0.   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。

图  1  掘进工作面运输系统5G网络架构

Figure  1.  5G network architecture for heading face transportation system

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图  2  掘进工作面5G设备布置

Figure  2.  Layout of 5G equipments in the heading face

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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。