上海山源電子科技股份有限公司 景杰

為了解決智能礦山在開采建設(shè)中的安全與應(yīng)用問題，并提升整體的應(yīng)用效果，對5G通信技術(shù)在智能礦山中的應(yīng)用進(jìn)行分析與研究。通過設(shè)立智能應(yīng)用目標(biāo)跟蹤，進(jìn)行5G通信技術(shù)下雙向應(yīng)用架構(gòu)的設(shè)計，同時，結(jié)合應(yīng)用架構(gòu)，利用5G IPRAN環(huán)網(wǎng)最終實現(xiàn)智能礦山中的應(yīng)用。最終的實例分析結(jié)果表明：在不同位置的測試礦井下，對比于未應(yīng)用5G通信技術(shù)的智能礦山應(yīng)用測試組，本文所設(shè)計的測試組最終得出的可控誤差相對較低，均在5%以下，表明應(yīng)用效果相對較好，具有實際的應(yīng)用意義。

我國是礦山資源比較多的國家，這樣使得礦山企業(yè)逐漸成為我國經(jīng)濟(jì)的主要支柱之一[1]。隨著開礦工程數(shù)量的逐年增多，相對應(yīng)的礦山開采技術(shù)也得到了充分的創(chuàng)新與發(fā)展，因此，安全、高效、環(huán)保和綠色便成為我國礦山開采的主要目標(biāo)[2]。在進(jìn)行開采的過程中，通常會涉及較多的關(guān)聯(lián)性技術(shù)，部分細(xì)節(jié)處也需要作一定的關(guān)聯(lián)。比如礦產(chǎn)資源的開采、井下無線通信、自適應(yīng)生產(chǎn)、遠(yuǎn)程操控等，這些工作的執(zhí)行與控制對于最終的礦山開采效果均會造成極為嚴(yán)重的影響[3]。隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)與完善，5G技術(shù)在智能礦山的工作中實現(xiàn)了高質(zhì)量的應(yīng)用，存在的限制條件更少，對于控制信號的處理與傳送效果效果也更佳。

目前我國在智能礦山中最為常用的通信技術(shù)便是有線通信與無線通信，雖然可以完成智能礦山日常工作的目標(biāo)和任務(wù)，實現(xiàn)執(zhí)行信號的傳輸與共享，但在實際應(yīng)用的過程中，仍然存在延時長、穩(wěn)定性差等缺點[4]。當(dāng)將5G技術(shù)應(yīng)用在工作中時候，傳統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)受到了極大地沖擊，5G技術(shù)可以幫助操作者計算出更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，同時在復(fù)雜的礦山處理環(huán)境之下，還可以結(jié)合大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等平臺，進(jìn)一步降低存在的應(yīng)用誤差，形成更為完整、系統(tǒng)以及全面的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，為智能化礦山生產(chǎn)奠定堅實的基礎(chǔ)[5]。因此，對5G通信技術(shù)在智能礦山中的應(yīng)用進(jìn)行具體的分析與探究。在較為真實的環(huán)境之下，結(jié)合5G通信技術(shù)，再加上互聯(lián)網(wǎng)處理平臺的輔助，最大程度地發(fā)揮作用，依據(jù)應(yīng)用高效、延時短、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，形成更加貼合實際的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升整體的應(yīng)用效果，幫助智能礦山以及相關(guān)行業(yè)邁入新的發(fā)展臺階。

1 5G通信技術(shù)在智能礦山中的應(yīng)用探析

1.1 智能應(yīng)用目標(biāo)跟蹤設(shè)立

跟蹤設(shè)立實際上是一種多層級的目標(biāo)設(shè)立模式，主要是依據(jù)實際的應(yīng)用情況，結(jié)合對應(yīng)的傳輸技術(shù)，形成的具有跟蹤性的目標(biāo)設(shè)立。此種目標(biāo)設(shè)立方式實際上更加符合智能礦山的應(yīng)用模式。這主要是因為跟蹤目標(biāo)的設(shè)立可以隨時調(diào)整更改，這樣在一定程度上便可以盡量降低應(yīng)用的誤差與問題，達(dá)到成本控制的目的。結(jié)合5G通信技術(shù)，以及三維模擬技術(shù)，創(chuàng)建較為真實的應(yīng)用環(huán)境，并對涉及的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對應(yīng)地還原[6]。完成之后，將三維模型與智能礦山控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，設(shè)定一致執(zhí)行范圍，對礦山實際的生產(chǎn)情況以及工程進(jìn)度依據(jù)特殊的形式進(jìn)行匯總整合，實現(xiàn)跟蹤和動態(tài)化管控設(shè)定。為了確保目標(biāo)的跟蹤范圍合理，進(jìn)行通信覆蓋延伸，同時，擴(kuò)大信號的傳輸距離，計算出雙向跟蹤距離，具體如公式(1)所示：

