（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司）
摘要：近年来，煤炭开采技术取得了快速发展，在大力淘汰落后产能的情况下保持了煤炭产量的相对稳定，满足了国家对煤炭资源的持续需求，为保障国家能源供给和能源安全做出了巨大贡献。
关键字：5G技术；煤矿智能化；应用
1 5G技术概述
1.1高频通信(HighFrequencyCommunication，HFC)。目前，3GHz以下的频谱资源十分紧张，而3GHz尤其是6GHz以上的高频段存在大量可用资源。另一方面，单纯提升频谱资源效率已无法满足5G中大带宽和高速率的业务(比如超高清视频传输、虚拟现实、增强现实及全息投影等)传输需求，因此采用高频段进行5G空口传输已成为必然趋势。
1.2大规模天线阵列(MassiveMIMO)。高频段通信可以进一步减少天线尺寸，从而为在5G移动通信系统中引入大规模MIMO技术成为可能。Mas-siveMIMO技术能够带来更高的天线阵列增益，大幅提升系统容量；能够将波束控制在很窄的范围内，从而带来高波速增益，有效补偿高频段传输的大路损。
1.3超密集组网(UltraDenseNetwork，UDN)。随着各种智能终端的普及和站点密度的增加，移动数据流量将呈指数级增长，由此带来了小间距、超密集异构网络的协调。超密集组网技术通过虚拟化小区消除频繁切换及密集邻区的同频干扰等问题，给用户提供更为一致的体验。
2 煤矿智能化应用
2.1智能化开采传输需求
以往为解决煤矿的控制数据、视频监控数据和安全数据的及时传输和隔离难题多采用控制通信环网、视频环网和安全环网三网独立的建设方案，虽然一定程度上解决了数据互占通道和安全数据隔离的难题，但带来的投资大、底层物联和上层融合难的问题也很突出。5G技术采用切片管理技术，按需定制网络，专网相互隔离、底层端端互联，为不同场景的传输需求提供了专用通道和安全解决方案。
2.2能化开采新技术新场景应用需求
随着煤矿生产智能化程度的提高，井下无人机、智能VR/AR等设备必将大量采用，以便能够对现场进行及时巡查，对设备故障进行远程会诊，而无论是无人机飞行控制、无人机巡检视频回传，还是VR/AR智能远程设备故障诊断与维修，不仅需要极大地消耗网络带宽资源，更需要快速的信息反馈和实时的状态控制。
2.3异构物联设备互联互通的需求
当前煤矿生产领域使用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭，工业设备互联互通难，用户使用体验较差，亟需构建能够兼容多种协议的新一代无线技术体系。而5G网络具备融合多类现有或未来无线接入传输技术和功能网络的能力，通过统一的核心网络进行管控，以提供超高速率和超低时延的用户体验和多场景的一致无缝服务。
2.4煤矿智能化应用5G技术的可行性
将5G技术应用于煤矿智能化开采中，需要着重分析井下特殊无线传播环境下5G系统部署的可行性。与地面进行对比，井下无线传输的实际环境因素主要存在如下特征:①井下狭长且多分支的空间特征；②易产生吸收或干扰无线电波传输的粗糙煤壁；③复杂的设备布置和强磁干扰；④多粉尘和瓦斯的开采环境。5G无线传输技术在井下应用时，主要存在高频无线信号快速衰减、定向传输能力增强的同时绕射能力下降等现象，从而导致传输距离短、覆盖范围有限等，5G技术面临的这些问题在5G技术研发初期就作为重大问题进行攻关，于是有了超密集组网技术、MassiveMIMO(大规模天线阵列)和微基站技术等，这一系列关键技术的突破形成了5G核心技术体系，同时支撑了5G技术的商业化。
3 5G在煤矿的应用场景
3.1基于5G的高精实时定位与应用服务
目前煤矿井下定位系统多是基于传统的蓝牙、ZigBee、超宽带等无线传输技术，定位精度不高，且需要单独布设相关基础设施，实时性也难以保障。基于5G的低延时特性开发基于5G网络的井下定位与应用服务系统是未来的发展方向，将产生井下车辆管理、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。
3.2基于5G的虚拟交互应用
虚拟现实(VR)与增强现实(AR)是能彻底颠覆传统人机交互内容的变革性技术，在煤矿的应用未来可期。其应用可分为3个阶段:(1)主要用于三维建模和虚拟展示，如现在的裸眼3D等技术，其基本需求为20Mbps带宽+50ms延时，现有的4G+WiFi基本可以满足。(2)主要用于互动模拟和可视化设计等，如多人井下培训系统，其基本需求为40Mbps带宽+20ms延时，Pre5G基本可以满足。(3)主要用于混合现实、云端实时渲染和虚实融合操控，如虚拟开采、协同运维等，其基本需求为100Mbps～10Gbps带宽+2ms延时要求，需5G或更先进技术才可满足。
3.3生产远程实时控制
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。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，直至传至远程控制中心，因此仅有部分对实时性要求不高的功能可以用远程控制实现，实时性要求高的功能出于安全考虑是不能用远程控制的。5G低延时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。
3.4井下远程协同运维
5G在井下的另一个重要应用场景是远程协同运维。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。
4前景展望
4.1总体网络架构应该是有线骨干+5G覆盖的形式。以光纤骨干环网保证井下信息传输的安全可靠，以5G网保证井下无线覆盖和移动传输的需求。
4.2结合井下实际的巷道或工作面布置优化5G微基站的布置，保证覆盖的同时减少资源消耗。
4.3分析并划分井下应用场景，梳理不同应用场景的个性化需求，根据需求对网络资源进行逻辑分割，即完成所谓的“切片”。
4.4在构建好传输平台的基础上，要注重平台与应用场景和先进技术的融合，解决一直困扰煤矿智能化开采的泛在感知、实时可靠传输、大数据应用、快速智能决策、混合现实远程操作等卡脖子难题，实现基于混合现实的井下智能化开采和远程实时可视化操控。
4.5 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。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。
结束语
5G技术具备优异的性能，是矿井无线通信发展的趋势，但是目前来看，相关产业链还不够完善，网络架构、设备形态及部署方式均还存在一定的不确定性，针对煤炭行业的技术应用场景还需不断挖掘和完善。
参考文献
［1］王国法．如何正确认识并理解煤矿智能化［N］．中国煤炭报，2019－03－19(04)
［2］范京道，徐建军，张玉良，等．不同煤层地质条件下智能化无人综采技术［J］．煤炭科学技术，2019，47(3):43－52．