直言矿用5G面临的问题，矿大北京孙继平教授开良方！

2021年3月27日，由中国煤炭工业协会主办的“矿用F5G全光工业网技术交流会”在北京成功举行。会上，中国煤炭科工集团煤炭科学技术研究院有限公司联合华为正式发布“F5G智能化煤矿应用方案”，并发布《煤矿F5G应用技术白皮书》，同时联合4家单位成立“智能矿山联合实验室”。

中国矿业大学（北京）孙继平教授作了题为《煤矿智能化建设》的主题报告，主要介绍了煤矿井下无线传输特点，以及矿用5G面临的问题。据介绍，目前正在安标送审的各类矿用5G系统，还没有针对煤矿井下特殊需求进行专门研发，仅将地面5G产品防爆改造难以满足煤矿智能化建设的需求。并且从现有取证来看，采煤工作面5G覆盖范围均不超过50m ，无法完全适应工作面无线控制需要。目前5G优势在于大带宽、广连接、低时延的功能叠加，相比WiFi6的低成本、大宽带，建议华为等公司紧抓WiFi6在低时延和高可靠方面的短板窗口期，进一步突破矿用5G关键技术。

以下是报告原文：

一、煤矿井下无线传输特点

1.煤矿井下无线传输模型复杂多变，无线传输衰减受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围着介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体、横向导体、设备等影响大。

（1）巷道分支、弯曲、倾斜不利于矿井无线传输。

（2）巷道断面面积越大，越利于矿井无线传输。

（3）在巷道断面面积一定的条件下，形状越接近圆形和方形越利于矿井无线传输。

（4）巷道表面越粗糙，越不利于矿井无线传输。

（5）金属支护不利于矿井无线传输。

（6）纵向导体（电缆、铁轨、水管等）利于矿井无线传输

（7）横向导体（工字钢支护等）不利于矿井无线传输。

2.900MHZ-1800MHZ，700MHZ-2400MHZ，传输衰减小，绕射能力强。

3.工作面无线传输衰减大于大巷。

4.收发天线位于巷道中央，传输距离远。为不影响行人和行车，一般设置在巷道顶板或巷帮。

5.煤矿井下巷道分支、弯曲和倾斜，巷道中胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等，造成矿井无线信号非视距传输。

6.综采工作面支架、采煤机和人员等，会造成矿井无线信号非视距传输。

7.掘进工作面掘进机和人员等，会造成矿井无线信号非视距传输。

8.煤矿井下单一巷道长度可达10km，矿井无线传输距离远大于地面室内。

9.煤矿井下电磁波衰减严重，GPS等卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达煤矿井下。

10.煤矿井下有瓦斯等可燃性气体和煤尘，用于煤矿井下的电气设备必须电气防爆，优选本质安全防爆。

11.无线电辐射阈值（发射功率+天线增益）应不大于6W。无线电辐射会在金属支护、电缆、铁轨、设备金属外壳等产生感生电动势，放电引起瓦斯爆炸；会引爆电雷管。

12.煤矿井下环境恶劣，粉尘大、潮湿、淋水。无线频率越高，影响越大。

二、矿用5G

5G是新一代蜂窝移动通信技术，具有传输速率高时延小、可靠性高、容量大等优点，已在地面应用。

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2年。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产品防爆改造，仅可用于矿井语音通信和视频图像传输，严禁用于地面远程控制等。

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产品防爆改造难以满足煤矿智能化建设的需求。

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。

1.矿用5G宜采用本质安全型防爆。

矿用5G基站的射频阈功率应按同时工作的多个发射天线的最大总功率考核其防爆性能。应考核矿用5G天线的等效电感（含分布电感）和等效电容(含分布电容）。

发射功率软件可调的矿用5G基站，调控发射功率的软件应固化，确保在正常工作和故障状态下，最大发射不得因设备停电重启、光缆断缆、基站控制器损坏交换机/路由器损坏、电磁干扰等，造成最大发射功率增加。

无法保证最大发射功率不增大的软件调控发射功率的矿用5G基站，应按硬件最大发射功率考核其防爆性能。

2.用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力。

在本质安全防爆限制电容量和电感量的条件下，提高5G系统的抗干扰能力，是矿用5G急需解决的技术难题。

3.采煤工作面无人或少人作业，宜采用机架联动+记忆割煤+地质模型+地面远程控制方法。

采用透雾透尘摄像机，解决采煤工作面视频图像不清晰问题。采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用传输速率高、时延小、可靠性高的矿用5G。

4.煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用传输速率高、时延小、可靠性高的矿用5G。

选用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，选用激光雷达、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。

5.WiFi矿井移动通信系统具有系统成本低等优点

煤矿井下胶轮车和电机车等行驶速度受限，手机等移动终端移动速度较慢，WiFi矿井移动通信系统可以满足煤矿井下移动通信需求。

5G矿井移动通信系统具有手机种类多、语音通话质量高、可用于快速移动通信等优点，但系统成本高。

没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi移动通信通信系统。

6.严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。

设置在煤矿井下的矿用5G基站、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等均由井下电网供电。

煤矿井下瓦斯超限停电和停风停电，将影响矿用5G通信系统正常工作。

当煤矿井下发生瓦斯和煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、顶板冒落、炸药爆炸等事故时，会造成矿用5G基站和天线、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等损坏，光缆断缆。

因此，矿用5G移动通信系统抗灾变能力，远不如矿用有线调度通信系统，难以满足应急通信要求。严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。

7.矿用5G核心网在地面，控制着整个系统工作。

当煤矿井下光缆断缆或交换机/路由器故障，井下系统将瘫痪。甲烷超限或停风后，非本质安全防爆的5G基站、基站控制器和交换机/路由器必须停电。因此，没有针对煤矿安全监控特点研发的矿用5G不能替代煤矿安全监控系统。

8.UWB煤矿井下人员定位系统定位精度0.2米。

5G未来的定位目标是定位精度1米，但目前还没有实现。没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G定位精度低于矿用UWB精确定位系统。

9.在FR1（450 MHz-6000 MHz）频率范围内，5G的最高传输速率为1.2G bps（上行）和2.2G bps（下行）。

WiFi6最高传输速率为9.6Gbps，WiFi6的传输速率高于5G。因此，没有针对煤矿安全生产特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi6。时延要求不高的矿井视频图像监视，宜选用矿用WiFi6，以降低系统成本和维护工作量。

10.没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G可靠性低于矿用有线监控系统。

带式输送机、供电、排水等固定设备监控和地面远程控制，宜选用有线传输。