1.2 5G通信技術(shù)下雙向應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計

智能礦山其實在實際應(yīng)用的過程中，為工程的實施以及指令的執(zhí)行提供了極大地便利，同時也在整體上增強(qiáng)礦山開采地實際效率[7]。而5G通信技術(shù)主要是對無線傳輸技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行雙向控制的系統(tǒng)性通信傳輸技術(shù)。所以在應(yīng)用的過程中，可以將初始的開采執(zhí)行架構(gòu)作為基礎(chǔ)，創(chuàng)建一個完整靈活的應(yīng)用架構(gòu)，具體如圖1所示：

圖1 5G通信技術(shù)下雙向應(yīng)用架構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the two-way application architecture under 5G communication technology

由于5G技術(shù)自身具有一定的雙向性，這在應(yīng)用的過程中可以形成更加符合面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，所以，采用同一多載波的頻譜，設(shè)定在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制區(qū)域之中，形成關(guān)聯(lián)性的天線傳輸列陣，此時，在發(fā)送相關(guān)的設(shè)備執(zhí)行信號時，可以進(jìn)行信號的加密與擴(kuò)展，確保信號的精準(zhǔn)性以及單獨性，整個架構(gòu)不僅擴(kuò)大了雙向傳輸?shù)牟ㄩL范圍，同時也提高了應(yīng)用過程中的傳輸速率，避免信號的傳輸交疊，進(jìn)一步完善了整個應(yīng)用架構(gòu)。

1.3 5G IPRAN環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)智能礦山中的應(yīng)用

在5G技術(shù)中，IPRAN環(huán)網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)循環(huán)比照單點處理網(wǎng)。在礦山工程實施的過程中，將5G技術(shù)IPRAN環(huán)網(wǎng)與智能礦山相關(guān)聯(lián)，分析提取存在的單點礦山故障問題，通過環(huán)形組網(wǎng)的比照模式，來制定具有針對性的應(yīng)用方案，進(jìn)一步解決通信問題。可以先利用5G技術(shù)IPRAN環(huán)網(wǎng)創(chuàng)建交換應(yīng)用結(jié)構(gòu)，將智能礦山工程以三維模型的形式添加在結(jié)構(gòu)之中，構(gòu)建更大面積的井下萬兆環(huán)網(wǎng)，并依據(jù)實際的處理需求，將平滑系數(shù)重新調(diào)整，如果礦山應(yīng)用面積較小，平滑系數(shù)可以設(shè)定在3萬以下，反之，如果礦山應(yīng)用面積較大，平滑系數(shù)可以逐漸向5萬過渡。利用環(huán)網(wǎng)進(jìn)行智能礦山的接地工作，實現(xiàn)多設(shè)備的雙向控制，采用多余纖芯預(yù)留和過路纖芯直熔的方式，設(shè)計智能礦山抗災(zāi)預(yù)警結(jié)構(gòu)，以此來進(jìn)一步確保5G技術(shù)在智能礦山中的安全應(yīng)用，提升綜合的應(yīng)用效果，推動我國礦山行業(yè)不斷創(chuàng)新與完善。

2 實例分析

本次實驗對Q礦山的工程應(yīng)用效果進(jìn)行驗證與分析。選取Q礦山一個特定的區(qū)域作為本次測試的對應(yīng)目標(biāo)，同時實例分析在較為真實的環(huán)境之下進(jìn)行，依據(jù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，得出最終的分析結(jié)果。

2.1 Q礦山工程現(xiàn)狀分析

Q礦山位于我國西北地區(qū)，礦山的實際面積較大，且地勢環(huán)境十分復(fù)雜，Q礦山地勢嚴(yán)峻陡峭，山下分離河流，礦產(chǎn)資源經(jīng)過勘測集中在礦山的中部區(qū)域。在Q礦山工程建設(shè)的過程中，智能礦山網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出星形布局，同時，相對應(yīng)的礦山預(yù)設(shè)線纜也與控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)。不僅如此，由于礦山的環(huán)境十分糟糕，這樣使得在工程建設(shè)的過程中，存在較多的阻礙與困難。其中最為嚴(yán)重的便是執(zhí)行指令信號傳輸?shù)膯栴}。通常情況下，在日常的開采過程中，都需要大型設(shè)備的支持與輔助，這樣才能大型礦石處理與應(yīng)用，但是由于外部因素的影響，再加上內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，使得執(zhí)行信號在傳輸?shù)倪^程中，時常會出現(xiàn)延時或者誤差問題的出現(xiàn)，這些情況雖然不會對開采工程造成較大的影響，但是在實際應(yīng)用的過程中，會拉低對應(yīng)的工作質(zhì)量和效率，產(chǎn)生一定的關(guān)聯(lián)性損失。

