董 松
神木县隆德矿业有限责任公司 陕西 榆林 719300
摘要：近些年，我国经济高速发展，5G科技技术应运而生。经济的飞速发展推动了煤炭行业的快速发展，但目前煤炭开采生产环节仍然存在许多问题，一定程度上制约了煤炭行业向智能化转型。煤炭采掘过程中，要对核心技术进行技术创新和升级改造，才能提高工业信息化水平，带动智能采掘的产业升级。文章对5G技术背景下的煤矿智能化开采技术进行分析，提出利用信息技术改造传统的采掘方式和信息化管理，减少安全事故发生，提高煤炭企业经济效益，促进我国煤炭行业发展。
关键词：5G技术；煤矿；智能化；应用研究
0 引言
为了满足当今信息社会需求，新一代移动通信系统5G应运而生。随着信息和网络技术的快速发展，5G的关键技术必将取得实质性突破和拥有更广阔的应用前景。物联网这一具有十足潜力的产业其市场规模是巨大的。物联网飞速发展的关键在于其当下越来越健全完善的移动数据传输网络。5G网络在这一环境下满足了其发展需要，因此将被物联网各领域广泛应用。
1 煤矿智能化需求分析
1.1 智能化对于网络的需求分析
煤炭作业现场总线连接大量的检测传感器、执行器和工业控制器，通信速率在数kbps到数十kbps。近年来，虽然已有部分支持工业以太网通信接口的现场设备，但仍有大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制器的方式连接。即使部分使用无线通信，往往也是采用安全性低、抗干扰性差、速度低的WIFI网络，远远达不到井下智能化连接的需求。传统的网络已经无法满足井下对移动性、低时延的各项应用需求。
1.2 智能化对于网络的需求分类
不同的煤炭作业现场有着不同的网络需求，而煤矿面临的最大智能化问题包括全面感知、智能控制、智能采掘等，解决这些问题是实现智能煤矿、无人煤矿最根本的要求。首要需求就是高质量的无线网络。
总体来说，满足煤矿井下安全基础的高质量网络需求可以分为三类：无线网络的需求、低时延的需求、高带宽的需求。3G/4G或者WIFI网络难以满足这样的需求。
2 5G与物联网的融合发展
5G采用大规模MIMO技术，使得物联网设备周围形成的天线阵列，构成了一个用于各种传感和控制节点的信息传输的全覆盖网络。遥感层的数据直接通过5G网络来实时传输。对接收到的数据，应用层可以根据应用领域的相关行业标准进行相应地处理和操作，并对遥感层设备进行检测和远程控制。而且，5G认证和加密技术也保证了数据传输的安全性。
与现有物联网结构模型相比，5G与物联网的集成具有以下优势:
1)高效。现有物联网主要以WiFi和ZigBee为基础接入网络。当连接数或传输数据量过大时，由于设备带宽容量和数据处理能力的限制，容易造成网络拥塞和网络延迟，感知层的数据不能及时传输到应用层或管理员终端。
2)便捷。基于5G的物联网更有利于新网络的建设、维护和监控。智能终端设备与用户携带的5G手机之间的直接连接，不需要新的布线规划，以减少对现有建筑环境的破坏。
3)经济。物联网终端与5G移动设备直接相连接以达到感知层数据可以直接通过5G基站传输的目的，减少了不必要的网络层设备的使用，如ZigBee、路由器、交换机等，从而节省了设备购置、安装、维护和升级的费用。
4GLTE技术之前，移动通信将人际通信作为核心业务，而5G涉及的范围更广，主要场景包括:eMBB，mMTC和UＲLLC，这几种场景特性不仅覆盖了高带宽、低延时等传统应用需求，而且还能满足工业环境下的设备互联和远程交互应用需求。
3 5G技术在煤矿智能化中的应用
3.1 新型智能煤矿体系
新型智能矿山体系，首先通过制定统一的信息化系统标准规范，促进现有系统之间相互联系、相互作用、相互约束、相互补充，打造统一的综合管理平台，全面接入安全监控系统、人员定位系统、产量监控系统、视频监控系统、供电控制系统、工作面控制系统以及采、掘、机、运、通、排等各大系统，指导煤矿企业的人、财、物、生产设备等方面的科学运营和管理。
