- 服务热线：CANSHU_TELEPHONE
- 电子邮箱：CANSHU_MAILBOX
- 公司地址：CANSHU_ADDRESS
CANSHU_WEBNAME
5G 技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用
5G 技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用
顾义东1，2 （1. 中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）
摘要：针对掘进工作面运输系统通信网络存在的接入能力不足、传输可靠性低、传输带宽不足等问题，探讨了 5G 技术在煤矿掘进工作面运输系统中应用的必要性和可行性：经过优化设计的矿用 5G 系统性能指标达到预期，完全能够满足当前煤矿智能化建设对无线通信系统的需求；矿用 5G 通信模组、5G 客户终端设备（CPE）为掘进工作面各类设备及传感器接入 5G 网络提供了设备支持。介绍了 5G 设备的矿用化改造重点解决的问题：建立 了矿用 5G 网络架构，以满足井下 5G 信号覆盖需求；针对 5G 设备功耗大的问题，对其结构进行了优化设计，并设计了散热装置；解决了 5G 基站多路射频输出与天线增益叠加后射频功率超标的问题。给出了掘进工作面运输系统 5G 网络架构及功能，借助 5G 网络大带宽、低时延、高可靠、广接入的特性，可实现掘进工作面运输系统各类传感设备的统一接入、各环节的高清视频监控、远程集中控制。
关键词：煤矿智能化；5G；掘进工作面；运输系统；5G 矿用化；5G 通信模组；5G 客户终端设备；设备统一接入
引言
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障，是引领煤炭工业转型升级的核心技术支撑[1-3]。掘进工作面是煤炭开采的最前沿，是井下劳动强度、危险性最大的场所，掘进工作面智能化是煤矿智能化的重要环节，是实现矿井少人化高效开采的关键。然而，与采煤工作面相比，掘进工作面的机械化、智能化发展严重滞后，导致采掘失衡，严重影响着煤矿安全、高效、智能生产[4-7]。快速掘进是为解决矿井采掘失衡问题而提出的创新技术，掘锚一体机是实现快速 掘进的关键设备之一[8-11] ，在掘锚一体机完成掘进、锚杆支护的同时，需通过配套的运输系统完成掘进落煤/落矸的运输。
根据作业条件及配套设备的不同，运输系统一般采用间断运输或连续运输方式，间断运输主要通过破碎机、梭车、带式输送机等装备实现，连续运输主要通过桥式（带式）转载机及带式输送机等装备实现。这 2 种运输方式各有利弊，均有其适合的应用 场所[12]。但不论哪种运输方式，运输系统中均包括大量机械设备。在煤矿智能化发展过程中，需通过各类传感器感知各机械设备的工况信息，通过摄像仪监控现场状态，并进行设备间协同作业，这对通信网络的性能提出很高要求。
矿井现有的4G、WiFi 等无线通信技术存在一定的性能缺陷，难以完全满足煤矿智能化建设的需 求[13-15]。近年来，随着 5G 技术在地面公网大规模商 用[16-20]，5G 产业链已逐步完善。在中国移动等3大运营商、华为/中兴等设备制造商及中煤科工集团等行业内企业的共同努力下，5G 技术在煤矿逐步得到推广应用，成为推动煤矿智能化发展的关键技术之 一。为提高巷道掘进和煤矸运输效率，更好地利用 5G 网络优越的传输性能，本文探讨了 5G 技术在掘进工作面运输系统中应用的必要性和可行性，给出了掘进工作面运输系统 5G 网络架构等，以期为煤矿掘进工作面智能化发展提供可靠的通信基础。
1 掘进工作面运输系统通信网络存在的问题
（1） 网络接入能力不足。在掘进工作面运输系统运行过程中，需通过大量不同类型的传感器对运输设备（包括破碎机、转载机、梭车、带式输送机）和供电设备的工作状态、环境状况（包括各类气体浓 度、温度、顶板压力等）进行监测，并通过网络将监测信息及时、可靠地传输到井下控制台或地面控制中心，以供分析应用。目前掘进工作面常用的 4G 等通信技术难以满足大量感知节点接入需求。
（2） 传输可靠性低。掘进工作面包括掘进、支护、钻锚、运输等环节，这些环节由不同的单机设备完成。随着煤矿智能化建设的推进，需要通过装备成套化、监测数字化和控制自动化等技术，使各环节单机设备按照一定的空间、时间关系协同完成作业。同时，随着掘进工作面少人化/无人化的发展，作业人员需远程遥控工作面的设备。设备远程遥控、设备间协同作业的实现依赖于相关指令的及时、可靠传输，目前掘进工作面通信系统的传输可靠性难以满足应用需求。
