5G+智慧采礦應(yīng)用概況
礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)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(shì)。本文對(duì)5G在智能運(yùn)輸、遠(yuǎn)距控制、智能監(jiān)控、無(wú)人化掘進(jìn)、智能轉(zhuǎn)運(yùn)和融合組網(wǎng)六大場(chǎng)景中的應(yīng)用進(jìn)行分析，包括業(yè)務(wù)需求痛點(diǎn)、5G發(fā)揮的價(jià)值及案例。
01行業(yè)現(xiàn)狀及痛點(diǎn)
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(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)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(xiǎn)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(wú)人化需求強(qiáng)；
2）5G網(wǎng)絡(luò)需求迫切，礦用機(jī)械設(shè)備如挖掘機(jī)、電鏟、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備在作業(yè)過程中處于快速移動(dòng)狀態(tài)，工作面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨時(shí)改變，現(xiàn)有的4G技術(shù)、Wi-Fi等無(wú)線通信技術(shù)傳輸距離短、穿透性差、不穩(wěn)定、帶寬窄、時(shí)延長(zhǎng)等缺點(diǎn)，難以滿足高清視頻調(diào)度、遠(yuǎn)程操控、對(duì)信號(hào)帶寬和時(shí)延的高精尖的要求；
3）成本高。一方面礦工的高流動(dòng)性導(dǎo)致招聘成本、管理運(yùn)營(yíng)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(fèi)等現(xiàn)象層出不窮，導(dǎo)致材料成本、人力成本、運(yùn)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(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AI、VR 等先進(jìn)技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的全面感知、動(dòng)態(tài)傳輸、實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)駕駛等；還有一類是雙向交互類，比如語(yǔ)音通信等。
其中，采集類應(yīng)用一般對(duì)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(tái)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(duì)時(shí)延和可靠性要求比較高；交互類業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、延遲要求中等，上下行流量基本對(duì)稱。
02典型場(chǎng)景分析及案例
場(chǎng)景一：5G智能運(yùn)輸
對(duì)礦山井下有軌電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)來說，大部分需要現(xiàn)場(chǎng)崗位人員與駕駛員配合操作。每臺(tái)電機(jī)車需配司機(jī)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(shí)存在很大的安全隱患。
5G智能運(yùn)輸依托于礦山5G專網(wǎng)，在運(yùn)輸車輛上增設(shè)測(cè)距雷達(dá)、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(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_(tái)。通過部署無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)的礦車調(diào)度平臺(tái)的綜合處理后發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)礦卡遠(yuǎn)程操控、精準(zhǔn)停靠、自主避障等無(wú)人駕駛功能，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，有效降低安全事故發(fā)生率，同時(shí)可適應(yīng)不同條件下生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，大幅提高礦山運(yùn)輸效率。
方案層面，以高速5G無(wú)線通信及工業(yè)環(huán)網(wǎng)為傳輸平臺(tái)，以礦用軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)為安全依托，采用精確定位技術(shù)、圖像識(shí)別處理技術(shù)和機(jī)車安全運(yùn)調(diào)技術(shù)， 并結(jié)合礦井安全生產(chǎn)運(yùn)輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)，具體包括：
1）電機(jī)車自動(dòng)控制改造：實(shí)現(xiàn)電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行，需要對(duì)機(jī)車的電氣回路、機(jī)械回路、自動(dòng)化系統(tǒng)與電氣回路的連接進(jìn)行改造測(cè)試，并安裝車載控制系統(tǒng) (5G無(wú)線通訊設(shè)備、協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備、測(cè)速裝置、障礙物檢測(cè)裝置、精確定位設(shè)備、機(jī)車視頻等 )，同時(shí)進(jìn)行牽引系統(tǒng)與機(jī)車本體控制融合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；
2）精準(zhǔn)定位系統(tǒng)：機(jī)車通過UWB精準(zhǔn)定位系統(tǒng) , 結(jié)合5G定位將無(wú)人機(jī)車的每節(jié)車廂定位至自動(dòng)放礦口下方；
3）溜井遠(yuǎn)程遙控裝礦系統(tǒng) : 遠(yuǎn)程操作臺(tái)可安裝于地表控制中心，每套遙控操作臺(tái)設(shè)置一套操作裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)遙控裝礦。無(wú)人機(jī)車車廂精準(zhǔn)定位后，遠(yuǎn)程自動(dòng)放礦系統(tǒng)開啟放礦模式，機(jī)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(shí)現(xiàn)與放礦機(jī)的連鎖，使無(wú)人機(jī)車運(yùn)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(jī)車行駛情況，保障行駛安全。
