摘要：運(yùn)用5G新技術(shù)賦能煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，能夠提升自動化、智能化水平，降低資源消耗，保障安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)質(zhì)量、效率和動力方面的變革。該文就5G通信技術(shù)在綜采工作面方面的應(yīng)用展開了相關(guān)研究，通過深入分析井下采煤工作面的難點(diǎn)，致力于為煤炭企業(yè)打造新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，延展產(chǎn)業(yè)與價(jià)值鏈，開拓新的盈利增長空間。

關(guān)鍵詞：5G通信技術(shù)；綜采工作面；應(yīng)用；研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.050

中圖分類號：TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Research on the Application of 5G Communication Technology

in Fully Mechanized Mining Faces

LAN Wei， ZHANG Tao

（Shaanxi Zhiyin Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China）

Abstract： Empowering the transformation and upgrading of the coal industry with 5G new technology can improve automation and intelligence levels， reduce resource consumption， ensure safe production， and achieve changes in the quality， efficiency， and power of the coal industry. This article conducts relevant research on the application of 5G communication technology in fully mechanized mining faces. Through in-depth analysis of the difficulties in underground coal mining， we are committed to creating new economic growth points for coal enterprises， extending the industry and value chain， and exploring new profit growth opportunities.

Keywords： 5G communication technology; fully mechanized mining face; application; research

在數(shù)字化時(shí)代的浪潮中，5G技術(shù)以其高速率、低延遲和廣連接的獨(dú)特優(yōu)勢，引領(lǐng)著全球通信技術(shù)的新革命。特別是在煤礦這一具有特殊工作環(huán)境和高安全要求的行業(yè)，5G技術(shù)的引入，預(yù)示著生產(chǎn)方式的變革，也為提升安全生產(chǎn)水平、促進(jìn)行業(yè)智能化升級提供了新思路。

1 5G通信技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用背景

1.1 煤礦智能化是大勢所趨

煤礦智能化轉(zhuǎn)型正隨著技術(shù)進(jìn)步而成為大勢所趨，代表了煤炭行業(yè)對高效、安全生產(chǎn)的追求。煤炭產(chǎn)業(yè)，歷史上因其工作環(huán)境的復(fù)雜性、事故災(zāi)難的頻發(fā)及惡劣的安全形勢，長期面臨生產(chǎn)效率低下和人員安全難以保障的雙重困境。2020年12月發(fā)布的《關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》，明確提出了建設(shè)少人無人智能化示范煤礦的目標(biāo)。煤礦智能化轉(zhuǎn)型成為推動能源科技創(chuàng)新、培育轉(zhuǎn)型升級新動能的戰(zhàn)略任務(wù)。

1.2 智能綜采工作面是智能礦山建設(shè)核心

傳統(tǒng)的綜采工作面依賴有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，在某種程度上限制了生產(chǎn)效率的提升和安全生產(chǎn)的保障。隨著5G通信技術(shù)的引入，智能綜采工作面實(shí)現(xiàn)了從有線到無線的巨大跨越，為煤礦生產(chǎn)提供了更為靈活、高效的通信解決方案。中國聯(lián)通的改革嘗試為智能綜采工作面的發(fā)展提供了新的思路。通過在工作面部署“1個(gè)核心控制系統(tǒng)加9個(gè)子系統(tǒng)”的模式，將傳統(tǒng)的綜采設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，實(shí)質(zhì)上將整個(gè)綜采工作面轉(zhuǎn)化為一個(gè)高度自動化的大型機(jī)器人。大型機(jī)器人的“大腦”，即綜采工作面自動化順槽集中控制系統(tǒng)，能夠接收操作人員通過人機(jī)交互發(fā)出的各項(xiàng)指令，實(shí)現(xiàn)對采煤作業(yè)的指揮、井下調(diào)度及一鍵啟停，同時(shí)對采煤工作面的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。組成的子系統(tǒng)則像是機(jī)器人的四肢，負(fù)責(zé)執(zhí)行對運(yùn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[1]。

5G通信技術(shù)的應(yīng)用，就如同為大型機(jī)器人搭建了一條信息傳輸?shù)母咚俟?，確保操作指令可以高速、可靠地傳遞至控制器，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)精確控制。大幅提升了綜采工作面的操作效率和安全性，使得操作人員可以在更安全的位置——井上或硐室進(jìn)行作業(yè)控制，有效保障了礦工的生命安全。智能綜采工作面的建設(shè)，是煤礦生產(chǎn)向智能化、自動化方向邁進(jìn)的重要一步，代表了煤炭行業(yè)對高效安全生產(chǎn)的追求，也是智能礦山建設(shè)理念在實(shí)踐中的具體體現(xiàn)。

