5G+智慧采礦應(yīng)用概況
礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)采礦存在安全、效率和成本等方面諸多問題，5G+智慧采礦成為發(fā)展趨勢。本文對5G在智能運輸、遠(yuǎn)距控制、智能監(jiān)控、無人化掘進、智能轉(zhuǎn)運和融合組網(wǎng)六大場景中的應(yīng)用進行分析，包括業(yè)務(wù)需求痛點、5G發(fā)揮的價值及案例。
01行業(yè)現(xiàn)狀及痛點
傳統(tǒng)采礦存在安全、效率和成本等方面問題
礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)采礦存在生產(chǎn)環(huán)境惡劣、安全事故頻發(fā)和生產(chǎn)效率不高等諸多問題，具體包括：
1）礦山工作面危險系數(shù)高，露天礦面臨塌方、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，井工礦易發(fā)生頂板塌陷、瓦斯超標(biāo)、透水等安全事故，礦山無人化需求強；
2）5G網(wǎng)絡(luò)需求迫切，礦用機械設(shè)備如挖掘機、電鏟、采煤機、掘進機等設(shè)備在作業(yè)過程中處于快速移動狀態(tài)，工作面的結(jié)構(gòu)強度隨時改變，現(xiàn)有的4G技術(shù)、Wi-Fi等無線通信技術(shù)傳輸距離短、穿透性差、不穩(wěn)定、帶寬窄、時延長等缺點，難以滿足高清視頻調(diào)度、遠(yuǎn)程操控、對信號帶寬和時延的高精尖的要求；
3）成本高。一方面礦工的高流動性導(dǎo)致招聘成本、管理運營成本持續(xù)上升，另一方面礦工的素質(zhì)參差不齊，因操作不當(dāng)?shù)仍斐傻能囕v故障、人身事故、生產(chǎn)輔助材料浪費等現(xiàn)象層出不窮，導(dǎo)致材料成本、人力成本、運維成本居高不下。
5G+智慧采礦成為必然選擇
5G+智慧采礦是以5G技術(shù)為基礎(chǔ)載體，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AI、VR 等先進技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的全面感知、動態(tài)傳輸、實時分析，并形成科學(xué)的智能控制體系，為高層科學(xué)決策提供依據(jù)，為企業(yè)降本增效提供動力。
5G的需求大致可以分為三種類型：一類是以上行數(shù)據(jù)傳輸為主的信息采集類，比如視頻信息的采集，各類傳感器信息的采集；一類是以下行數(shù)據(jù)傳輸為主的控制類應(yīng)用，比如遠(yuǎn)程操控，自動駕駛等；還有一類是雙向交互類，比如語音通信等。
其中，采集類應(yīng)用一般對上行帶寬和支持的連接數(shù)要求比較高，例如視頻采集類，一臺1080p的攝像頭就需要至少4Mbps的上行容量；控制類的應(yīng)用主要是對時延和可靠性要求比較高；交互類業(yè)務(wù)對帶寬、延遲要求中等，上下行流量基本對稱。
02典型場景分析及案例
場景一：5G智能運輸
對礦山井下有軌電機車運輸系統(tǒng)來說，大部分需要現(xiàn)場崗位人員與駕駛員配合操作。每臺電機車需配司機和礦工，通過相互配合才能完成。造成裝礦效率低下、裝載異常等問題，同時存在很大的安全隱患。
5G智能運輸依托于礦山5G專網(wǎng)，在運輸車輛上增設(shè)測距雷達、AI攝像頭、高精度GPS定位模塊和北斗定位模塊等數(shù)據(jù)采集終端，將采集的信號實時傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_。通過部署無人駕駛控制系統(tǒng)的礦車調(diào)度平臺的綜合處理后發(fā)出指令，實現(xiàn)礦卡遠(yuǎn)程操控、精準(zhǔn)停靠、自主避障等無人駕駛功能，減少現(xiàn)場作業(yè)人員，有效降低安全事故發(fā)生率，同時可適應(yīng)不同條件下生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)運行，大幅提高礦山運輸效率。
方案層面，以高速5G無線通信及工業(yè)環(huán)網(wǎng)為傳輸平臺，以礦用軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)為安全依托，采用精確定位技術(shù)、圖像識別處理技術(shù)和機車安全運調(diào)技術(shù)， 并結(jié)合礦井安全生產(chǎn)運輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)，具體包括：
