浅谈 5G 技术在智慧矿山建设中的应用前景
（国家能源投资集团国源电力有限公司准东二矿，新疆维吾尔自治区 昌吉回族自治州 831800）
摘 要：为全面提高我国煤矿生产技术水平，推动智慧矿山建设是提高煤炭工业质量必经之路。在煤炭行业智能化程度平均不高，尚处于发展的初级阶段的大环境下，针对井下感知困难、难以实现远程实时控制、智能决策效率低下、原有的 Wifi 和 4G 技术无法保证低延时高可靠等问题，第五代移动通信技术的出现为解决以上问题提供了技术依托。文章从 5G 技术的优势角度出发展望了基于 5G技术建设智慧矿山的广阔应用前景。
关键词：5G 技术；智慧矿山；建设；应用
引言
数字化、信息化技术在矿山行业中的应用为矿山生产的数字化管理提供了基础，促进了矿山行业自动化的发展，进一步提升了矿山的开采量和生产的安全性。5G 技术发展以来，自动化程度不断提高，矿山自动化监控系统的完善和综合自动化平台的建设促进了矿山生产的智能化，这表明矿山行业正快速的迈向智慧矿山时代。研究 5G 技术在矿山建设中的应用及前景，对解决矿山行业生产中的安全隐患有着重要的意义。
1.5G 关键技术综述
工业和信息化部办公厅于 2019 年 11 月 22 日发布了《“5G+工业互联网”512 工程推进方案》，5G 技术是新一代信息通信技术演进升级的重要方向，同时也是工业互联网是第四次工业革命的关键支撑，二者都是实现经济社会数字化转型的重要驱动力量。相较于传统的 4G技术以及 Wi-Fi 组网存在的移动性差、覆盖率低、频段干扰、带宽受限等劣势，5G 技术无论是应用规模、运行场景还是数据传输速率、时延管理、频谱效率、连接密度等关键性指标方面都有大幅度提升，基于此，全面推进 5G 技术的运行和升级，将为用户提供更加优质的体验[1]。相关白皮书中认为，5G 是大规模天线阵列与超密集组网体系组合而成的通信应用结构，内部涉及新型多址技术，能建立新型网络架构体系，具备连接千亿设备的能力，实现更加智能、高效的通信网络管理目标。
2.智慧矿山建设的要求
智慧矿山建设的第一要求，是解决过去矿山生产与企业管理之间的有线局域通信网络障碍问题，解决矿山企业各部门内部信息传递障碍问题。简言之，就是要解决矿山企业管理的信息孤岛问题。信息化、数字化的矿山技术在管理人持续的监控状态下，能够有效预防矿山生产的安全隐患，但在管理人休息、开会、出差的时候，一旦离开监控现场，就无法第一时间获得生产的监控信息，这些时段矿山生产仍旧存在较大的安全隐患。因此，整合矿山企业现有的监控系统，建立移动式信息化管理系统，是智慧矿山的根本要求，这就要求矿山企业建立智慧物联网。
3.智慧矿山 5G 网络关键技术的应用
上述涉及智慧矿山生产、运行和管理中的新方式、新手段，均依托于 5G 网络优异的性能和特点。因此，在构建智慧矿山用 5G 网络时，合理选择 5G 新技术，夯实网络质量、合理控制成本尤为重要。
3.1 无线系统技术
无线系统技术是信息化的最佳选择。应用 5G 技术搭建物联网，使手机可以在物联网范围之内进行网络信息的传输。5G 技术已被证明是迄今为止安全性最高的无线传输技术，在物联网范围之内，可实现对矿山信息系统的整合与集中管理，矿山企业的管理者在手机终端通过无线网络技术获取数字化信息，实现对生产的监控、平台的管理及运营管理等多项内容。相对于传统的无线技术，5G 技术的性能更加稳定，可适应更加恶劣的矿井作业环境，更大的带宽确保了矿井内部系统之间的信息数据实时传送的安全性和可靠性。一旦监控到安全隐患，无线系统将能够满足矿井各种突发灾害的通信部署[2] 。5G 技术的移动性更好地适应了矿山作业的特殊场景，它与公网融合后，矿企管理者在手机终端设备 App 就可获取矿山实时监测的场景，了解矿山生产的安全隐患。矿井内无线设备的终端还设置了特殊的防爆装置，提升了无线系统在矿井应用中的安全性。
3.2 超大带宽技术
图 1 智慧矿山 5G 网络切片架构
超大带宽是 5G 网络设计中最基本的性能指标，也是支撑智慧矿山应用超高清视频、海量传感器等新技术的基础。智慧矿山在构建 5G 网络时，需从多维度提升空口侧和网络侧带宽。智慧矿山 5G 网络切片架构如图 1 所示。
