5G技术在开凿水工隧洞中的应用前景

移动通信延续着每十年一代技术的发展规律，已历经1G、2G、3G、4G的发展。从2G到3G、4G，实现了语音业务到数据业务的转变，传输速率成百倍提升，促进了移动互联网应用的普及和繁荣。4G网络造就了繁荣的互联网经济，解决了人与人随时随地通信的问题，随着移动互联网快速发展，新服务、新业务不断涌现，移动数据业务流量爆炸式增长，4G移动通信系统难以满足未来移动数据流量暴涨的需求，急需研发下一代移动通信（5G）系统。

第五代移动通信技术（英语：5th Generation Mobile Communication Technology简称5G）是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。 国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景，即增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)。增强移动宽带（eMBB）主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户提供更加极致的应用体验；超高可靠低时延通信(uRLLC)主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求； 5G采用LDPC、Polar新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术等。为了支持低时延、高可靠，5G采用短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术，海量机器类通信(mMTC)可以实现“万物互联”，主要面向智慧城市、智能家居、环境监测、无人控制等以传感和数据采集为目标的应用需求。

ITU定义了5G八大关键性能指标。1.峰值速率需要达到10-20Gbit/s，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。2.空中接口时延低至1ms，满足自动驾驶、自动控制、远程医疗等实时应用。3.具备百万连接/平方公里的设备连接能力，满足物联网通信。4.频谱效率要比LTE提升3倍以上。5.连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。6.流量密度达到10Mbps/m2以上。7.移动性支持500km/h的高速移动。其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/平方公里。

5G作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等更加身临其境的极致业务体验，更要解决人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。最终5G将渗透到经济社会的各行业各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。5G针对中低频和高频设计了统一的技术方案，并支持百MHz的基础带宽。

2021年4月19日，在国新办举行的政策例行吹风会上，工业和信息化部副部长刘烈宏表示，我国已初步建成了全球最大规模的5G移动网络。 2021年，我国已建成5G基站超过115万个，占全球70%以上，是全球规模最大、技术最先进的5G独立组网网络。全国所有地级市城区、超过97%的县城城区和40%的乡镇镇区实现5G网络覆盖；5G终端用户达到4.5亿户，占全球80%以上。

2021年7月12日，工业和信息化部、中央网信办、国家发改委等十部门联合印发《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，提出到2023年我国5G应用发展水平显著提升，综合实力持续增强。要实现5G在大型工业企业渗透率达到35%；每重点行业5G示范应用标杆数达到100个；5G物联网终端用户数年均增长率达到200%三大指标。大力推动5G全面协同发展，深入推进5G赋能千行百业，促进形成“需求牵引供给，供给创造需求”的高水平发展模式，驱动生产方式、生活方式和治理方式升级，推动5G应用“扬帆远航”局面逐步形成。工业和信息化部党组书记、部长肖亚庆强调，要认真贯彻落实党中央、国务院决策部署，以《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》为抓手，把5G建设好、发展好、应用好，全力推动5G行业应用创新，更好服务经济社会高质量发展。要坚持需求导向，树立一批高水平应用标杆，形成一批成熟的应用解决方案，建设一批行业特色应用集群。坚持问题导向，增强芯片、模组等关键产业环节的供给能力，提升5G网络的支撑能力，加强应用安全保障能力。坚持成果导向，加快5G应用复制推广，加强跨部门、跨行业、跨领域的协同合作，加快建立产品共同创新、价值共同创造、利益共同分享的市场化合作共赢的发展模式。在实践中推动5G应用规模化发展，打造5G应用新产品、新业态、新模式，为经济社会各领域的数字转型、智能升级、融合创新提供坚实支撑。

