礦山井下定位系統(tǒng)多是基于傳統(tǒng)的藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶等無(wú)線傳輸技術(shù), 定位精度不高，且需要單獨(dú)布設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時(shí)性也難以保障?；?G的低 延時(shí)特性開(kāi)發(fā)基于 5G 網(wǎng)絡(luò)的井下定位與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展方向，將產(chǎn) 生井下車輛管理、開(kāi)采精準(zhǔn)推

7、進(jìn)等應(yīng)用，解決移動(dòng)裝備的實(shí)時(shí)控制和管理難題?；?5G 的虛擬交互應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是能夠徹底顛覆傳統(tǒng)人機(jī)交互內(nèi)容的變革 性技術(shù)，在礦山的應(yīng)用未來(lái)可期。其應(yīng)用可分為3個(gè)階段：（1）主要用于三維建模和虛擬展示，如現(xiàn)在的裸眼 3D 等技術(shù)，其基本需求 為20Mbps帶寬+50ms延時(shí)，現(xiàn)有的4G+WiFi基本可以滿足。（2）主要用于互動(dòng)模 擬和可視化設(shè)計(jì)等，如多人井下培訓(xùn)系統(tǒng)，其基本需求為40Mbps帶寬+20ms延時(shí), Pre5G基本可以滿足。（3）主要用于混合現(xiàn)實(shí)、云端實(shí)時(shí)渲染和虛實(shí)融合操控，如 虛擬開(kāi)采、協(xié)同運(yùn)維等，其基本需求為100Mbps10Gbps帶寬+2ms延時(shí)要

8、求，需 5G或更先進(jìn)技術(shù)才可滿足。生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)實(shí)時(shí)性控制一直是礦山智能化開(kāi)采的關(guān)鍵卡脖子難題。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)多重路由和多種協(xié)議才能將所需的各種傳感信息匯集到集控中心， 直至傳至遠(yuǎn)程控制中心，因此僅有部分對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的功能可以用遠(yuǎn)程控制 實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性要求高的功能出于安全考慮是不能用遠(yuǎn)程控制的5G低延時(shí)的特性 為這一難題的解決提供了基礎(chǔ)支撐，基于 5G 的井上全功能的遠(yuǎn)程控制將會(huì)實(shí)現(xiàn)， 圖1為相關(guān)應(yīng)用示意圖i多源決策控制示意二緋-虛擬現(xiàn)丈實(shí)時(shí)地理信息實(shí)時(shí)開(kāi)涙倚息生產(chǎn)遠(yuǎn)程賓時(shí)擰制圖1基于5G的井下遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維5G在井下的另一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景是遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維（圖2） 0未來(lái)井下裝

9、備的 智能化程度會(huì)越來(lái)越高，系統(tǒng)也愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的維修工人已難以獨(dú)立完成維修 工作，需借助遠(yuǎn)程專家協(xié)助完成。現(xiàn)場(chǎng)的音視頻信息可通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)端， 相關(guān)的虛擬模型也可虛擬至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)專家與現(xiàn)場(chǎng)工 人同樣的視場(chǎng)和操作，甚至還可以用機(jī)器人代替人在井下完成維修。業(yè)務(wù)管埋/接LI服務(wù)井下錐修工AR時(shí)比操作圖2基于5G的井下巡檢和安防基于5G的定位、高速數(shù)據(jù)傳輸將助力實(shí)現(xiàn)井下的高效巡檢和安防。通過(guò)這一 網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)定位井下的裝備和人員，可實(shí)時(shí)傳輸和共享井下的安全信息，智能終 端的主動(dòng)推送功能自動(dòng)識(shí)別其他移動(dòng)終端設(shè)備并按需推送相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)井下信 息的泛在感知和共享。相較于傳統(tǒng)的

10、數(shù)據(jù)上傳下發(fā)的利用方式，5G模式下的數(shù)據(jù) 利用更高效、延時(shí)更短、可靠性更高、經(jīng)濟(jì)性更好前景展望在地面，5G技術(shù)已經(jīng)為森林防火的低功耗廣連接場(chǎng)景、自動(dòng)駕駛的低延時(shí)高 可靠場(chǎng)景、高清賽事轉(zhuǎn)播的多熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景等提供了切實(shí)可行的解決方案5G技 術(shù)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的結(jié)合也將逐一在礦山落地，實(shí) 現(xiàn)礦山大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與決策支持，可視化遠(yuǎn)程操控與數(shù)字孿生應(yīng)用，混合現(xiàn) 實(shí)遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)等。（1）總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該是有線骨干+5G覆蓋的形式。以光纖骨 干環(huán)網(wǎng)保證井下信息傳輸?shù)陌踩煽?，?G網(wǎng)保證井下無(wú)線覆蓋和移動(dòng)傳輸?shù)?需求。（2）結(jié)合井下實(shí)際的巷道或工作面布置優(yōu)化5G微基站的布置，保

11、證覆蓋 的同時(shí)減少資源消耗。（3）分析并劃分井下應(yīng)用場(chǎng)景，梳理不同應(yīng)用場(chǎng)景的個(gè)性 化需求，根據(jù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行邏輯分割，即完成所謂的“切片”。（4）在構(gòu) 建好傳輸平臺(tái)的基礎(chǔ)上，要注重平臺(tái)與應(yīng)用場(chǎng)景和先進(jìn)技術(shù)的融合，解決一直困 擾礦山智能化開(kāi)采的泛在感知、實(shí)時(shí)可靠傳輸、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、快速智能決策、混合現(xiàn) 實(shí)遠(yuǎn)程操作等卡脖子難題，實(shí)現(xiàn)基于混合現(xiàn)實(shí)的井下智能化開(kāi)采和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)可視 化操控。結(jié)語(yǔ)5G通信技術(shù)具備優(yōu)異的性能，是礦井無(wú)線通信發(fā)展的趨勢(shì);但是目前來(lái)看， 相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還不夠完善，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)及部署方式均還存在一定的不確 定性，針對(duì)礦山行業(yè)的5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景還需不斷挖掘和完善，且由于5G網(wǎng)絡(luò)對(duì) 承載網(wǎng)要求較高，礦山應(yīng)預(yù)估部署成本，結(jié)合自身發(fā)展?fàn)顩r和需求搭建礦井5G 通信網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn):馮宇峰，李明澤，李惠云.5G “智慧礦山”破10項(xiàng)管理瓶頸J.勞動(dòng)保 護(hù)，2019（12）:90-92.王莉.航天科工成功研制5G