（3） 传输带宽不足。掘进工作面有大量机械设备，需安装大量摄像仪进行监控，如利用红外摄像仪实时监控掘进情况及巷道成型情况；在钻锚部位安装摄像仪，实时监控现场设备运转情况；在运输转载点或关键点，利用高清摄像仪监控设备实时工况。视频信号传输需占用大量网络带宽，而目前矿井常用的 4G（上行速率为 50 Mbit/s，下行速率为 100 Mbit/s）、 WiFi（速率为 300 Mbit/s）均难以提供足够的传输带宽。
2 应用 5G 技术的必要性和可行性
2.1 必要性
掘进工作面运输环境恶劣，存在瓦斯超限、冒顶、片帮、人机碰撞等隐患，严重危及工作面作业人员的安全，掘进作业时产生的粉尘对作业人员的身体健康也极为有害。因此，有必要对掘进工作面运输系统进行智能化改造。
掘进工作面是一个不断移动的工作场所，光纤通信存在光纤易损坏且移动不便的问题，采用无线通信代替光纤连接是必然之选。但是矿井目前常用的无线通信技术主要为 4G 和 WiFi，两者在用户峰值速率、可靠性、时延、连接数密度等方面均存在不足，难以满足掘进工作面运输系统数据传输与处理需求，有必要采用性能更好的矿用无线通信技术。
2.2 可行性
5G 技术是当前最先进的移动通信技术，具备大带宽（用户体验速率达 1 Gbit/s）、低时延（低至 1 ms）、广接入（用户连接能力达 100 万连接/km2）等特征。将 5G 技术应用于掘进工作面运输系统，可解决当前掘进工作面运输系统所面临的接入能力不足、可靠性低及带宽不足等通信问题。随着 5G 产业链的完善及矿用 5G 通信技术的发展，5G 技术已具备在掘进工作面安装应用的条件。
2.2.1 5G 系统的性能
矿用 5G 技术来源于地面 5G 通用技术，由于矿用 5G 应用场景不同，对 5G 核心网、基站等主要网元进行了优化，虽然牺牲了部分性能，但降低了系统的建设成本、设备功耗及射频输出功率，使其更符合矿井应用的特殊要求。经过优化设计的矿用 5G 系统性能指标达到预期，完全能够满足当前煤矿智能化建设对无线通信系统的需求。
矿用 5G 系统的主要技术指标如下：系统峰值速率为 1 Gbit/s 以上，最高可达 20 Gbit/s；用户峰值速率可达下行 800 Mbit/s，上行 200 Mbit/s，并可根据需要配置成帧结构为 3U1D 的超级上行模式；室内基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）与井下 5G 基站之间的拉远距离支持至少 10 km；井下 5G 基站覆盖距离不小于 400 m；端到端时延小于 10 ms；传输可靠性为 99.99%；系统用户接入数大于 20 000。
2.2.2 5G 终端的支持
5G 通信网络的建设为 5G 应用提供了技术基础，通过 5G 通信模组可实现掘进工作面各类设备的接入。5G 通信模组目前已较为成熟，可选方案较多，如ZM9011通信模组采用标准的 M.2 封装，可支持 5G/4G 频段高速接入，其理论下行速率为 1 Gbit/s， 上行速率为 100 Mbit/s，完全可满足煤矿应用需求。将 5G 通信模组与井下设备、摄像仪、传感器相结合，形成丰富的 5G+无线终端设备，可应用于视频监控、井下机器人/无人机、工业互联等多种行业应用场景，实现井下各类设备的高质量无线网络接入。目前，矿用 5G 通信模组已有部分厂家取得矿用产品安全标志证书并用于煤矿井下。
5G 客户终端设备（Customer Premise Equipment， CPE）可实现 5G、WiFi、以太网及 RS485 等信号的接入及转换，可为具有 4G、WiFi 或 RS485 接口的设备接入 5G 网络提供路由，保障了矿井原有投资。目前 5G 手机、CPE 等已有厂家取得矿用产品安全标志证书，具备了在煤矿井下使用的条件，为 5G 在井下的应用提供了设备支持。
3 5G 技术的矿用化
5G 技术商用化以来，煤炭行业一直是 5G 行业应用落地的重点行业。5G 设备的矿用化改造重点解决了以下问题。
（1） 建立了矿用 5G 网络架构。地面主要由 5G 核心网、服务器、基站等组成，其中 5G 核心网针对行业应用特点进行了优化，并且有用户面功能（User Plane Function，UPF） /移动边缘计算（ Mobile Edge Computing，MEC）下沉和独立专网建设 2 种方案可供选择，矿井可根据实际需要进行选择。井下采用多级有源分布式无线覆盖解决方案，包括 BBU、远端汇聚站（Remote Radio Unit Hub，RHUB）、远端射频单元（ pico Remote Radio Unit， pRRU） （含板状天线）等设备，很好地适应了矿井巷道长度大、分支多的特点，满足了井下 5G 信号覆盖需求。
