5G技术在矿山智能化中的应用展望

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5G技术在矿山智能化中的应用展望

摘要:之前，由于矿山智能化开采在宽带、并发数量以及延时等方面受到传统无线通讯技术的影响，长期以来很难形成大的突破，最终使得大数据?人工智能?虚拟现实等先进技术难以应用到矿山开采中为智能化开采服务?5G技术以其大带宽?低延时和广连接的优势打通了不同应用场景间信息高效交互的通道，有利于重塑传统产业发展，助力数字化转型，牵引云计算?大数据?物联网?人工智能和移动应用的深度融合，创新应用和服务?鉴于此，本文就5G技术在矿山智能化中的应用展开探讨，以期为相关工作起到参考作用? 关键词:5G技术;矿山智能化;应用场景 1. 5G关键技术及优势 1.1 5G关键技术

面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案，5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面?在无线技术领域，大规模天线阵列?超密集组网?新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点;在网络技术领域，基于软件定义网络(Software Defined Network，SDN)和网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization，NFV)的新型网络架构已取得广泛共识?此外，基于滤波的正交频分复用(Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，F-OFDM)?滤波器组多载波(Filter Bank Multi carrier，FBMC)?全双工?灵活双工?终端直通(Device to Device，D2D)?多元低密度奇偶检验(Q-ary Low-density Parity-check，Q-aryLDPC)码?网络编码?极化码等也被认为是5G潜在关键技术[1]? 1.2 5G技术性能优势

5G关键技术的应用使5G通信系统的性能大幅提高，与前几代无线通信技术相比，5G通信技术具有传输速率高?网络频谱宽?时延低?可靠性高?容量大等优势:(1)用户体验速率(真实网络环境下用户可获得的最低传输速

率):100Mbit/s~1Gbit/s?(2)连接数密度(单位面积上支持的在线设备总

和):106/km2?(3)端到端时延(数据包从源节点开始传输被目标节点正确接收的时间):1ms?(4)移动性(满足一定性能要求时，收发双方时间的最大相对移动速度):500km/h以上?(5)流量密度(单位面积区域内的总流量):10Mbit·s-1·m-2? 2.矿井5G无线通信系统架构 2.1系统组成

矿井5G 无线通信系统由核心网平台?地面5G基站?井 下 基 站?井 下 HUB 等 组 成?井上采用 AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)完 成 地 面 覆 盖,通 过Ir接 口 与 BBU(BuildingBaseband Unit,室内基带处理单元)相连;井下采用Pico

RRU(Remote Radio Unit,射频拉远单元)井下基站实现无线网络覆盖,井下基站通过井下 HUB进行汇聚后,与井上 BBU 相连,传输接口为Ir接口[2]? 2.2组网方式

5G网络部署包含非独立组网(Non-Standalone，NSA)和独立组网(Standalone，SA)2种方式?NSA是利用现有4G基础设施，融合4G核心网部署5G网络，并实现5G与长期演进(LongTermEvolution，LTE)联合组网，这种方式在演变过程中涉及核心网的切换和增强型4G基站的改造，初期建网速度快，成本相对较低，但灵活性较差，中后期部署工作量大;SA则是重新搭建一张5G网络，所用基站和基础设施均要重新部署和建设，初期成本较高，虽然也可将现有的4G基站升级增


强后与5G核心网连接，但SA架构的最终形态是5G基站连接5G核心网，不依赖现有的4G网络和基站设备，这种组网方式支持5G所有的新功能和新应用[3]?矿井可依据现有无线通信系统的装备情况和对无线通信的需求选择合适的组网方式?

3. 5G在矿山的应用场景

3.1基于5G的高精实时定位与应用服务

目前矿山井下定位系统多是基于传统的蓝牙?ZigBee?超宽带等无线传输技术，定位精度不高，且需要单独布设相关基础设施，实时性也难以保障?基于5G的低延时特性开发基于5G网络的井下定位与应用服务系统是未来的发展方向，将产生井下车辆管理?开采精准推进等应用，解决移动装备的实时控制和管理难题? 3.2基于5G的虚拟交互应用

虚拟现实（VR）与增强现实（AR）是能够彻底颠覆传统人机交互内容的变革性技术，在矿山的应用未来可期?其应用可分为3个阶段:

（1）主要用于三维建模和虚拟展示，如现在的裸眼3D等技术，其基本需求为20Mbps带宽+50ms延时，现有的4G+WiFi基本可以满足?（2）主要用于互动模拟和可视化设计等，如多人井下培训系统，其基本需求为40Mbps带宽+20ms延时，Pre5G基本可以满足?（3）主要用于混合现实?云端实时渲染和虚实融合操控，如虚拟开采?协同运维等，其基本需求为100Mbps~10Gbps带宽+2ms延时要求，需5G或更先进技术才可满足? 3.3生产远程实时控制

生产实时性控制一直是矿山智能化开采的关键卡脖子难题?传统的远程控制系统需要经过多重路由和多种协议才能将所需的各种传感信息汇集到集控中心，直至传至远程控制中心，因此仅有部分对实时性要求不高的功能可以用远程控制实现，实时性要求高的功能出于安全考虑是不能用远程控制的?5G低延时的特性为这一难题的解决提供了基础支撑，基于5G的井上全功能的远程控制将会实现，图1为相关应用示意图[4]?

图1基于5G的多源决策控制示意 3.4井下远程协同运维

5G在井下的另一个重要应用场景是远程协同运维（图2）?未来井下装备的智能化程度会越来越高，系统也愈加复杂，传统的维修工人已难以独立完成维修工作，需借助远程专家协助完成?现场的音视频信息可通过5G网络传输至远端，相关的虚拟模型也可虚拟至现场设备上，通过虚拟现实技术可实现专家与现场工人同样的视场和操作，甚至还可以用机器人代替人在井下完成维修? 图2基于5G的远程运维场景 3.5井下巡检和安防

基于5G的定位?高速数据传输将助力实现井下的高效巡检和安防?通过这一网络可实时定位井下的装备和人员，可实时传输和共享井下的安全信息，智能终端的主动推送功能自动识别其他移动终端设备并按需推送相关信息，实现井下信息的泛在感知和共享?相较于传统的数据上传下发的利用方式，5G模式下的数据利用更高效?延时更短?可靠性更高?经济性更好[5]? 4.前景展望

在地面，5G技术已经为森林防火的低功耗广连接场景?自动驾驶的低延时高可靠场景?高清赛事转播的多热点高容量场景等提供了切实可行的解决方案?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矿山落地，实

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