5G采用全新的服务化架构，支持灵活部署和差异化业务场景。5G采用全服务化设计，模块化网络功能，支持按需调用，实现功能重构；采用服务化描述，易于实现能力开放，有利于引入IT开发实力，发挥网络潜力。5G支持灵活部署，基于NFV/SDN，实现硬件和软件解耦，实现控制和转发分离；采用通用数据中心的云化组网，网络功能部署灵活，资源调度高效；支持边缘计算，云计算平台下沉到网络边缘，支持基于应用的网关灵活选择和边缘分流。通过网络切片满足5G差异化需求，网络切片是指从一个网络中选取特定的特性和功能，定制出的一个逻辑上独立的网络，它使得运营商可以部署功能、特性服务各不相同的多个逻辑网络，分别为各自的目标用户服务，目前定义了3种网络切片类型，即增强移动宽带、低时延高可靠、大连接物联网。

以5G为代表的新一代信息通信技术与工业经济深度融合，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了新的实现途径。5G在工业领域的应用涵盖研发设计、生产制造、运营管理及产品服务4个大的工业环节，主要包括16类应用场景，分别为：AR/VR研发实验协同、AR/VR远程协同设计、远程控制、AR辅助装配、机器视觉、AGV物流、自动驾驶、超高清视频、设备感知、物料信息采集、环境信息采集、AR产品需求导入、远程售后、产品状态监测、设备预测性维护、AR/VR远程培训等。当前，机器视觉、AGV物流、超高清视频等场景已取得了规模化复制的效果，实现“机器换人”，大幅降低人工成本，有效提高产品检测准确率，达到了生产效率提升的目的。未来，远程控制、设备预测性维护等场景预计将会产生较高的商业价值。

我国的水工隧洞开凿，由于受到环境的巨大限制，目前正是需要无人驾驶，远程控制，远程检测的时候。国内长大隧道的风险主要有环境恶劣，工作面危险，地质灾害多，突发情况多，应急措施威胁人体生命等等问题。环境恶劣，主要面临缺乏氧气，高辐射，高温地热，高粉尘，高湿度，高有毒气体等不适合人生存的环境。这些环境要求人们应该远离作业面。以前为了克服这些问题，需要巨大的通风设备，需要排水器、排气管等等许多辅助设备。应用5G技术远程控制就不需要这些安全辅助设备。工作面危险包括复杂断层、突泥涌水、软弱围岩大变形、岩爆、地震，塌方、泄溜，喷水等等危险情况，地质灾害多包括地震、高地热，软弱围岩大变形、崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、地面塌陷、岩爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤层自燃、黄土湿陷、岩土膨胀、砂土液化，土地冻融等等，这些地质灾害发生的时候，在以往有人在工作面的时候，往往引起人员伤亡和设备损坏。突发情况多既包括了地质灾害中的突发情况，也包括了在隧洞中发生的断电、断水、断粮、氧气供应不足，设备损坏、窝工、人员受伤等等问题。所以，总的来说水工隧洞的建设迫切地希望能够自动化，无人操控化。但是目前看，完全自动化基本上是不可能的，因为隧洞开凿机器十分复杂，应付的情况也是千变万化十分复杂，需要检测的围岩也是情况复杂，因此目前要彻底使用自动化技术或者完全的AI技术基本不太可能。但是，我们完全可以使用5G技术实现远距离探测、远距离监控、远距离操作、遥控运输、遥控导航等等，实现水工隧洞的无人值守开凿，从而避免人员伤亡，避免不可能实现的远距离通风，避免危险环境损失。具体地说

第一，利用5G支持灵活部署，基于NFV/SDN，实现硬件和软件解耦，实现控制和转发分离信号，把5G技术和现代地层岩石探测技术结合起来，实时提供开凿面的地质情况，和围岩的地质情况，及时提早采取防范措施，防止开采过程中出现突泥涌水、软弱围岩大变形、岩爆、地震，塌方、泄溜，喷水等等危险情况。利用地层岩石探测技术探测岩石情况，通过5G技术把随时掌握的情况传回数据分析中心，通过大型计算机处理，通过专家会诊给予前方指令，采取措施，防范危险发生。