（2） 针对 5G BBU，RHUB，pRRU 等设备功耗大的问题，对其结构进行了优化设计，并设计了散热装置，使其符合 GB 3836−2010《爆炸性环境》中对矿用产品表面温度的规定。
（3） 解决了 5G 基站多路射频输出与天线增益叠加后射频功率超标的问题，使射频输出功率不超过 6 W。2018 年，首批符合煤矿安全、性能要求的 5G 产品已经取得矿用产品安全标志证书，标志着 5G 技术可以安全、合规地应用于煤矿井下。目前国内已有华阳集团新元公司、鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司等应用了矿用 5G 系统，取得了较好的应用效果。
4 5G 技术在掘进工作面运输系统中的应用
4.1 掘进工作面运输系统
5G 网络架构掘进工作面运输系统 5G 网络包含 5G 核心网、BBU、5G 基站（含天线）、5G CPE 等设备，如图 1 所 示。
5G 核心网安装于地面机房中，通过光纤网络或切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）等与井下 5G 基站连接。5G 基站、5G CPE 及其天线可根据设备型式和安装条件等，灵活部署在掘锚一体机或巷道合适位置上。矿用高清摄像仪、传感器及电气控制系统可通过 5G CPE 接入 5G 网络。掘进工作面长度一般为2 000～8 000 m，以 5G 基站覆盖半径为 400 m 计算 ， 3～ 10个基站即可实现掘进工作面 5G 信号的全覆盖。5G 设备布置如图2所示。
4.2 掘进工作面运输系统 5G 网络功能
（1） 各类感知设备接入。为保证掘进工作面运输顺利进行，需要安装大量传感器，这些传感器因出自不同厂家、采用不同技术而难以互联互通。矿用 5G 网络及 5G 通信模组、5G CPE 的应用，可为各类传感设备提供高可靠、低时延、广接入的通信平台， 原有传感器中可方便地加入 5G 通信模组或利用 5G CPE 进行路由转接。5G CPE 支持 5G、WiFi、以太网 及 RS485/CAN 等协议或接口，可方便地进行各种协议转换。将各类传感设备统一接入 5G 通信平台，使得各类信息能在设备间互联互通并加以综合利用， 对掘进工作面运输系统智能化发展具有促进作用。
（2） 高清视频监控。借助 5G 大带宽、低时延的特性，可实现掘进工作面运输系统各环节的高清视频监控。通常在掘锚一体机前端安装 2 台红外热像仪，实现截割断面轮廓监视；在掘锚一体机前后部各安装 1 台全景摄像仪，实现对掘锚一体机的整体监控；在锚杆钻车上安装 2 台全景摄像仪，实现对锚杆钻车前后及钻臂的视频监控；在刮板输送机、转载机 和刚性输送带的搭接处各安装 1 台高清摄像仪，实现对转载点的视频监控；在集控室前后各安装 1 台摄像仪，监控设备侧面情况；在易发生堆煤的地点安装高清摄像仪，实时采集带式输送机图像并通过人工智能（Artificial Intelligence，AI）进行分析，判断是否发生堆煤。
通过摄像仪采集井下高清视频数据，利用 5G 网络和工业环网组成的高速网络，将高清视频实时传输到后台，可实现对掘锚一体机、转载机、带式输送机等关键点信息的自动识别，通过 AI 分析视频图像，可及时发现现场设备工作状况是否正常，实时输出分析结果并进行遥控或预警。
（3） 远程集中控制。5G 网络可为掘进工作面运输系统集中控制提供可靠的通信平台。建立掘进工作面地面集控中心，并在掘进工作面自移机尾附近建立区域集控中心，通过 5G 网络将掘进工作面掘锚一体机、配套运输设备（破碎机、带式输送机）、供配电设备的状态及人员、环境、关键点视频、进尺/进度等关键数据实时传送到地面集控中心及区域集控中心，集控中心对信息进行存储、分析，并根据需要对相关设备进行远程控制及协同管理，保障掘进工作面运输系统安全可靠运行。
5 结语
掘进工作面运输系统智能化建设中面临着传输接入能力不足、传输可靠性低及传输带宽不足的问题，现有 4G、WiFi 等常用矿用无线通信技术难以完全满足现场应用需求。5G 技术具有大带宽、低时延、高可靠、广接入的特性，5G 设备已经完成矿用化设计并取得了一定的应用效果，其性能可满足掘进工作面运输系统智能化建设要求。矿用 5G 通信模组、5G CPE 为掘进工作面各类设备及传感器接入 5G 网络提供了设备支持，有利于实现设备间的互联互通及对信息的综合利用，对掘进工作面运输系统智能化发展具有促进作用。但 BBU、5G 基站等设备功耗较大，其矿用产品大多设计成矿用隔爆型，体积大且笨重，给现场安装施工带来不便。在下一步的研究中，一方面，需要进一步优化隔爆型 5G 井下设备的电路、结构及散热设计，降低设备的功耗，减小质量和尺寸，使其更便于安装应用；另一方面，需要开发、研制矿用本质安全型 5G 设备。