山东能源临矿集团鲁西煤矿 山东济宁 272000
摘要：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。基于此，本文在分析5G技术优势的同时研究了煤矿智能化的短板，又将二者紧密结合，从而有针对性地提出5G技术在煤矿智能化发展中的应用展望，旨在为5G技术促进煤矿智能化健康发展提供一些思路。
关键词：5G技术；煤矿智能化；必要性；应用场景
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WiFi6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WiFi6技术，随着5G技术的不断发展，系统成本也将大大降低。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。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。
一、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。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。
二、5G技术的几项关键技术
1.网络切片技术（NetworkSlicing）
基于软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）和网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization，NFV），5G网络能够实现网络切片技术，即将一张物理网络中的带宽、计算及存储资源进行逻辑分割，构建多个虚拟化的端到端网络，每个虚拟网络的资源均可独立运营和动态伸缩，从而满足不同应用场景的业务服务质量需求。
2.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。
3.移动边缘计算（MobileEdgeComputing，MEC）
5G的三大应用场景和小于1ms的时延指标，决定了5G业务的终结点不可能都在核心网后端的云平台，而MEC通过在移动网络边缘提供IT服务环境和云计算能力，以减少网络操作和服务交付的时延，从而能够更好满足超低时延的工业控制场景及大带宽的传输需求，更好地实现物与物之间的传感、交互和控制。
三、煤矿智能化内涵及其存在问题
煤矿智能化及其智能化程度直接决定着煤矿工业的发展速度与发展质量。煤矿智能化指的是煤矿系统在实际运营操作过程中具有的可以自动实现智能感知、学习、分析、决策以及执行等能力，并以此建成安全生态的智慧煤矿产业运行新模式，从而推动煤矿业科学高效地发展。煤矿智能化本身是一个不断发展、螺旋上升的过程，其智能化程度同样也处于不断发展、不断优化的过程之中。自改革开放以来，尽管我国煤矿业在煤矿智能化方面不断完善更新。在实际运营操作中存在着发展理念不够科学、研发部门不够系统、专业人才严重缺乏、技术标准有待提升、技术装备急需备齐等诸多问题。要想真正实现煤矿智能化，促进煤矿业安全健康发展，就必须正视其在发展过程中遇到的棘手问题并及时有效地解决。而5G技术的到来为我们解决长期以来阻碍煤矿智能化发展的难题提供了方向与思路。
四、5G技术下煤矿智能化的应用展望
1.5G技术下的精准实时定位与应用服务
迄今为止，煤矿业在其生产运营的过程中，井下定位基本上是通过蓝牙、Zihbee以及超宽带等无线传输技术来展开工作的。而这些无线传输技术存在着切换时间较长、覆盖范围不广、带宽不高等方面的不足，但其在运行过程中又无法规避这些缺陷。所以在工作过程中，一方面，往往会造成定位精准度不高的结果，从而影响专业人员的正确判断与科学决策。另一方面，这些都需要专门进行相关基础设施安置，以致其所获定位信息的实时性也就无法保障。5G技术的到来启发我们可以凭借其低延时的特点展开5G网络的井下定位，从而对所需信息进行精准实时定位，辅助专业人员进行正确判断与科学决策，推动煤矿业发展。2.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.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。
结语
煤矿业的发展从一定程度来说是世界工业史的缩影。从最初的人工开采到如今的煤矿智能化，煤矿业发展在一步步向科技化进步。所以，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WiFi6[J].工矿自动化，2019（10）.