非煤智慧礦山建設(shè)中5G技術(shù)應(yīng)用前景

胡乃民

（中國中鋼集團有限公司，北京100080）

近年來，非煤智慧礦山建設(shè)仍處于智能化建設(shè)初級階段。針對數(shù)據(jù)利用率低、展示能力弱、傳輸不可靠、遠(yuǎn)程控制實時性差、智能決策效率低等問題，礦山無線寬帶通信及機器學(xué)習(xí)、人工智能等先進技術(shù)是解決該類問題的有效手段［1］。當(dāng)前，新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入高層布局階段，其共同點是發(fā)力于科技端，注重戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟的刺激。在最新發(fā)布的新基建政策中，5G網(wǎng)絡(luò)排在第一位，有著非常重要的技術(shù)、經(jīng)濟、政治和社會地位。2020年3月，工業(yè)和信息化部《關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》中指出，要充分發(fā)揮5G新型基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模效應(yīng)和帶動作用，積極構(gòu)建“5G+”新經(jīng)濟形態(tài)，支撐經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展。2020年5月，采礦行業(yè)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”全國現(xiàn)場工作會議發(fā)布了第一批重點行業(yè)和應(yīng)用場景，并指出采礦業(yè)要繼續(xù)加強5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以生產(chǎn)機械化、設(shè)備智能化、作業(yè)無人化、管理一體化為目標(biāo)，全力打造本質(zhì)安全、綠色高效的智慧礦山。為了進一步推動我國非煤智慧礦山建設(shè)進程，本研究結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)階段非煤智慧礦山建設(shè)存在的不足，并結(jié)合部分礦山建設(shè)實例，就非煤智慧礦山建設(shè)中5G技術(shù)的應(yīng)用前景進行討論。

1 非煤智慧礦山建設(shè)面臨的問題

智慧礦山是能為各類決策提供智能化服務(wù)的數(shù)字化智慧體，利用時間和空間的四維地理信息、大數(shù)據(jù)、計算機控制軟件、云計算、虛擬化及各種通信網(wǎng)絡(luò)，將各類傳感感知、智能決策、自動控制、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)集成并進行一體化應(yīng)用，深度融合工業(yè)自動化、礦山信息化，最終實現(xiàn)礦山企業(yè)的信息實時精準(zhǔn)采集、規(guī)范化信息集成、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、生產(chǎn)流程自動化運行、生產(chǎn)可視化展示，對相關(guān)的危險源、隱患和故障進行預(yù)測和防范，使整個礦山具有自我學(xué)習(xí)、分析和決策的能力［2］。

礦山智慧化是一個不斷發(fā)展的過程，隨著科技水平的提高，智慧化程度也會不斷深入。非煤智慧礦山的建設(shè)一般可劃分為4個階段：①“點上的無人”，實現(xiàn)單個系統(tǒng)、單項技術(shù)的智能化；②“面上的無人”，實現(xiàn)多個系統(tǒng)的智慧化；③“礦井的無人”，實現(xiàn)井下生產(chǎn)、安全、后勤系統(tǒng)的無人；④“礦區(qū)系統(tǒng)的無人”，在礦井無人的基礎(chǔ)上實現(xiàn)開采、運輸?shù)鹊V區(qū)一級系統(tǒng)無人作業(yè)，并且應(yīng)用新一代信息技術(shù)手段，輔助管理人員決策。

目前，多數(shù)礦山企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型初期已建成采、掘、運、裝、卸等多個系統(tǒng)，實現(xiàn)大型固定設(shè)施崗位的無人值守，處于從單個系統(tǒng)智能化向多個系統(tǒng)智慧化發(fā)展的階段。局部的改造雖然讓企業(yè)生產(chǎn)投入有所下降、效益有所提升，但是從長遠(yuǎn)角度看，仍面臨著不少問題，如表1所示。

只有將非煤礦山建設(shè)成一個有機整體，實現(xiàn)井下生產(chǎn)無人化，才能有效解決礦山建設(shè)中面臨的問題。井下環(huán)境復(fù)雜、環(huán)節(jié)眾多且設(shè)備隨時移動，有線網(wǎng)絡(luò)難以部署，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延等條件無法滿足數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨?。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)在速度、時延、安全等方面有了本質(zhì)的提升。如果將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到礦山生產(chǎn)中，勢必有助于為非煤礦山實現(xiàn)無人生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

2 5G技術(shù)特點

5G網(wǎng)絡(luò)從1G到4G實現(xiàn)了人與人之間的通信轉(zhuǎn)向人機物互聯(lián)。5G網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前移動通信技術(shù)的最高峰，嚴(yán)重影響著人類生活、生產(chǎn)方式和社會的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)對于移動通信要求更高，主要表現(xiàn)在速度、時延、安全性等方面（表2）。