1.3 5G﹢綜采工作面實(shí)現(xiàn)煤礦顛覆性變革

5G技術(shù)與綜采工作面的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤礦領(lǐng)域的顛覆性變革，深刻影響了煤礦的生產(chǎn)方式和工作環(huán)境。以往惡劣的煤礦作業(yè)環(huán)境不僅對工人的身體健康構(gòu)成威脅，尤其是長期暴露在井下作業(yè)環(huán)境中可能引發(fā)呼吸道職業(yè)病，同時(shí)，傳統(tǒng)的采煤方式需要工人直接對綜采工作面的設(shè)備進(jìn)行手動操作，勞動強(qiáng)度大，而且存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。5G技術(shù)被引進(jìn)后，憑借其高速的下行和上行速率、廣泛的連接能力以及低延遲的特性，徹底改變了這一狀況。通過對綜采設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動化控制，5G+綜采工作面極大地提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)顯著降低了工人的勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 5G通信技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用體系構(gòu)建

針對煤礦綜采工作面，必須研究并設(shè)計(jì)一套新一代的高可靠、智能化5G通信體系，為煤礦智能開采提供堅(jiān)實(shí)的通信支撐。體系通過完成典型使用環(huán)境的驗(yàn)證，確保系統(tǒng)在煤礦井下這一特殊且惡劣環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也保證了系統(tǒng)操作的簡便性。體系要遵循《煤礦5G通信系統(tǒng)安全標(biāo)志管理方案（試行）》和《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》的相關(guān)要求，構(gòu)建一套完整的煤礦智能開采5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此外，通過采用5G作為煤礦井下的網(wǎng)絡(luò)承載，開發(fā)了軟件固化的5G基站、核心網(wǎng)、采集終端設(shè)備，提高無線通信系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的服務(wù)能力，形成一套完善的技術(shù)和軟件，全面滿足了煤礦工作面智能開采的需求。通信體系的設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)的整體性和開放性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮各個(gè)系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)及整合，以提高系統(tǒng)的整體利用效率，公開各種通信協(xié)議接口，保證系統(tǒng)間具有良好的互聯(lián)、互操作能力。此外，體系的可靠性特別針對煤炭生產(chǎn)對安全生產(chǎn)的特殊要求，必須選用高可靠設(shè)備，同時(shí)采用國際上先進(jìn)的5G通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，為滿足煤礦工作面智能開采的需求提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[2]。

3 5G通信技術(shù)在綜采工作面應(yīng)用的價(jià)值

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

在煤礦綜采工作面引入5G通信技術(shù)，帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯著而且多方面的，徹底改變了傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)模式。借助5G的大帶寬、低時(shí)延特性，煤礦工作面的通信體系實(shí)現(xiàn)了從有線到無線的躍進(jìn)，直接對成本控制產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響iCW+2mc9i0XMCgNhSaszUQ==。傳統(tǒng)有線通信方式在部署工作面時(shí)耗時(shí)長，成本高，5G技術(shù)的應(yīng)用顯著降低了時(shí)間成本。特別是在井上調(diào)測和井下部署環(huán)節(jié)，無線傳輸方式的高效性減少了煤礦對時(shí)間成本的消耗，提高了整體作業(yè)效率。

此外，煤礦工作面在切換地點(diǎn)過程中，原有的數(shù)據(jù)傳輸線纜頻繁遭受破損，維修和更換成本極高，且因施工導(dǎo)致的工期延誤等間接損失更是巨大。5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用，有效避免了這類成本浪費(fèi)，減少了對昂貴線纜的依賴，同時(shí)顯著縮短了施工工期，提升了生產(chǎn)效率。

