5G技術(shù)在“智慧煤礦”場(chǎng)景化應(yīng)用研究

解寶新 王俊宏

【摘要】? ? 煤礦智能化是一個(gè)系統(tǒng)工程，智能化煤礦必須實(shí)現(xiàn)開拓、采掘（剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等全過程的智能化運(yùn)行，各個(gè)環(huán)節(jié)缺一不可。依托先進(jìn)的5G技術(shù)和邊緣計(jì)算可打造新一代智能煤礦基礎(chǔ)工作環(huán)境，隨時(shí)掌控生產(chǎn)的整個(gè)過程，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能化處置，實(shí)現(xiàn)管控一體化。打造從井上到井下、從生產(chǎn)到安全、從效率到賦能的一體化智慧煤礦。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G技術(shù)? ? 智慧礦山? ? 邊緣云計(jì)算

前言：

中國聯(lián)通發(fā)揮運(yùn)營商基礎(chǔ)設(shè)施及平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，依托5G網(wǎng)絡(luò)、MEC平臺(tái)體系，整合第三方行業(yè)應(yīng)用，打造適合煤炭行業(yè)特性需求的設(shè)備：基站（井下隔爆兼本安型）、天線和智能行業(yè)終端等設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù);打造云-邊-端協(xié)同的MEC智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦人、機(jī)、物、環(huán)等全生產(chǎn)要素的智能互聯(lián)管理;打造煤礦智能化應(yīng)用：AGV調(diào)度、設(shè)備遠(yuǎn)程控制與檢測(cè)維護(hù)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、無人駕駛與操控、環(huán)境監(jiān)控預(yù)警等，形成智能礦山產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

煤礦行業(yè)歷來以工作地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣、自然災(zāi)害多為特點(diǎn)，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。各級(jí)監(jiān)管單位都對(duì)煤礦信息化建設(shè)提出了具體要求，已投入應(yīng)用的行業(yè)信息化系統(tǒng)超過了三十五種。但是這些系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和集成，大多通過獨(dú)立設(shè)計(jì)，獨(dú)立建設(shè)后就投入使用，相互之間數(shù)據(jù)難以有效的關(guān)聯(lián)和融合。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模式和應(yīng)用運(yùn)行模式在數(shù)據(jù)時(shí)延、傳輸速率等各個(gè)方面成為礦山智能化的瓶頸，依托電信運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算可打造新一代智能礦山基礎(chǔ)工作環(huán)境，持續(xù)完善智能應(yīng)用體系。

一、新型智能煤礦體系

新型智能礦山體系，首先通過制定統(tǒng)一的信息化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用、相互約束、相互補(bǔ)充，打造統(tǒng)一的綜合管理平臺(tái)，全面接入安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)、工作面控制系統(tǒng)以及采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、排等各大系統(tǒng)，指導(dǎo)煤礦企業(yè)的人、財(cái)、物、生產(chǎn)設(shè)備等方面的科學(xué)運(yùn)營和管理。

以IPRAN技術(shù)結(jié)合4G、5G技術(shù)升級(jí)井上井下煤礦企業(yè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。4G實(shí)現(xiàn)全覆蓋，提供全域通信和無感切換能力。5G部署重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)綜采工作面、掘進(jìn)面等重點(diǎn)工作地點(diǎn)多維數(shù)據(jù)源回傳、控制信息發(fā)布。依托云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，打造邊緣云+核心云的智能應(yīng)用運(yùn)行管理模式。

邊緣云搭載各類應(yīng)用和分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦工作中具體事件和數(shù)據(jù)的就近分析，直接掌控各類礦端設(shè)備并做出條件反射式的高速、準(zhǔn)確反映;核心云搭載智能平臺(tái)，匯聚收集礦端數(shù)據(jù)和邊緣云分析結(jié)果，對(duì)整個(gè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)模型構(gòu)建和AI能力的訓(xùn)練，不斷增強(qiáng)邊緣云反映能力，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的靈活性、運(yùn)行效率和智能化水平。

在云邊協(xié)同的系統(tǒng)體系和5G高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，投入更先進(jìn)、成熟的工業(yè)設(shè)備，如防爆機(jī)器人、高清智能攝像機(jī)、高靈敏度傳感器、遠(yuǎn)程控制器等，為不斷增加的專業(yè)化智能應(yīng)用提供更全面、有效的數(shù)據(jù)并及時(shí)做出針對(duì)性響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)由各個(gè)系統(tǒng)單一的集中控制向全礦井集中控制、自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)一鍵開機(jī)、智能輔助控制，遠(yuǎn)程操作的功能，最終實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化減人、智能化少人”的目標(biāo)。