1）電機車自動控制改造：實現(xiàn)電機車自動運行，需要對機車的電氣回路、機械回路、自動化系統(tǒng)與電氣回路的連接進行改造測試，并安裝車載控制系統(tǒng) (5G無線通訊設(shè)備、協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備、測速裝置、障礙物檢測裝置、精確定位設(shè)備、機車視頻等 )，同時進行牽引系統(tǒng)與機車本體控制融合調(diào)試，實現(xiàn)電機車遠(yuǎn)程自動控制；
2）精準(zhǔn)定位系統(tǒng)：機車通過UWB精準(zhǔn)定位系統(tǒng) , 結(jié)合5G定位將無人機車的每節(jié)車廂定位至自動放礦口下方；
3）溜井遠(yuǎn)程遙控裝礦系統(tǒng) : 遠(yuǎn)程操作臺可安裝于地表控制中心，每套遙控操作臺設(shè)置一套操作裝置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動遙控裝礦。無人機車車廂精準(zhǔn)定位后，遠(yuǎn)程自動放礦系統(tǒng)開啟放礦模式，機車車廂礦石物料高度及視覺AI系統(tǒng)可控制每節(jié)車廂的放礦數(shù)量，實現(xiàn)與放礦機的連鎖，使無人機車運輸系統(tǒng)與遠(yuǎn)程放礦系統(tǒng)高度兼容統(tǒng)一；
4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)：基于5G的高清視頻回傳能夠清晰地傳遞井下機車行駛情況，保障行駛安全。
應(yīng)用方面，中國移動聯(lián)合千業(yè)水泥打造了“千業(yè)5G礦山綠色智能及礦產(chǎn)資源綜合利用”項目，5G網(wǎng)絡(luò)融合北斗高精度定位、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、純電礦卡能量回收技術(shù)，實現(xiàn)了無人礦車的自動駕駛和協(xié)同編隊、作業(yè)區(qū)域內(nèi)車輛的集群調(diào)度，實現(xiàn)1人操控多臺設(shè)備、運輸車完全無人化操作，有效解決礦區(qū)安全駕駛問題，設(shè)備作業(yè)效率提升10%以上。
場景二：5G超遠(yuǎn)距控制
有色金屬礦山生產(chǎn)環(huán)境艱苦，工作人員需要忍受高溫、粉塵、高濕、有害氣體、高海拔環(huán)境等，通常職業(yè)病高發(fā)，作業(yè)過程中的安全問題也非常突出。 針對這些問題，可將礦山作業(yè)進行拉遠(yuǎn)處理，借助5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無人化作業(yè)。具體可在采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、皮帶機的適當(dāng)位置增設(shè)AI攝像頭、傳感器、執(zhí)行終端實現(xiàn)智能化與信息化融合改裝，使得礦用工程機械直接從調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接受指令，并傳輸?shù)皆O(shè)備控制模塊上，實現(xiàn)危險工作區(qū)的無人化作業(yè)，最大程度減少下井作業(yè)人員人數(shù)，有效降低安全事故發(fā)生率。
中國移動聯(lián)合呂梁東義集團在鑫巖煤礦打造5G智慧礦山，實現(xiàn)井下5G基站大規(guī)模部署落地，共建設(shè)55個分站，建成2個智能化綜采工作面，單班安全生產(chǎn)11刀煤（循環(huán)），開采約1萬噸煤，可完全實現(xiàn)全天候通過中國移動5G專網(wǎng)遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)。
場景三：5G智能監(jiān)控
礦山場景中，可基于5G網(wǎng)絡(luò)，將井下高清視頻采集終端實時采集的高清視頻回傳至地面監(jiān)控平臺，通過算法實現(xiàn)基于機器視覺技術(shù)的人員不安全行為識別、物品的不安全狀態(tài)實時監(jiān)測預(yù)警和環(huán)境安全監(jiān)測，更好滿足生產(chǎn)安全監(jiān)控要求，具體為：
1）人員行為識別。在重點生產(chǎn)環(huán)節(jié)和作業(yè)場所安裝高清攝像頭，通過大帶寬的視頻回傳，對人員威脅安全生產(chǎn)的危險行為進行智能識別，監(jiān)督各工種高效生產(chǎn)，保證作業(yè)人員安全；