第二，利用5G和北斗导航技术相互结合，和定位技术结合掌控开凿方向，确保隧洞不偏斜，不位移，及时纠偏，准确爆破，准确开凿。

第三，借助5G和AR眼镜结合，专家可在后台对传回的AR图像进行文字、图片等多种形式的标注，实现对现场实时监控，实时进行操作，提高运维效率。5G+超高清视频可实现隧洞开凿流程的智能监测，及时处理各种复杂情况，精细化精准化埋设炸药、添灌缝隙、封堵水眼等。实现作业场所视频监控、环境信息采集、设备数据传输、移动巡检、作业设备远程控制等。5G+VR/AR可协助控制台应急调度，指挥人员能够直观、及时了解现场情况，更快速、更科学地制定应急救援方案，提高应急救援效率。

第四，借助5G和自动化技术相互结合，实现远程操作，实现远程控制。就如在现场操作机器一样准确，实现转、抓、凿、磨、推、拉等等机器动作。这虽然没有AI技术先进，但是作为一种替代技术也能够实现操控员远程操控，做到没有危险，舒服优雅。5G网络低时延特性可实现远程实时控制机械设备，提高运维效率的同时，促进无人化转型。实现对隧洞内掌子面采掘机器、盾构机、液压支架、装载机、爆破设备等设备的远程控制。

第五，5G+大数据，可对隧洞开凿过程的各种数据进行采集，实现隧洞开凿主要工艺参数在线监控、在线自动质量判定，在线地质灾害预判，实现生产工艺质量的实时掌控。

第六，在渣土运输方面，可以利用5G网络的大带宽、低时延等特性，支持实现车载VR视频通话、实景导航等实时业务。借助于车联网C-V2X（包含直连通信和5G网络通信）的低时延、高可靠和广播传输特性，车辆可实时对外广播自身定位、运行状态等基本安全消息，支持实现路口碰撞预警、红绿灯诱导通行等应用，如远程遥控驾驶、车辆编队行驶等。从而实现弃渣弃土的安全输出，材料设备的安全运进。

第七，在开凿隧洞的用电方面，利用输电线无人巡检、变电站机器人巡检、电能质量监测、配电自动化、配网差动保护、分布式能源控制、高级计量、精准负荷控制、电力充电桩等。促进监控、作业、安防向智能化、可视化、高清化升级，大幅提升输电线路与变电站的巡检效率；配网差动保护、配电自动化等控制类业务现处于探索验证阶段，未来随着网络安全架构、终端模组等问题的逐渐成熟，控制类业务将会进入高速发展期，提升配电环节故障定位精准度和处理效率。

第八，紧急情况处理方面，5G+超高清视频监控可实现对人脸、行为、特殊物品、车、岩石、水油等精确识别，形成对潜在危险的预判能力和紧急事件的快速响应能力；5G+大数据可以迅速找到紧急情况发生的原因，利用5G+自动控制技术可以实现紧急情况的处理。可支持损坏处的全息展示、5G+VR机器修理、沉浸式处理等等。

为了实现远距离检测和操控，必须在各种设备上安装大量的检测仪器，这些仪器包括了感知温度、湿度、硬度、光照、气味、位置、方向、辐射度等等的各种仪器。并且这些仪器观测的数据必须实现电子化、数字化、计量化，为了实现这些转化还必须研究许多相应的机器，然后利用这些机器和5G通讯技术结合起来，实现隧洞开凿的远程控制。

正如前面所说，隧洞开凿的困难就在于环境恶劣不利于人们生存，地质灾害多，突发情况多，我们利用5G通讯高速率、低时延、大连接、大数据的特点，和开凿隧洞的许多现有技术结合起来，实现开凿隧洞的无人值守，远程遥控，那么我们许多梦想都有可能实现。包括藏青输水隧洞，包括大连到青岛的海底隧洞，包括福州到台湾的隧道，包括广东到海口的隧道，包括从新疆喀什到巴基斯坦的伊斯兰堡的隧洞等等，特别是超长，大埋深，地质情况复杂地区的隧洞的开凿有可能早日实现。