二、5G及IPRAN環(huán)網(wǎng)部署

新一代智能礦山基礎(chǔ)環(huán)境升級(jí)已通過實(shí)踐驗(yàn)證，通過5G和IPRAN光纖寬帶網(wǎng)優(yōu)化井上井下數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)用邊緣計(jì)算技術(shù)改造數(shù)據(jù)運(yùn)營管理模式、數(shù)據(jù)采集和分析模式，結(jié)合新技術(shù)和行業(yè)成熟產(chǎn)品制定統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系，使煤礦生產(chǎn)在硬件、軟件、數(shù)據(jù)等方面為全面智能化應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的基礎(chǔ)，為人、機(jī)、物全面互聯(lián)提供基礎(chǔ)設(shè)施，礦山工作的復(fù)雜多樣性對(duì)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)方面都提出了不同的性能要求。

各類控制類業(yè)務(wù)要求低時(shí)延、高可靠的能力;設(shè)備監(jiān)控傳感器要求具備承載高密度接入的能力;高清視頻類應(yīng)用要求具備高傳輸速率的能力。這些要求恰恰符合5G業(yè)務(wù)低時(shí)延（uRLLC）、大連接（mMTC）、高帶寬（eMBB）的獨(dú)特性能。

基于已建設(shè)完成的井下網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合礦區(qū)井下現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，合理確定基站部署距離，實(shí)現(xiàn)井下高速網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋。

采用已通過防爆認(rèn)證的雙模基站設(shè)備，實(shí)現(xiàn)4G/5G同時(shí)支持，選擇性的開通應(yīng)用效果。針對(duì)常規(guī)通信服務(wù)區(qū)域以4G覆蓋為主，對(duì)于需要大帶寬、低時(shí)延應(yīng)用的工作面、掘進(jìn)面等場(chǎng)所5G信號(hào)覆蓋。

三、邊緣云MEC平臺(tái)

基于邊緣計(jì)算技術(shù)建設(shè)邊緣云+核心云結(jié)構(gòu)，建設(shè)智能礦井一片云使計(jì)算下沉，在靠近井下終端設(shè)備一側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集運(yùn)算和存儲(chǔ)。減少了信息回傳的時(shí)間，降低了核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵。各種傳感器設(shè)備采集信息直接傳給邊緣設(shè)備，在邊緣端進(jìn)行存儲(chǔ)、處理。將處理好的結(jié)果和需要進(jìn)一步判斷分析的部分回傳給中心云進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算和展示。

邊緣云通過就近部署實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)分流、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)可視化、視頻圖像分析等功能。中心云采用大數(shù)據(jù)和AI學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和模型訓(xùn)練，定期下發(fā)訓(xùn)練模型到邊緣云，增強(qiáng)邊緣實(shí)時(shí)處理能力，通過不斷迭代增強(qiáng)系統(tǒng)全面的分析能力和響應(yīng)速度。

四、綜合應(yīng)用軟件平臺(tái)

4.1煤礦綜合管理平臺(tái)

以開放和可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)形式向下實(shí)現(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入，向上為智能應(yīng)用子系統(tǒng)開發(fā)提供數(shù)據(jù)綜合、時(shí)空、可視化、協(xié)同設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)流程和大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)。通過信息世界和物理世界的實(shí)時(shí)信息融合和控制迭代優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)礦山萬物互聯(lián)、平臺(tái)融合、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)與智慧運(yùn)營。煤礦綜合管理平臺(tái)的主要特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)包括：

4.2煤炭大數(shù)據(jù)平臺(tái)

利用企業(yè)云服務(wù)的大數(shù)據(jù)分析能力，從數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析整個(gè)流程，建立煤礦的運(yùn)銷、物資管理、可視化、綜合自動(dòng)化等信息系統(tǒng)，對(duì)這些系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和變現(xiàn)。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)倉庫統(tǒng)一組織管理的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)方法進(jìn)行分析并統(tǒng)一進(jìn)行展現(xiàn)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)開發(fā)利用，支持企業(yè)生產(chǎn)、管理、運(yùn)行的目的。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

煤礦企業(yè)原有設(shè)備及應(yīng)用建設(shè)模式為煙囪式直聯(lián)架構(gòu)，若軟件開發(fā)需要自行構(gòu)建基礎(chǔ)工具、組件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，生產(chǎn)流程改造大，冗余度較高，端到端運(yùn)維低效。企業(yè)通過建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將平臺(tái)作為核心控制點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)來守護(hù)端到端安全，實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視化管理，即插即用的設(shè)備安裝，減短減小生產(chǎn)流程改造，最終實(shí)現(xiàn)端到端協(xié)同運(yùn)維。

五、5G重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景

重點(diǎn)設(shè)備檢測(cè)及故障預(yù)警：

煤礦核心設(shè)備故障預(yù)判系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)和組態(tài)技術(shù)，可以將煤礦核心設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行可視化處理，幫助煤炭企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，提前3-6個(gè)月預(yù)判故障風(fēng)險(xiǎn)以避免非計(jì)劃停機(jī)。用科學(xué)的方法指導(dǎo)企業(yè)核心設(shè)備保養(yǎng)和運(yùn)維工作，有效解決目前設(shè)備檢修滯后的問題。通過與智能決策輔助聯(lián)合，不斷優(yōu)化企業(yè)的資產(chǎn)配置、提升采購供應(yīng)鏈管理，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型與智能化升級(jí)的可持續(xù)發(fā)展。