這種模式還極容易造成智能礦山的單點故障，使部分設(shè)備突然處于離線的狀態(tài)，造成工程進(jìn)度拖拉。礦區(qū)井下的處理一般會關(guān)聯(lián)無線網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)等平臺進(jìn)行控制與執(zhí)行，在這樣多網(wǎng)并聯(lián)的情況下，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)無法將信號及時而又精準(zhǔn)地傳送到預(yù)設(shè)的系統(tǒng)，同時還會造成網(wǎng)絡(luò)混亂。由于網(wǎng)絡(luò)的承載力較差，Q智能礦山的多通訊協(xié)議共存也不能及時完成。形成較為糟糕的應(yīng)用現(xiàn)狀。所以，在上述現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，需要對Q礦區(qū)5G技術(shù)在智能礦山中的應(yīng)用進(jìn)行更為具體的分析與研究。

2.2 實例驗證

通過對上述Q礦區(qū)智能礦山的應(yīng)用現(xiàn)狀的分析后，進(jìn)行具體的實例驗證。依據(jù)實際的應(yīng)用需求和工程執(zhí)行情況，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的更改與調(diào)整，具體如表1所示：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，最終完成對Q礦區(qū)智能礦山指標(biāo)更改、調(diào)整。完成之后，接下來，將5G通信傳輸平臺與Q礦區(qū)的智能礦山處理平臺相關(guān)聯(lián)，計算出雙向執(zhí)行指令的多維系數(shù)，具體如公式(2)所示：

表1 Q礦區(qū)智能礦山指標(biāo)更改、調(diào)整表Tab.1 Change and adjustment table of intelligent mine index in Q mining area

公式(2)中：K表示雙向執(zhí)行指令的多維系數(shù)，β表示時延系數(shù)，d表示密度傳輸誤差。通過上述計算，最終可以得出實際的雙向執(zhí)行指令的多維系數(shù)。將其設(shè)定在執(zhí)行的控制系統(tǒng)或者平臺之中，確保礦山指令執(zhí)行過程中，具備的一致性與穩(wěn)定性，增加應(yīng)用的可靠程度。隨后，需要對5G執(zhí)行指令的標(biāo)準(zhǔn)值以及關(guān)聯(lián)比例進(jìn)行預(yù)設(shè)，具體如表2所示：

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)信息，最終可以完成對5G執(zhí)行指令標(biāo)準(zhǔn)值以及關(guān)聯(lián)比例的預(yù)設(shè)。完成之后，結(jié)合上述所設(shè)立的Q礦區(qū)智能礦山指標(biāo)數(shù)值，創(chuàng)建實際的應(yīng)用結(jié)構(gòu)與應(yīng)用模型，得出最終的Q礦區(qū)智能礦山的應(yīng)用結(jié)果，對其進(jìn)行分析與研究，具體如表3所示：

表2 5G執(zhí)行指令標(biāo)準(zhǔn)值以及關(guān)聯(lián)比例預(yù)設(shè)表Tab.2 5G execution instruction standard value and correlation scale preset table

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)信息，最終可以得出實際的實例分析結(jié)果：在不同位置的測試礦井下，對比于未應(yīng)用5G通信技術(shù)的智能礦山應(yīng)用測試組，本文所設(shè)計的測試組最終得出的可控誤差相對較低，均在5%以下，表明應(yīng)用效果相對較好，具有實際的應(yīng)用價值。

表3 Q礦區(qū)智能礦山應(yīng)用分析結(jié)果表Tab.3 Results of application analysis of intelligent mine in Q mining area

3 結(jié)語

綜上所述，便是對5G通信技術(shù)在智能礦山中的應(yīng)用的分析與研究。5G通信＋智能礦山的結(jié)合對于相關(guān)行業(yè)的發(fā)展既是機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)，對比于傳統(tǒng)的應(yīng)用模式，5G通信技術(shù)具有更強(qiáng)的靈活性和多變性。在礦山工作中，云計算與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，再加上智能礦山的對比，可以進(jìn)一步縮小應(yīng)用的誤差。5G技術(shù)可以關(guān)聯(lián)礦山中的設(shè)備，利用計算機(jī)實現(xiàn)更為高效地控制，避免出現(xiàn)大范圍的應(yīng)用誤差。不僅如此，5G技術(shù)的應(yīng)用一定程度上加快了安全生產(chǎn)管控一體化建設(shè)的進(jìn)程，形成產(chǎn)業(yè)集聚和項目牽引，形成新型的智慧礦山產(chǎn)業(yè)鏈，具有極大的現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)價值。