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5G通信、智能煤矿、安全生产及智能感知系统

2020-10-24 215 上传者：管理员

摘要：本文分析了5G通信、智能煤矿、安全生产及智能感知系统，介绍了煤矿企业智能化改革顶层设计中的云边端思维模式，实现了煤矿生产的安全化、自动化、智慧化。

关键词：
5G通信
安全生产及智能感知系统
智能煤矿
矿业工程
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1、引言

煤炭是我国的主要能源和重要工业原材料。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中，占比一直保持在70%和60%左右[1]。据预测，到2050年煤炭在我国一次能源消费结构中的比重还将保持在40%左右[2]。推动煤矿企业开展智能化改造是必然趋势。

随着5G的发展，万物互联时代的日新月异，5G技术商用的步伐逐渐加快，工业、交通、医疗、能源、教育以及社会基础设施等各行各业的智能化都离不开5G新技术的助力。而5G技术在智能煤矿生产中具有非常重要的作用，是煤矿智能化升级转型的关键，以5G通信、先进控制技术为牵引推进智能煤矿建设，推动大数据、人工智能、物联网等技术的高度融合，促进煤矿的智能化，实现煤炭开采“无（少）人化、减损化”变革。而在“新基建”中，更是把包括煤炭在内的传统基础设施纳入智慧能源基础设施的范畴。

5G依托高速率、低时延、广连接等独特优势陆续与各个领域结合，正式进入了商用阶段。但5G井下矿用在全国乃至世界仍属少见，所以急需加快智能煤矿建设的步伐，提升我国煤矿智能化水平，推进煤炭产业的转型升级。

2、5G通信技术

5G是第五代移动通信技术，更加注重万物互联。与4G相比它的性能指标也有了很大的提升，传输速率增加了10～100倍，峰值传输速率达到20Gbit/s，端到端延迟达到ms级别，连接设备密度增加10～100倍，流量密度增加100倍，频谱效率速度提高了3～5倍，并且可以确保以500km/h的移动速度提升用户体验[3]。5G为深度融合云计算、大数据和人工智能等科学技术提供了契机和基础，使其逐渐聚合形成一个完备的5G技术生态成为可能，为煤炭行业升级改造和智能化发展提供了关键的基础设施[4]。

如今，大多数煤炭企业基本使用的是4G+Wi-Fi的井下传输模式，已满足不了实时快速的传输需求，而智能化所需的大规模物联、常态化远程监测监控和普遍的云计算等的应用均是以信息的可靠及时传输为基础的。5G具有超高频谱利用率和能效，广覆盖、低时延和大容量的特性赋予了它高安全性、高可靠性和强抗干扰能力，为煤矿这类特殊场景的网络搭建提供了有力的保障。

5G通信技术正在大力发展，它的普及和推广可以促进智能煤矿技术的快速发展，其重点推进的方向主要包括煤矿安全生产智能感知系统、井下精准定位等。

3、智能煤矿及其发展

煤炭产业由重开采到重装备再到重智能化的发展趋势明显。智能煤矿基于大数据、物联网和人工智能技术，再结合智能感知设备等与现代煤炭开发深度融合，构建实时全面感知、互通互联、分析决策、安全警示、风险预测识别、协同控制的智能系统，实现煤矿实时、安全、智能化运行。可提供高水准的智能矿山服务，加快煤矿实现减人提效、远程安全精准操控、提高单产、安全对标。

在国家政策的大力支持下，经过行业内诸多企业多年来坚持不懈的自主创新，我国煤矿安全生产智能感知行业技术水平不断提高，煤矿安全工作取得了一定成效。但我国煤炭开采条件的复杂性、多样性和以井下煤矿开采为主的特点决定了我国煤矿安全生产任务仍任重道远。

随着煤炭产业的发展，未来的煤矿安全生产管理将以预警为核心，事故防治的重点是事前管理，全面贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针。由此提出了基于大数据的煤矿风险评估和预警模型。此模型可全面提高信息化、智能化安全管理水平，对煤矿日常生产中实时感知所产生的数据进行分析运算，把风险和存在的隐患进行预防治理，把隐患治理放在事故之前，规范安全生产行为，提升煤矿安全生产的整体预控能力，构建强大的风管体系，强化重大隐患防治。

2019年5月24日，北京召开了全国煤矿安全监察信息化工作座谈会，会议指出了煤矿安全监察信息化工作的重要性，强调了加快推进煤矿安全生产风险监测预警系统的建设。该系统的建设离不开感知网络的构建：覆盖煤矿全域的感知网络，采用边缘计算模式实现智能识别机制下沉。边缘计算模式实现智能识别机制下沉可就近处理智能识别采集的数据，此过程对传统的云计算进行分散和优化，把数据处理和计算进行分类，部分数据可以在本地处理（专项核心或传感器），从而节省了数据传输到云端的带宽与时延，缓解了传输数据丢包问题，保障了数据安全。

煤矿安全生产大数据应用平台作为应急管理信息化体系的“智慧大脑”，将收集的安全生产数据进行深度挖掘、有效整合、精准计算和分析，为煤矿的智能感知、风险预测、隐患管控及应急管理等提供完善的智能化服务。此外，煤矿安全生产的大数据还可为其他能源细分领域客户提供增值服务，充分发挥大数据价值。

