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5G技术在开凿水工隧洞中的应用前景

已有 1530 次阅读 2022-1-24 22:11 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记

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1G2G3G4G的发展。从2G3G4G,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LDPCPolar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/s6.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。

2021419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。

2021712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。

 

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5GAR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。




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