采用5G通信技術(shù)后，煤礦設(shè)備如液壓支架等可直接與5G基站通信，省去了中間連接設(shè)備和線纜，進(jìn)一步降低了成本。更為重要的是，5G技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了煤礦工作面的減員增效，通信維護(hù)人員數(shù)量大幅減少，人力成本得到了有效節(jié)約。同時(shí)，智能化綜采的生產(chǎn)過程中設(shè)備自主感知運(yùn)行和智能控制成為主流，減少了人工作業(yè)，降低了職工勞動強(qiáng)度，提升了生產(chǎn)效率。通過5G技術(shù)，煤礦工作面原有的有線通信體系網(wǎng)絡(luò)開通、部署、維護(hù)、升級的難度和成本得到了顯著降低，同時(shí)簡化和強(qiáng)化了井下組網(wǎng)架構(gòu)，提高了帶寬，降低了時(shí)延，整體建設(shè)、使用、維護(hù)效率得到提升。

3.2 社會效益

5G通信技術(shù)在綜采工作面的運(yùn)用標(biāo)志著煤礦開采技術(shù)的創(chuàng)新，為工人提供了更為安全、高效的工作環(huán)境。5G通信技術(shù)的推廣應(yīng)用減少了礦工在惡劣環(huán)境中的工作頻率，降低了設(shè)備故障的發(fā)生率，從而保障了從業(yè)人員的安全與健康。同時(shí)，5G技術(shù)的應(yīng)用還顯著提升了煤炭工業(yè)的科技裝備水平，不僅增強(qiáng)了行業(yè)的自信心和自豪感，也提高了煤礦職工的社會地位，助力煤礦從勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)型，增強(qiáng)了礦工和企業(yè)的榮譽(yù)感。此外，5G技術(shù)的引入為工作面的無線傳輸開辟了新途徑，推動了綜采裝備技術(shù)水平和礦井自動化水平的全面升級，對于構(gòu)建安全型礦井具有重大的意義[3]。

4 5G通信技術(shù)在綜采工作面應(yīng)用關(guān)鍵

技術(shù)分析

4.1 提高可靠性

基站利用終端設(shè)備的雙頻異頻技術(shù)，構(gòu)建雙鏈路保護(hù)，顯著增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕研?。通過一體化設(shè)計(jì)，將核心網(wǎng)、BBU、RRU等產(chǎn)品集成于單個(gè)物理設(shè)備中，大幅減少了故障節(jié)點(diǎn)，從而簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。在終端設(shè)備的設(shè)計(jì)上，采用小型化策略，通過芯片級的設(shè)備和減少不必要的元器件，實(shí)現(xiàn)了5G模組與工作面通信設(shè)備的高效集成。軟件層面的可靠設(shè)計(jì)，如預(yù)調(diào)度、控制解調(diào)門限、定制特殊波形以及小區(qū)合并技術(shù)，進(jìn)一步確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?G NR的免授權(quán)調(diào)度簡化了鑒權(quán)過程，有效減少了鑒權(quán)時(shí)間，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和高效性。mini-Slot技術(shù)作為URLLC的時(shí)間資源單位，通過采用mini-Slot進(jìn)行調(diào)度，極大縮短了數(shù)據(jù)的傳輸和處理時(shí)延，提升了響應(yīng)速度?；贑BG的HARQ重傳機(jī)制優(yōu)化了重傳效率和時(shí)效，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)，通過多BWP選擇，能夠規(guī)避帶寬內(nèi)的干擾，終端根據(jù)干擾情況選擇使用干擾較低的BWP，并在必要時(shí)切換工作的BWP，進(jìn)一步增強(qiáng)了通信的可靠性。

4.2 提高抗干擾能力

井下環(huán)境復(fù)雜，尤其是粉塵多的情況下，干擾問題較為突出。為了有效消除組網(wǎng)中潛在的強(qiáng)干擾，可采用虛擬小區(qū)技術(shù)和更加嚴(yán)格的資源及干擾管理方案。虛擬小區(qū)技術(shù)通過其獨(dú)特的傳輸機(jī)制，在拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中很好地抑制了干擾。同時(shí)，通過SSB跳頻技術(shù)提升了終端的同步能力，進(jìn)一步通過CORESET和SearchSpace來進(jìn)行控制信道的抗干擾處理。這些措施共同提升了5G通信在綜采工作面的性能，確保了通信的穩(wěn)定可靠，從而為煤礦的安全生產(chǎn)和高效運(yùn)營提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

