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5G|当采矿遇上高科技：矿用5G赋能矿井无人驾驶无人作业


2020年7月 ， 安标国家矿用产品安全标志中心按照新产品审核发放模式 ， 发放了我国第1个煤矿5G通信系统安全标志准用证（有效期2a） 。 该系统没有针对煤矿井下安全生产特点进行研发 ， 仅将地面5G产品进行防爆改造 ， 仅可用于矿井语音通信和视频图像传输 。 目前正在安标送审的矿用5G系统也没有针对煤矿井下特殊需求进行研发 ， 仅将地面5G产品进行防爆改造 ， 难以满足煤矿智能化建设需求 。 煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体 ， 矿井无线传输衰减大等特殊性 ， 制约着5G直接在煤矿井下应用 。 因此 ， 需根据煤矿井下特殊需求 ， 研究矿用5G技术和系统 。
【5G|当采矿遇上高科技：矿用5G赋能矿井无人驾驶无人作业】
5G|当采矿遇上高科技：矿用5G赋能矿井无人驾驶无人作业
本文插图

※采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G
事故调查表明 ， 我国煤矿死亡事故主要发生在采煤工作面和掘进工作面 。 因此 ， 通过煤矿自动化、信息化和智能化 ， 减少煤矿井下作业人员 ， 特别是减少采煤工作面和掘进工作面作业人员 ， 是煤矿安全生产急需解决的问题 。 目前 ， 采煤工作面已实现采煤机、液压支架和刮板输送机联动（以下简称机架联动） ， 记忆割煤 ， 工作面巷道远程控制 。 但是 ， 煤岩界面自动识别等技术难题仍然没有解决；采煤机、液压支架和刮板输送机等工作面设备定位精确难以满足无人采煤工作面要求 。 人们研发了通过工作面巷道探测顶底板位置+地质钻孔估算顶底板位置的地质模型方法 ， 但当顶底板变化较大时 ， 误差较大 ， 难以满足无人采煤工作面对顶底板准确位置的需求 。 在煤岩界面自动识别、采煤工作面设备精确定位等技术难题被攻克前 ， 为尽早实现采煤工作面无人或少人作业 ， 减少采煤工作面作业人员 ， 笔者提出了机架联动+记忆割煤+地质模型+地面远程控制方法（以下简称地面遥控方法） 。
地面遥控方法中的机架联动、记忆割煤、地质模型等方法已在采煤工作面应用 ， 急需解决地面远程控制问题 。 地面远程控制需解决采煤工作面信息（包括采煤工作面视频图像、语音和通过传感器采集的环境、采煤机、液压支架、刮板输送机等设备运行和状态信息等）实时可靠采集与上传 ， 地面控制命令实时可靠下传等问题 。 采煤工作面粉尘大 ， 采煤机工作时有喷雾 ， 造成视频图像不清晰 ， 难以通过视频图像在地面远程识别顶底板煤岩界面等 。 采用透雾透尘摄像机 ， 可较好地解决采煤工作面视频图像不清晰问题 ， 优于工作面现场肉眼观察 。 采煤工作面采煤机、液压支架、刮板输送机等设备是移动设备 ， 宜采用无线传输技术 。 采煤工作面视频图像实时可靠无线上传 ， 要求传输系统传输速率高、时延小、可靠性高 。
5G具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点 。 在FR1（450～6000MHz）频率范围内 ， 5G的最高传输速率为1.2Gbit/s（上行）和2.2Gbit/s（下行） 。 5G面向工业互联网应用 ， 支持0.5～1ms空口时延、不大于5ms的端到端时延和更高的可靠性 。 而WiFi6平均时延为20ms ， 可靠性不能保证 。 在传输时延和可靠性方面 ， 5G优于WiFi6等其他常用无线通信技术 。 因此 ， 采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G 。
※煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G
煤矿井下胶轮车、电机车等矿用车辆无人驾驶 ， 是减少煤矿井下作业人员 ， 避免或减少重特大事故发生 ， 提高运输效率的有效措施 。 矿用车辆无人驾驶包括自动驾驶、地面遥控、自动驾驶+地面遥控等方法 。 矿用车辆无人驾驶 ， 需通过矿用车辆精确定位系统和惯性导航系统对车辆定位和导航；通过激光雷达、毫米波雷达、热像仪、摄像机、车载传感器和巷道传感器等感知车辆和周边环境；通过时延小、可靠性高、传输速率高的矿用无线通信系统构成车联网 ， 监测矿用车辆运行状态和环境 ， 控制信号灯、电动转辙机（仅用于轨道运输系统）和车辆运行等 。


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