三維礦山應(yīng)用：

基于GIS、BIM、組態(tài)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，融合地理信息數(shù)據(jù)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)手段，將地質(zhì)模型融入礦山信息系統(tǒng)建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了從二維到三維、從粗略到精細(xì)、從宏觀到局部、從自然環(huán)境到礦山工程、從信息孤島到實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同的礦山生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)集成，建立礦山全生命期信息的數(shù)字模型。通過各類圖層（通信、供電、通風(fēng)、排水、運(yùn)輸、視頻等圖層）的疊加展示，在煤礦生產(chǎn)和管理工作中實(shí)現(xiàn)一屏展現(xiàn)、動(dòng)態(tài)模擬、可視化預(yù)測(cè)的一張圖功能。

在高性能算法和計(jì)算平臺(tái)的支持下，系統(tǒng)可將二維數(shù)據(jù)或圖紙快速轉(zhuǎn)化成三維圖像，直觀的提供地質(zhì)模型可視化、生產(chǎn)管理輔助、三維地質(zhì)模型剖切、工作面輔助設(shè)計(jì)、災(zāi)害模擬、事故救援指揮、生產(chǎn)資源調(diào)度，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景的三維顯示效果。

基于NB-IoT的煤礦安全管理：

集人員定位、視頻分析、車輛調(diào)度、環(huán)境檢測(cè)于一體。井下采集瓦斯?jié)舛?、CO濃度、粉塵、風(fēng)速、溫度、頂板壓力、液壓支架工作狀態(tài)等的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面監(jiān)測(cè)中心，這種方式無需通過有線傳輸，占用井下光纖的寬帶資源，而且NB-IOT耗電量小，傳輸時(shí)間長(zhǎng)，能保證設(shè)備數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸。

智能視頻分析：

有針對(duì)性的開發(fā)一系列匹配煤礦井下生產(chǎn)場(chǎng)景的視頻分析算法，利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)、光纖的大容量網(wǎng)、5G無線網(wǎng)結(jié)合后的大帶寬傳輸能力，形成高清晰度、多角度、全方位的礦井安全視頻采集。運(yùn)用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)煤礦工作視頻智能化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸環(huán)節(jié)、探放水環(huán)節(jié)、工作人員活動(dòng)行為等重點(diǎn)信息的自動(dòng)識(shí)別， 通過分析視頻圖像，及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害（透水、火光、濃煙、霧、大粉塵、冒頂?shù)龋?、人員違章、人員違規(guī)、人員狀態(tài)異常等情況，并指導(dǎo)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)有效運(yùn)行，解決目前視頻系統(tǒng)單一的事后追憶問題，提高礦井的安全生產(chǎn)水平。

基于NB-IoT的設(shè)備資產(chǎn)管理：

設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)通過對(duì)工業(yè)設(shè)備加裝物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)模組，利用內(nèi)置NB-IOT模塊，無需借助任何網(wǎng)關(guān)設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行低功耗、長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)通訊及交互，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、位置信息、數(shù)據(jù)采集的管理，在最終實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

主運(yùn)系統(tǒng)無人值守：

通過對(duì)運(yùn)載設(shè)備的升級(jí)改造，皮帶沿線覆蓋5G網(wǎng)絡(luò)，沿線設(shè)備經(jīng)過5G化改造（內(nèi)嵌模組或者加裝防爆網(wǎng)關(guān)），有效增加數(shù)據(jù)傳輸效率，為巡檢機(jī)器人的應(yīng)用提供通信基礎(chǔ)，從而有效代替人員巡檢，同時(shí)5G的高可靠和低時(shí)延可實(shí)現(xiàn)多條皮帶的運(yùn)行聯(lián)動(dòng)。高清視頻以更高的幀率可以精確識(shí)別煤流大小，調(diào)整皮帶啟停和速度，實(shí)現(xiàn)智能控制，節(jié)約能源。

人工智能和機(jī)器人：

將人工智能和機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合，利用邊緣計(jì)算就近處理的高性能分析能力聯(lián)動(dòng)工業(yè)集控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)管理閉環(huán)和機(jī)器替代人工作的應(yīng)用。目前基于邊緣計(jì)算構(gòu)建的AGV智能調(diào)度系統(tǒng)已趨成熟，可以利用AGV設(shè)備自動(dòng)完成煤礦重復(fù)、繁重、危險(xiǎn)、爬高等各場(chǎng)景的工作。

六、結(jié)論：

通過IPRAN融合5G高速網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)建礦山“人、機(jī)、物、環(huán)”物聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)煤礦工作面生產(chǎn)過程自動(dòng)化、采煤工藝智能化、工作面管理信息化以及操作的無人化。

通過信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻分析、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)監(jiān)控等功能，可大幅提升煤礦的生產(chǎn)效率與安全生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山可視化、智能化開采。