應(yīng)用方面，中國(guó)移動(dòng)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了無(wú)人礦車的自動(dòng)駕駛和協(xié)同編隊(duì)、作業(yè)區(qū)域內(nèi)車輛的集群調(diào)度，實(shí)現(xiàn)1人操控多臺(tái)設(shè)備、運(yùn)輸車完全無(wú)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(chǎng)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?！ ♂槍?duì)這些問題，可將礦山作業(yè)進(jìn)行拉遠(yuǎn)處理，借助5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)。具體可在采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)的適當(dāng)位置增設(shè)AI攝像頭、傳感器、執(zhí)行終端實(shí)現(xiàn)智能化與信息化融合改裝，使得礦用工程機(jī)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(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)工作區(qū)的無(wú)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(guó)移動(dòng)聯(lián)合呂梁東義集團(tuán)在鑫巖煤礦打造5G智慧礦山，實(shí)現(xiàn)井下5G基站大規(guī)模部署落地，共建設(shè)55個(gè)分站，建成2個(gè)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(wàn)噸煤，可完全實(shí)現(xiàn)全天候通過中國(guó)移動(dòng)5G專網(wǎng)遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)。
場(chǎng)景三：5G智能監(jiān)控
礦山場(chǎng)景中，可基于5G網(wǎng)絡(luò)，將井下高清視頻采集終端實(shí)時(shí)采集的高清視頻回傳至地面監(jiān)控平臺(tái)，通過算法實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺技術(shù)的人員不安全行為識(shí)別、物品的不安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和環(huán)境安全監(jiān)測(cè)，更好滿足生產(chǎn)安全監(jiān)控要求，具體為：
1）人員行為識(shí)別。在重點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和作業(yè)場(chǎng)所安裝高清攝像頭，通過大帶寬的視頻回傳，對(duì)人員威脅安全生產(chǎn)的危險(xiǎn)行為進(jìn)行智能識(shí)別，監(jiān)督各工種高效生產(chǎn)，保證作業(yè)人員安全；
2）“機(jī)”與“物”安全狀態(tài)識(shí)別。對(duì)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(yùn)行狀況，保障每臺(tái)設(shè)備的正常運(yùn)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(wú)死角、高清、實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)，識(shí)別火災(zāi)、爆炸、交通違規(guī)行為等，保障生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)和穩(wěn)健發(fā)展。
方案層面，基于5G邊緣計(jì)算中心可通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(duì)圖像進(jìn)行推理分析，并形成推理結(jié)果，反饋給上層應(yīng)用進(jìn)行呈現(xiàn)。同時(shí)，為了解決新場(chǎng)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(tái)，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(tái)進(jìn)行圖片對(duì)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(duì)5G高清視頻監(jiān)控場(chǎng)景，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合蒙發(fā)能源窩兔溝煤礦實(shí)現(xiàn)5G皮帶無(wú)人盯守，基于5G的AI智能攝像頭、機(jī)器人取代人工巡檢和盯防，核心皮帶等重要設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，在降低皮帶故障率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)人盯防、無(wú)人巡檢，提升礦山的智能化水平，提高生產(chǎn)效率。
場(chǎng)景四：5G無(wú)人化掘進(jìn)
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(jìn)行鉆孔，以及爆破后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)操作。
依托5G網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)等相關(guān)礦用生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)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(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)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(jìn)機(jī)等礦用設(shè)備控制終端，實(shí)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(xiǎn)作業(yè)區(qū)域安全事故發(fā)生率。
方案上，在掘進(jìn)巷道可通過井下可移動(dòng)無(wú)線基站覆蓋技術(shù)快速進(jìn)行臨時(shí)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備基于5G高清視頻回傳、超低時(shí)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(shí)現(xiàn)裝備的遠(yuǎn)程化甚至無(wú)人智能化作業(yè)。