煤炭行业由传统的静态评价向静态评价+动态风险评价转变。其中，静态评价主要是基于对煤矿安全生产经营活动中存在的可能导致不安全事件或事故发生的物的危险状态、人的不安全行为和管理上的缺陷，以及可能导致的事故进行排查；动态风险评价是直接从物联网传感器、摄像头自动识别、数据采集终端等各类不用通过人工干预的设备获得数据，并进行相应的感知分析。这种模式的改变能有效遏制煤矿重特大事故频发势头，对煤矿安全生产领域采取风险分级管控、隐患排查治理双重预防性工作机制，可推动安全生产关口前移，最大限度减少人员伤亡和财产损失。

4、安全生产及智能感知系统

安全生产是基于AIoT（人工智能物联网）技术，通过云、边、端一体化方式为高危行业打造的安全生产智能感知网络，推动了新一代信息技术与安全生产的深度融合。

煤矿安全生产智能感知系统是根据人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素以及煤矿企业管理中的缺陷等情况识别煤矿事故成因，通过融合应急广播、调度通信直接指挥平台，建立煤矿安全生产统一融合平台，及时发现影响煤矿效率和安全的最关键因素，直接指挥，驱动煤矿安全生产。

煤矿安全生产智能感知解决方案可分为煤矿安全生产融合平台和监管部门事故风险监测预警系统两大板块，可对煤矿企业安全生产的各个环节、各类应用场景进行智能感知，实时读取并上报各项风险数据。实现全天候守护，对物、环风险场景及时感知，让煤矿作业人员远离危险区域；通过看住人的不规范行为，杜绝人为风险因素；通过机器换人，代替煤矿作业人员在高危作业区工作；通过自动证据保存，减少管理上的人为依赖；通过从各个维度保障人员安全并提升效率，达到全面满足政府部门监管要求以及煤矿企业安全生产需求的目的。

在智能煤矿领域，安全监控、远程操控、智能分析与管控等重要场景，一方面对实时性要求较高，需要基于边缘计算模式实现智能识别机制下沉，另一方面煤矿安全生产管理将大力加强风控体系能力，重预防，把隐患治理放在事故之前，这类数据的处理虽然对计算资源需求较大但对实时性要求不高，可以在中心化的云端处理，最佳方案则是利用5G边缘计算和切片技术。总而言之，未来的计算必将是传统云计算架构的进一步去中心化，紧密结合云计算和边缘计算，使计算和分析分布在由云—边—端构成的一体化连续频谱上，为煤矿重点场景安全管控提供最优方案[5]。

煤矿安全生产智能感知系统由云、边、端三个部分组成（如图1所示）。云、边、端架构采用以人工智能服务平台为核心的云、边、端智能感知网络，主要由终端感知、边侧服务、云端优化三部分功能构成，基于云、边、端架构和人工智能技术的“煤矿大脑”平台是安全生产的核心部分。

云部分通过借助煤炭大数据服务平台，方便监管机构第一时间发布和接收预警警报信息，及时掌握煤矿安全生产可能造成的人员伤亡、重大财产损失等敏感性信息，强化分析研判，实现对煤矿安全生产的动态监测，确保及时发现安全生产事故并迅速处置；边缘计算可提供实时、敏捷、数据聚合、优化的数字化需求，与云计算互相协同，助力行业数字化转型；端部分负责物联网侧数据的实时采集与传输。边、端部分负责煤炭生产过程中的实时数据监测、视频监控以及通过其他感知设备获取数据并根据这些信息及时调整生产，确保煤炭安全生产风险和隐患监管责任落实到位。

2020年6月5日，山西焦煤集团吕临能化庞庞塔煤矿的井下5G专网基本建成，这条专网覆盖了100多千米的巷道。同月18日，中国移动携手阳煤集团实现了“5G下深矿”，打造了全国首座5G智慧煤矿——阳煤集团新元煤矿，依托目前国内地下最低的5G网——井下534m“超千兆上行”煤矿5G专用网，实现了煤矿智慧化管理。而国内开通井下5G基站的有内蒙古智能公司麻地梁煤矿和山东菏泽煤电公司郭屯煤矿。2020年年初，陕煤集团张家峁公司也成功进行了首批5G基站的布置和应用组网，5G技术推动了智能煤矿的发展，实现煤矿矿井无人化、自动化、可视化运行，降低了工作人员的劳动强度和风险，提高了巡检质量、效率与远程安全操控的精准性，有效降低了危险作业区域的安全事故发生率，同时也节省了大量人力物力。

图1煤矿安全生产智能感知系统的组成

参考文献：

[1]范京道,李川,闫振国.融合5G技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景[J].煤炭学报,2020,45(6):1949-1958.

[2]李首滨.智能化开采研究进展与发展趋势[J].煤炭科学技术,2019,47(10):102-110.

[3]俞燕飞,秦晓虎,邱伟.探讨物联网下5G通信技术的应用[J].通讯世界,2020,27(5):105,107.

[4]孙继平,陈晖升.智慧矿山与5G和WiFi6[J].工矿自动化,2019,45(10):1-4.

[5]刘新杰,宋高峰,蒋斌斌.煤炭行业发展历程及展望[J].矿业安全与环保,2019,46(3):100-103+112.

刘晓嫣.5G技术下的智能煤矿及智能感知系统[J].广播电视网络,2020,27(10):71-73.