2）“機”與“物”安全狀態(tài)識別。對礦山生產(chǎn)所使用的設(shè)備、工具等輔助生產(chǎn)用具和生產(chǎn)相關(guān)的物件、物料，通過視頻分析設(shè)備運行狀況，保障每臺設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，保證設(shè)備的完好率，保證礦山的正常生產(chǎn)，避免和減少安全事故；
3）環(huán)境安全。礦山園區(qū)安防需要無死角、高清、實時的監(jiān)控系統(tǒng)，識別火災(zāi)、爆炸、交通違規(guī)行為等，保障生產(chǎn)經(jīng)營正常有序運轉(zhuǎn)和穩(wěn)健發(fā)展。
方案層面，基于5G邊緣計算中心可通過5G網(wǎng)絡(luò)實時獲取多種視頻源，由部署在5G邊緣DC上的算法引擎和算法模型對圖像進行推理分析，并形成推理結(jié)果，反饋給上層應(yīng)用進行呈現(xiàn)。同時，為了解決新場景快速開發(fā)的問題，通過建設(shè)或者租用AI自主訓(xùn)練平臺，有色金屬行業(yè)用戶可自行上傳圖片，由AI自主訓(xùn)練平臺進行圖片對象標(biāo)注、模型訓(xùn)練、基于規(guī)則的模型編排和模型下載部署。
針對5G高清視頻監(jiān)控場景，中國移動聯(lián)合蒙發(fā)能源窩兔溝煤礦實現(xiàn)5G皮帶無人盯守，基于5G的AI智能攝像頭、機器人取代人工巡檢和盯防，核心皮帶等重要設(shè)備實時監(jiān)測監(jiān)控，在降低皮帶故障率的同時實現(xiàn)無人盯防、無人巡檢，提升礦山的智能化水平，提高生產(chǎn)效率。
場景四：5G無人化掘進
在地下礦山采掘作業(yè)中，爆破前確定布孔位置、方向及深度，進行鉆孔，以及爆破后對現(xiàn)場噴水清理粉塵、排除盲炮隱患、清除頂板和側(cè)幫浮石等，均需人工現(xiàn)場操作。
依托5G網(wǎng)絡(luò)，通過對掘進機等相關(guān)礦用生產(chǎn)設(shè)備進行智能化、信息化改造，加裝隔爆兼本安型的傳感器、攝像頭、控制箱等終端，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場信息實時采集并傳回控制中心，控制中心通過5G專網(wǎng)將遠(yuǎn)程控制信令下發(fā)至掘進機等礦用設(shè)備控制終端，實現(xiàn)設(shè)備的一鍵啟停、遠(yuǎn)程操作控制等功能，有效降低危險作業(yè)區(qū)域安全事故發(fā)生率。
方案上，在掘進巷道可通過井下可移動無線基站覆蓋技術(shù)快速進行臨時性的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)回傳與井上集控中心互聯(lián)互通，并通過對現(xiàn)場機械設(shè)備基于5G高清視頻回傳、超低時延控制以及人工智能等新技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化改造 , 實現(xiàn)裝備的遠(yuǎn)程化甚至無人智能化作業(yè)。
對于無人化掘進場景，中國移動聯(lián)合山東黃金集團，實現(xiàn)井下鑿巖臺車的5G遠(yuǎn)程掘進作業(yè)，項目將鑿巖工從井下危險的工作面解放到地表集控室，解決因爆破產(chǎn)生有毒氣體的人員停工疏散難題，且有效減少井下作業(yè)人員，實現(xiàn)鑿巖工的本質(zhì)安全，提高井下作業(yè)工作效率15%以上。
場景五：5G智能轉(zhuǎn)運
5G智能轉(zhuǎn)運主要包括提升機漏料清理和膠帶在線監(jiān)測兩方面：
1）提升機漏料清理
在使用提升機運輸?shù)V石的作業(yè)過程中，會有粉塵掉落到卷揚機的臺面，漏料清理工作需卷揚機停機后進行人工清理，存在重大人身安全風(fēng)險。需采用視覺識別判斷清理時間，協(xié)同自動提升系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)，適時啟動清掃，避免了人工進行清掃作業(yè)帶來的安全風(fēng)險，有效阻止了灰塵飄散，降低勞動強度，改善工作環(huán)境。各系統(tǒng)聯(lián)動實現(xiàn)精細(xì)化操作，提高礦石提升效率。
通過5G高清視頻回傳、人工智能的視覺算法以及全自動的清掃機械系統(tǒng)等新技術(shù) , 識別卷揚機臺面的漏料堆積情況，機器視覺判定達到設(shè)定閾值后下發(fā)清理指令，系統(tǒng)可自動分析有關(guān)數(shù)據(jù)并提供趨勢曲線、報警信息、運行時間等信息，實現(xiàn)清掃及提升等各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享與控制聯(lián)動，自動化和可視化融合，最大限度地發(fā)揮智能化效益。作業(yè)全程不需要人工參與，避免人工作業(yè)的風(fēng)險，也提高了礦石提升效率。
