5G技術在遠程智慧采礦中的應用

　　摘要：闡述智慧礦山的建設，未來礦山實踐和理論研究，基于5G技術的網絡架構、設備部署，從而進一步探索和完善5G技術在遠程智慧采礦的應用。

　　本文源自集成電路應用,2020,37(11):70-71.《集成電路應用》雜志1984年創刊，是國家新聞出版總署批準，中國電子信息產業集團有限公司主管，上海貝嶺股份有限公司主辦，上海市集成電路行業協會、深圳市半導體行業協會協辦的電子電工、電力、半導體材料、集成電路等領域的綜合性學術期刊。現為上海市集成電路行業協會會刊，屬國家一級刊物。是集學術性、應用性極強的集成電路產業權威中文雜志。

　　當前我國煤炭產業無線通信系統主要還是依托WiFi和4G技術，隨著物聯網時代的到來，智慧礦山的發展在逐步實現智能化和實時化，傳感器技術的發展更是推進了智慧采礦的發展。隨著第五代移動通信技術的蓬勃發展，智慧礦山領域在通信系統及通信方式的需求不斷提高，5G技術的發展進一步提高煤礦企業生產效率，成為一個重要課題[1]。傳統采礦業內部的信息化與數字化程度較低，利用現有網絡結合5G技術，提出智慧礦山的研究。先基于現有網絡建設車載監控與車載定位項目，在根據5G的低時延與高可靠性特點建設遠程采礦項目。

　　1、智慧礦山

　　傳統的采礦業主要是以人力為主體去實現，在實際作業過程中，主要依賴人的主觀意志，不能準確、即時的去完成，再加上易疲勞、記憶偏差、知識不足等多方面，傳統的采礦業表現出了：看不清、算不準、控不住。物聯網技術的發展，將智慧礦山成為一個欣的信息世界，從實踐的角度，智慧礦山的運行實現了操控人員在調度控制室，通過輸入生產任務或目標，通過操作鼠標、鍵盤等輸入設備，控制提升設備、通風機等采礦設備，使得各機器自適應工作面條件，進一步優化了自己的工作參數，保證了相關設備的協作和聯動。智慧礦山技術的發展不斷地自動采集礦下信息并及時返回，通過信息算法和智能模型處理，信息傳輸主要依賴于CDMA、WiFi、3G、4G通信系統，較好地保證了生產過程中語音、圖像、視頻傳輸等信息的傳輸。然而，隨著煤礦行業的發展及智慧礦山水平的提升，在采煤、運輸等方面對無線通信系統的帶寬需求在不斷提高，5G技術的出現，將突破以往通信技術在傳輸過程中的帶寬、時延、連接數等方面的制約，依托5G通信技術實現智慧遠程采礦也將實現新的突破。

　　2、5G技術在采礦中的應用

　　5G作為第五代移動通信技術較4G有更高的性能，不只是簡單的解決了移動狀態下人與人、人與機器、機器與機器之間實時交互的問題。同時在用戶體驗速率、連接數密度和時延性方面取得了突破性的進展，其傳輸速率達到毫秒級的端到端時延，10Tbps/km2的流量密度。5G技術在智慧采礦中的優點主要表現以下應用案例。

　　(1)車輛的無人駕駛。傳統采礦行業中礦車主要以人工駕駛為主，長時間作業中容易產生疲憊感，容易引起的礦業工作效率低、安全隱患存在的缺點。5G技術的出現，國內外借助于無線通信技術研發了無人駕駛，避免了司機疲勞駕駛帶來的安全隱患，對采礦工作環境的要求也相對較低。對車輛的遙控指揮對網絡的通信速率和時延要求較高，尤其是多車輛協同作業情況，更是如此。

　　(2)礦區環境的測繪。傳統礦業在采礦作業開始前更多的是人工測繪，但由于礦山工作環境的復雜性和特殊性，很多區域繪制獲取不到或不準確，造成礦山資源的浪費。利用5G技術實現無人機對采礦區進行實時繪制，大大提高了信息的準確性和資源的利用率，實現了高產和增產。

　　(3)傳感器技術的應用。礦區通過使用傳感器設備實現對礦區數據的實時監測、控制及數據信息的傳輸，感知設備控制面臨著網絡通信鏈路長、環境差等特點。傳感器設備監測數據輸出、傳輸過程中常出現延時，使得不能實時計算并完成生產，特別是多車輛、多設備協同作業的情況。利用5G技術對礦山傳感器進行改進升級，加大對數據的監測、存儲和傳輸，保證數據傳輸的有效性和高效性。

　　5G技術能夠實時通過虛擬現實技術將3D地圖數據進行轉換，獲取礦區地理環境，通過傳感器獲得礦區數據提升車輛的感知能力，通過無線網絡增加了連接數密度、傳感器節點的擴展，終端設備數據傳輸的高時效性。5G技術在智慧采礦的網絡設備通信、車輛精確定位、安全監測、自主避障等方面都有應用。