在空口侧，采用新型调制信道编码、大规模天线等技术，5G 峰值速率将达到 20 Gbps，相比 4G 提升 20 倍，满足智慧矿山中摄像头、无人机、传感器等多种数据采集终端的接人带宽需求。而在网络侧，5G前传网络接口由速率为 lo Gb—ps 的 cPRI 接口提升到速率为 25 Gbps的 ecPRI 接口。需要指出的是，5G 前传网络如果继续选择 CPRI 接口，速率将达到百 G 量级，极大提升建网成本。综合考虑业务需求和网络建设成本，3GPP 等国际标准组织对 BBu 功能进行了切分，将 4G 时代RRu 和 BBU 之问的 CPRI 接口重构为 eCPRI 接口。由于 ecPRI 接口具备统计复用能力，将百G 量级的cPRI承载5G 业务需求降低到25 Gbps，大幅压缩了数据带宽。伴随 4G 网络建设，支持 10G 速率、cPRI 接口的光模块已广泛部署，国产化程度高。而对于 25G 光模块，产业链目前存在灰光双纤双向、灰光单纤双向、彩光 CWDM、彩光 DWDM、彩光 LAN—WDM、彩光 MwDM 等多种方案，国产化有待提高。此外，位于 AAU 的 25G 光模块必须满足室外工业级温度要求，保证可靠性，对于无人机、自动驾驶、远程控制等智慧矿山应用场景尤其重要。对于5G 回传网络，带宽相比 4G 网络也大幅提升，回传接人层带宽由 GE／10GE 提升至 50GE、汇聚层带宽由 10GE／100GE 提升至 200GE／N 水100GE、核心层带宽由 10GE／100GE 提升至 200GE／N 半 100GE。其中，50GE 采用 PAM4 编码技术，重用 25G 光芯片，提升较低成本以实现速率翻倍；基于 FlexE 接口绑定技术，将若干 100GE 接口实现 N 术100GE 通路，灵活提供更高带宽；共享相干 wDM 产业链，依托 DwDM技术按需扩展单纤带宽。作为 5G 网络的基础能力，网络各环节带宽相比 4G 均有显著提升、新技术层出不穷。智慧矿山在 5G 网络应用中，应结合具体场景和业务需求，合理控制网络成本[3] 。
3.3 系统跟踪技术
智慧矿山建设的目标之一是实现对矿井内的实时跟踪与动态监控，即系统跟踪技术。系统跟踪需要解决矿山生产中的通信需求。首先，需要在矿井内安装智能监控设备，用于采集井下生产信息。其次，需要为境内的智能监控设备搭建信息运输渠道，连接各监控模块的通信，再将井下的信息通过物联网传输给井上。实时监控系统设计分为两部分，第一部分是对轨道车和无轨胶轮车的监控，第二部分是对运输环境的监控。这两部分的信息采集都需要应用 GPS 技术，而 GPS技术有必须应用分组无线服务技术。想要实现系统跟踪，就需要采用分组无线技术将 GPS 系统、GIS 系统与井下监控系统相连，实现井下监控目标信息的互通。
3.4 5G 数据通信组网技术
5G 数据通信组网技术是通过分组交换技术实现的组网建设，总段之间采用无线 IP 连接，各组网的 IP 可直接与广域网连接。井下生产监测系统应用 GPS 技术进行定位及采集地理信息，采集的信息通过局域网传输给综合管理平台，综合管理平台与广域网之间的连接实现了井下与井上更大范围通信网络的连接。矿山企业管理者的移动终端与综合管理平台通过广域网传递数据信息，实现数据通信，这样就可以实现井下数据与矿企管理者移动终端实时的网络通信及信息传输。
4.结束语
5G技术的大规模应用也将会是推进煤矿行业智慧矿山建设的重要转折点。5G 技术与大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术的结合也将逐一在煤矿落地，实现煤矿大数据的实时分析与决策支持。从“无人则安、少人则安”的治理原则出发，依靠科技的进步，才能真正实现煤炭行业工业质量的飞跃。
参考文献
[1]王国法，赵国瑞，胡亚辉.5G 技术在煤矿智能化中的应用展望[J].煤炭学报，2020，45（1）：16-23.
[2]孙继平，陈晖升.智慧矿山与 5G 和 WiFi6[J].工矿自动化，2019（10）.
[3]张海.5G 技术的研究现状及前景分析[J].通讯世界，2016（6）：64.