對(duì)于無(wú)人化掘進(jìn)場(chǎng)景，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合山東黃金集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)井下鑿巖臺(tái)車的5G遠(yuǎn)程掘進(jìn)作業(yè)，項(xiàng)目將鑿巖工從井下危險(xiǎn)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(shí)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(chǎng)景五：5G智能轉(zhuǎn)運(yùn)
5G智能轉(zhuǎn)運(yùn)主要包括提升機(jī)漏料清理和膠帶在線監(jiān)測(cè)兩方面：
1）提升機(jī)漏料清理
在使用提升機(jī)運(yùn)輸?shù)V石的作業(yè)過程中，會(huì)有粉塵掉落到卷?yè)P(yáng)機(jī)的臺(tái)面，漏料清理工作需卷?yè)P(yáng)機(jī)停機(jī)后進(jìn)行人工清理，存在重大人身安全風(fēng)險(xiǎn)。需采用視覺識(shí)別判斷清理時(shí)間，協(xié)同自動(dòng)提升系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)，適時(shí)啟動(dòng)清掃，避免了人工進(jìn)行清掃作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，有效阻止了灰塵飄散，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。各系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)實(shí)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(dòng)的清掃機(jī)械系統(tǒng)等新技術(shù) , 識(shí)別卷?yè)P(yáng)機(jī)臺(tái)面的漏料堆積情況，機(jī)器視覺判定達(dá)到設(shè)定閾值后下發(fā)清理指令，系統(tǒng)可自動(dòng)分析有關(guān)數(shù)據(jù)并提供趨勢(shì)曲線、報(bào)警信息、運(yùn)行時(shí)間等信息，實(shí)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(dòng)，自動(dòng)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(xiǎn)，也提高了礦石提升效率。
2）膠帶在線監(jiān)測(cè)
井下膠帶主要部署在有色礦的轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)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(cè)需求是膠帶系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)維護(hù)人員重點(diǎn)關(guān)注問題。
在邊緣云中部署膠帶實(shí)時(shí)檢測(cè)防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用，膠帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)整體采用視頻監(jiān)控探頭、 溫度傳感器和嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過5G傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集膠帶設(shè)備啟?？刂乒ぷ麟娏鳌㈦妷猴@示、膠帶速度的檢測(cè)和顯示?？筛鶕?jù)采集的設(shè)備電機(jī)溫度、運(yùn)行頻率、風(fēng)機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)膠帶故障自診斷，實(shí)現(xiàn)井下掘進(jìn)順槽膠帶、工作面順槽膠帶以及主運(yùn)輸膠帶等的保護(hù)，控制、沿線通話、故障檢測(cè)、顯示及報(bào)警等功能。實(shí)現(xiàn)膠帶跑偏識(shí)別，堆料識(shí)別，膠帶掉料識(shí)別，撕裂識(shí)別，人員違章識(shí)別，異物識(shí)別與料量識(shí)別等場(chǎng)景。
圖6 膠帶在線監(jiān)測(cè)場(chǎng)景示意圖
場(chǎng)景六：5G井下融合組網(wǎng)
將移動(dòng)5G基站引入井下，融合5G、光纖環(huán)網(wǎng)、Wi-Fi 6等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下巷道各區(qū)域的無(wú)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(shí)依托融合通信管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦山行業(yè)語(yǔ)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(duì)井下融合組網(wǎng)場(chǎng)景，中國(guó)移動(dòng)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(shí)現(xiàn)井下全部作業(yè)面監(jiān)控、井下采煤機(jī)無(wú)人操控、危險(xiǎn)場(chǎng)景及時(shí)巡檢監(jiān)控等，解決了井下設(shè)備運(yùn)行過程中線纜維護(hù)量大、信號(hào)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(xiǎn)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(xiàng)目完成后，預(yù)計(jì)單班助力井下作業(yè)減員20人，實(shí)現(xiàn)降本增效近千萬(wàn)元。
03未來展望
2020年3月，國(guó)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(gè)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(shí)現(xiàn)智能化；到2035年，各類煤礦基本實(shí)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(dòng)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(jī)械遠(yuǎn)程控制等。中期來看，3機(jī)1架（采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)、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(yàn)證階段，未來 2-3 年有望進(jìn)入高速發(fā)展期。長(zhǎng)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(tái)、視頻調(diào)度系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、機(jī)車調(diào)度系統(tǒng)、移動(dòng)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