　　3、項目需求分析

　　(1)智慧礦山網絡分析：某傳統礦山共計3個采礦區，采礦區分別在50m左右高度山坡上下挖20m左右深坑，現使用4G通信技術，其性能僅能基本滿足礦區開采主要業務的數據通信需求。然而，采礦行業對于無線通信技術的需求越來越強烈，傳統的移動通信網絡結構無法滿足智慧礦山的需求，并且智慧礦山需要以極低的消息傳輸時延，傳感器設備監測礦區數據傳輸的實時性較高，采礦車輛定位的精準性高，以上需求使得智慧礦山網絡必須是一種具有超低時延、超高可靠性的網絡。5G技術將突破傳統無線通信技術在傳輸帶寬、時延、連接數等方面的制約，搭建5G通信網絡將為智能化開采、物聯網建設、大數據業務等方面提供高速率、低時延、大連接、高可靠的通信鏈路保障。圖1為某礦區地圖數據，礦區間距較大，傳感器設備監測距離要求盡可能精準，誤差較小，采集車輛很少是單個車輛獨立完成，需要多車輛協同作業，那么礦區地圖需要利用虛擬現實來展現，開采前對礦區地理環境因素：可燃氣體、溫濕度等信息的獲取至關重要，開采過程中對車輛信息的獲取、傳輸要盡力做到小誤差、短時延。

　　圖1礦區地理分布圖

　　(2)覆蓋需求分析：(1)規劃站點MDT分析。現場測試CL網信號差，分析最新MDT。該區域MDT柵格RSRP在105dbm左右，待智慧礦山項目啟用后MDT會更差。(2)規劃站點CQT分析。分析最新現場測試CQT數據，從測試指標來看，周邊整體覆蓋較弱，需要開通規劃站點進行補盲。

　　(3)智慧采礦擬建方案：(1)一期為車載監控與車載定位項目。根據以上分析，本期方案主要解決采石場3個開采區覆蓋問題，在勘查位置建設十五米組合抱桿定向基站，新增2副FDD-LTE(2T2R天線)：扇區1天線掛高50o，方位角350o，電子下傾角5o，機械下傾角3o，總下傾角8o;扇區2天線掛高50o，方位角280o，電子下傾角5o，機械下傾角3o，總下傾角8o。2臺L1.8GRRU、10o和90o,1臺C800MRRU分別覆蓋：10o、90o，解決采石場CL弱覆蓋問題，滿足車載監控與車載定位需求。(2)二期為智慧5G遠程采礦項目。基于5G的遠程采礦項目，主要是利用5G網絡超低時延，超強可靠性的特點完成采礦車輛的無人駕駛。傳統采礦行業無論是開采還是運輸都離不開各種各樣的工程車輛，并且車輛離不開駕駛員，駕駛員長時間駕駛時間后工作效率下降且存在安全隱患。傳統的移動通信網絡結構無法滿足超低時延超高可靠性這一需求，5G技術所提供的高可靠和超低時延的控制網絡是保證系統正常運轉的前提。

　　礦區作業環境苛刻，多種環境傳感器要采集工作環境參數信息，高清攝像頭要采集工作視頻和圖像，各種數據生成速度快，體量大，種類多，必須依靠5G通信網絡高帶寬、低時延、高可靠、高連接的傳輸特性，將網絡切片以及毫米波等5G通信技術引入到車聯網中，旨在能夠實現超低時延超高可靠性的車聯網。5G技術的高速率通過實時對礦區大量的3D地圖數據進行轉換，傳感器數據的共享也將提升車輛的環境感知能力。礦區采礦車輛使用72GHz的毫米波與路邊接入單元之間進行無線通信，采用人工智能的在線學習技術進行實時調整和優化作業路線，利用無人駕駛技術，還可以遠程遙控指揮礦區采礦車輛，從而達到礦區節約運輸成本，提高工作效率的效果。通過5G技術的運用，礦區采礦車輛具備了精確定位、自主感知、安全監測、主動避障等功能，實現了礦區采礦車輛的無人駕駛。

　　基于5G技術的應用，對礦區工作環境的要求更低，安全隱患更少，工作效率更高。

　　4、結語

　　本文通過智慧采礦在不同時期、不同通信技術下采礦指標的分析后，5G無線通信技術進一步提高生產效率，智慧礦山的建設是未來礦山實踐和理論研究的前沿方向，基于5G技術的網絡架構、設備部署等方面還需要進一步的探索和完善。

　　參考文獻：

　　[1]霍振龍,張袁浩.5G通信技術及其在煤礦的應用構想[J].工礦自動化,2020,46(03):1-5.