2）膠帶在線監(jiān)測
井下膠帶主要部署在有色礦的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)把初碎后的礦石頭輸送到井上。也有部分膠帶部署在礦石出地面后的運輸及選礦供料，以及精礦尾礦壓濾后的出口處。防止膠帶跑偏等檢測需求是膠帶系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)維護人員重點關(guān)注問題。
在邊緣云中部署膠帶實時檢測防護系統(tǒng)應(yīng)用，膠帶實時監(jiān)測防護系統(tǒng)整體采用視頻監(jiān)控探頭、 溫度傳感器和嵌入式計算機技術(shù)，通過5G傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時采集膠帶設(shè)備啟停控制工作電流、電壓顯示、膠帶速度的檢測和顯示。可根據(jù)采集的設(shè)備電機溫度、運行頻率、風(fēng)機狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)算法實現(xiàn)膠帶故障自診斷，實現(xiàn)井下掘進順槽膠帶、工作面順槽膠帶以及主運輸膠帶等的保護，控制、沿線通話、故障檢測、顯示及報警等功能。實現(xiàn)膠帶跑偏識別，堆料識別，膠帶掉料識別，撕裂識別，人員違章識別，異物識別與料量識別等場景。
圖6 膠帶在線監(jiān)測場景示意圖
場景六：5G井下融合組網(wǎng)
將移動5G基站引入井下，融合5G、光纖環(huán)網(wǎng)、Wi-Fi 6等技術(shù)，實現(xiàn)井下巷道各區(qū)域的無線覆蓋，保證端到端安全、可靠、穩(wěn)定，滿足基本通信需求的基礎(chǔ)上，賦能生產(chǎn)環(huán)節(jié)，同時依托融合通信管控平臺，實現(xiàn)礦山行業(yè)語音、視頻、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、調(diào)度和管理，提升生產(chǎn)效率。
針對井下融合組網(wǎng)場景，中國移動聯(lián)合山西新元礦，將5G網(wǎng)絡(luò)布局到地下534米的礦井，建成井下“超千兆上行”煤礦5G專用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)井下全部作業(yè)面監(jiān)控、井下采煤機無人操控、危險場景及時巡檢監(jiān)控等，解決了井下設(shè)備運行過程中線纜維護量大、信號經(jīng)常缺失等問題，為遠(yuǎn)程操作人員提供全景高清作業(yè)視野，既有效降低危險作業(yè)區(qū)域安全事故發(fā)生率，也節(jié)省大量人力物力。項目完成后，預(yù)計單班助力井下作業(yè)減員20人，實現(xiàn)降本增效近千萬元。
03未來展望
2020年3月，國家發(fā)改委、工信部、能源局等8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》， 提出了煤礦智能化發(fā)展的三個階段性目標(biāo)：2021年建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實現(xiàn)智能化；到2035年，各類煤礦基本實現(xiàn)智能化，構(gòu)建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。
短期內(nèi)，利用5G替換原有網(wǎng)絡(luò)的替換類應(yīng)用將成為5G+智慧礦山主要發(fā)展的應(yīng)用類型。包括井下融合組網(wǎng)、5G+4K高清視頻監(jiān)控、礦用機械遠(yuǎn)程控制等。中期來看，3機1架（采煤機、掘進機、刮板輸送機、液壓支架）、電鏟、礦卡等控制類業(yè)務(wù)，由于具備較高安全性和可靠性要求，仍在探索驗證階段，未來 2-3 年有望進入高速發(fā)展期。長期來看，隨著5G SA 網(wǎng)絡(luò)的成熟和完善，礦山智能調(diào)度平臺、視頻調(diào)度系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、機車調(diào)度系統(tǒng)、移動調(diào)度系統(tǒng)等應(yīng)用將逐漸成熟，全面賦能智慧礦山。
來源：5G行業(yè)應(yīng)用