4.3 完善井下工作面5G網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)規(guī)劃部署

在完善煤礦綜采工作面的5G網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)規(guī)劃部署中，必須堅(jiān)持“統(tǒng)一規(guī)劃、安全經(jīng)濟(jì)、全面覆蓋、精細(xì)設(shè)計(jì)”的原則。確保5G網(wǎng)絡(luò)能夠高效、安全地服務(wù)于煤礦的特定需求。首先，無線頻段的選擇關(guān)乎網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和穿透力，采用2.6 GHz和3.5 GHz TDD模式的5G無線頻率，因帶寬大、頻率相對較低的特點(diǎn)而具有良好的穿透力，而且產(chǎn)業(yè)鏈完善、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。其次，無線基站的選型注重小型化、高集成度和低功耗，易于部署和維護(hù)，同時(shí)考慮到雙頻異頻及雙鏈路備份保護(hù)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活性。在組網(wǎng)方式上，采用雙網(wǎng)雙平面的策略，進(jìn)一步強(qiáng)化了工作面網(wǎng)絡(luò)的健壯性。最后，對于核心網(wǎng)的建設(shè)，小型化、低功耗的設(shè)計(jì)理念同樣適用，確保了網(wǎng)絡(luò)的易維護(hù)性和易部署性。

4.4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

5G通信技術(shù)在煤礦綜采工作面的技術(shù)創(chuàng)新展示出多方面應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。

（1）通過創(chuàng)新煤礦綜采面設(shè)備的分布式協(xié)同控制技術(shù)，基于智能感知、智能決策、智能控制等理論，研究和實(shí)現(xiàn)了基于多源數(shù)據(jù)融合的分布式協(xié)同控制策略。

（2）針對煤礦工作空間狹小的特點(diǎn)，構(gòu)建的5G通信網(wǎng)絡(luò)克服了傳統(tǒng)井下通信的局限，通過建立無線信道路徑損耗和多徑衰落模型，精確揭示了電波傳播的衰減特性和傳輸機(jī)理。選擇最佳的傳輸頻帶參數(shù)，使用礦用隔爆兼本安型基站和通信終端設(shè)備組網(wǎng)，構(gòu)建了一個(gè)安全、簡潔且可靈活擴(kuò)展的通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）所構(gòu)建的5G通信網(wǎng)絡(luò)具備以下技術(shù)優(yōu)勢：高可靠性確保了無單點(diǎn)故障影響，滿足工作面業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求；高度集成的設(shè)備簡化了改造和認(rèn)證過程；高安全性符合國家煤礦安全指標(biāo)；設(shè)備的小體積和輕重量便于部署；通過光纖環(huán)網(wǎng)連接，基站接傳輸設(shè)備能利用現(xiàn)有的光纖設(shè)備，通過光纖環(huán)網(wǎng)的自愈功能實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和魯棒性。

（4）一體化設(shè)備的低成本特性，在部署和維護(hù)成本上均較傳統(tǒng)5G分布式基站更為經(jīng)濟(jì)。

5 5G通信技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用前

景分析

在國家和相關(guān)地方政府的大力推動下，煤炭企業(yè)5G技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的實(shí)際部署和應(yīng)用測試已經(jīng)展開。5G技術(shù)在煤炭開采領(lǐng)域內(nèi)帶來的場景驅(qū)動特征十分明顯，其實(shí)施涵蓋了技術(shù)研發(fā)、供應(yīng)鏈優(yōu)化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、智能終端與應(yīng)用開發(fā)、以及商業(yè)化運(yùn)營等多個(gè)環(huán)節(jié)的一個(gè)完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)。5G技術(shù)的引入，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式相比，顯著提高了數(shù)據(jù)利用率，減少了延時(shí)，提高了可靠性，提升了經(jīng)濟(jì)效益。在煤礦井下惡劣的環(huán)境中，5G通信網(wǎng)絡(luò)能夠保障煤炭生產(chǎn)過程中信息的高效傳輸。探索5G技術(shù)在煤礦的深入應(yīng)用，有助于加速煤炭行業(yè)的新舊動能轉(zhuǎn)換，推動煤炭企業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展邁進(jìn)。5G技術(shù)在煤礦綜采工作面應(yīng)用具有廣闊前景。

6 結(jié)束語

在如今數(shù)字化、智能化快速發(fā)展的背景下，5G技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著煤礦產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級邁出重要一步。隨著應(yīng)用的深入推進(jìn)，5G技術(shù)將引領(lǐng)煤礦行業(yè)邁上更高效、更安全、更綠色的發(fā)展道路。這也是當(dāng)前煤礦企業(yè)、技術(shù)供應(yīng)商需要共同努力的方向。

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