以IPRAN技术结合4G、5G技术升级井上井下煤矿企业基础网络环境。4G实现全覆盖，提供全域通信和无感切换能力。5G部署重点应用场景，实现综采工作面、掘进面等重点工作地点多维数据源回传、控制信息发布。依托云计算和大数据技术，打造边缘云+核心云的智能应用运行管理模式。
边缘云搭载各类应用和分析算法，实现对煤矿工作中具体事件和数据的就近分析，直接掌控各类矿端设备并做出条件反射式的高速、准确反映；核心云搭载智能平台，汇聚收集矿端数据和边缘云分析结果，对整个信息进行数据模型构建和AI能力的训练，不断增强边缘云反映能力，从而提高整个系统的灵活性、运行效率和智能化水平。
在云边协同的系统体系和5G高速网络的支持下，投入更先进、成熟的工业设备，如防爆机器人、高清智能摄像机、高灵敏度传感器、远程控制器等，为不断增加的专业化智能应用提供更全面、有效的数据并及时做出针对性响应，最终实现煤矿生产由各个系统单一的集中控制向全矿井集中控制、自动控制转变，实现一键开机、智能辅助控制，远程操作的功能，最终实现“自动化减人、智能化少人”的目标。
3.2 智能控制采掘
为提升煤矿井下智能化开采效率，需全面渗透 5G技术，同时利用 AI 技术、自动化控制技术、自动化监测技术分析矿井功能及稳定性。通过落实数据采集、传输要求，同时在合理的处理中进行模拟训练及学习分析，有利于得到可视化矿井环境。此时，工作人员可依据不同数据指标进行自动化采掘，可避免矿井种类繁多、地质环境较为复杂的负面影响，也能提高智能化开采的效率。此外，在技术运行使用中，需对传输装置的运行状况进行宏观调控，利用合理的故障诊断处理，可将运输效果调控在一定范围内。通过大数据的管控，对诱导装置进行控制，方便工作人员远程、宏观收集关键数据信息，调整集显数据的精准度。
3.3 以5G技术为基础的虚拟交互应用
VR（虚拟现实）与AR（增强现实）的应用，可以实现三维建模、虚拟展示，这是一项可以彻底颠覆传统人机交互内容的一项重要技术革命，在未来煤矿开采期，合理应用该项技术。
虚拟交互应用组要分为以下几个阶段：
（1）在三维建模与虚拟展示中，例如，目前常用的的3D技术，该项技术的实现需要20Mbps带宽+50ms延时，对于该项要求来说，目前应用的4G网络+WIFI就能够达到应用要求标准。
（2）合理应用在互动模拟和可视化设计方面，例如，在煤矿井下对工作人员进行培训，该项内容采用40Mbps带宽+20ms延时。
（3）混合现实、云端实时渲染和虚实融合操控，例如，系统运维、虚拟开采等，针对这些内容，需要100Mbps-10Gbps带宽+2ms延时要求，为了达到这一目的，需要采用5G技术或更先进技术才能满足作业需求。
3.4 精准实时定位
传统煤矿井下定位大多数采用蓝牙、ZigBee等无线传输技术实现的。但是这些技术在覆盖范围、切换时间等方面存在不足。我们可以借助5G技术的低延时特点对矿井内信息进行精确实时定位，开发井下车辆智能管理、开采设备智能化等等，以解决井下移动设备实时监测的技术难题。
4 结语
5G技术的快速发展大幅度促进了大数据、云计算、人工智能技术融入在了一起，最终汇集成了5G技术生态，其对于煤矿智能化开采的转型与发展可以起到促进作用，从而为煤矿智能化开采作业的进行提供一套合理解决方案，促进我国煤矿行业发展。
参考文献：
［１］孙继平，陈晖升．智慧矿山与５Ｇ和ＷｉＦｉ６［Ｊ］．工矿自动化，２０１９，４５（１０）：１－４．
［２］陈晓贝，魏克军．全球５Ｇ研究动态和标准进展［Ｊ］．电信科学，２０１５，３１（５）：１６－１９．
［３］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，２０２０，４６（３）：１－５．