3 5G技術(shù)在非煤智慧礦山中的應(yīng)用前景

3.1 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)管助力勞動生產(chǎn)率提高

實時遠(yuǎn)程控制是礦山智能化開采的難題。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要經(jīng)過多重路由和協(xié)議將各類設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳輸至井上，在數(shù)據(jù)傳輸過程中一旦發(fā)生數(shù)據(jù)泄露等網(wǎng)絡(luò)安全事故，后果將十分嚴(yán)重。出于安全性考慮，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下很少對生產(chǎn)設(shè)備實行遠(yuǎn)程實時控制。此外，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上行速度較低，難以滿足數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨蟆?G網(wǎng)絡(luò)依靠其高速、低時延、安全可靠的特點為解決這一難題提供了技術(shù)支持。將控制安全、數(shù)據(jù)安全等系統(tǒng)化安全技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的安全體系相結(jié)合，保障信息安全傳輸，促進井下生產(chǎn)從“有人”到“少人”的轉(zhuǎn)變，改變?nèi)藗儗τ诜敲旱V山“生產(chǎn)危險性高、勞動強度大”的傳統(tǒng)印象，緩解用工荒問題，助力礦山企業(yè)降本增效，提高勞動生產(chǎn)率。

3.1.1 生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制

在井下生產(chǎn)區(qū)域和井上辦公區(qū)域分別部署業(yè)務(wù)網(wǎng)和辦公網(wǎng)，通過5G技術(shù)實現(xiàn)礦區(qū)多網(wǎng)合一全覆蓋。在保障信息傳輸安全的同時，實現(xiàn)井上與井下信息無障礙交互、全礦各系統(tǒng)集中監(jiān)控、危險預(yù)警及固定設(shè)施無人監(jiān)管。在生產(chǎn)現(xiàn)場投入更加全面的監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)視頻聯(lián)動，確保井下生產(chǎn)區(qū)域安全和現(xiàn)場關(guān)鍵作業(yè)節(jié)點全面可視化管理。

應(yīng)用5G移動智能巡檢機器人，將井下4K超高清監(jiān)控視頻、環(huán)境參數(shù)、紅外成像等數(shù)據(jù)實時回傳至井上并存儲［11］，智能巡檢機器人系統(tǒng)如圖1所示。在生產(chǎn)設(shè)備上加裝5G傳輸模組，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、快速安全傳輸、狀態(tài)分析、智能判斷及故障預(yù)警，確?，F(xiàn)場一旦出現(xiàn)異常報警，監(jiān)管人員能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程迅速處置。

河鋼集團研發(fā)的智能巡檢機器人將嵌入式系統(tǒng)與云計算技術(shù)相結(jié)合，成功試運行3個月。在非煤礦山領(lǐng)域特殊場所代替人工完成巡檢工作，具有5G實時數(shù)據(jù)回傳、自主/手動運行模式自由切換、故障報警等功能，運用手機APP和云端智能巡檢管控平臺完成遠(yuǎn)程全自動巡檢，助力企業(yè)降本增效。三山島金礦與萊州聯(lián)通共同打造的“5G+人工智能”遠(yuǎn)程操控?zé)o人駕駛鑿巖臺車測試成功，通過無線通訊、5G網(wǎng)絡(luò)實時采集傳輸數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程無線遙控，降低了井下人員安全風(fēng)險，提升了企業(yè)經(jīng)濟效益。

3.1.2 智能調(diào)度

調(diào)度是將視頻、音頻數(shù)據(jù)相融合，5G技術(shù)擴展了調(diào)度范圍和精確性。智能調(diào)度可以使井上井下人員對機車、監(jiān)控、電力、人員、設(shè)備、通訊等進行多方面調(diào)度，實現(xiàn)多部門聯(lián)動、多級調(diào)度，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動聯(lián)動視頻、音頻智能預(yù)警系統(tǒng)［12］。

3.2 無人化操作打造安全生產(chǎn)新風(fēng)貌

在非煤礦山中，人是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素，但是人的生理及技術(shù)水平等因素會導(dǎo)致諸如疲勞、粗心等問題的出現(xiàn)，需要通過機械自動化、信息化和智能化技術(shù)做好各種防控監(jiān)管工作。企業(yè)生產(chǎn)流程中人、物、管理制度、生產(chǎn)系統(tǒng)達到安全可靠，控制住各個危害因素，使得本質(zhì)型、恒久型安全目標(biāo)逐步實現(xiàn)，即是本質(zhì)安全［13］。礦山無人化操作對網(wǎng)絡(luò)速度和時延要求較高，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)難以滿足，故目前非煤礦山無人化操作尚未完全實現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)礦井上下實時通信，為井下生產(chǎn)環(huán)境的無人化操作奠定了基礎(chǔ)，有助于降低人工勞動力成本，打造安全生產(chǎn)新風(fēng)貌。

3.2.1 5G+VR/AR

在巷井中覆蓋5G無線網(wǎng)絡(luò)，解決生產(chǎn)設(shè)備隨時移動的問題，利用5G網(wǎng)絡(luò)上下行解耦技術(shù)，并結(jié)合VR、AR技術(shù)模擬井下生產(chǎn)環(huán)境，助力礦工在井上控制室操作，實現(xiàn)井巷內(nèi)高清視頻、無線監(jiān)控、設(shè)備無人值守等高效應(yīng)用。2019年10月始，山東移動聯(lián)合山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司，針對井下作業(yè)危險、人力成本高、網(wǎng)絡(luò)傳輸及安全性等問題，對礦井巷道實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，實現(xiàn)上行50 M～100 Mbps速率，滿足井下電機車、鏟礦車高清視頻回傳，部署MEC降低時延，實時遠(yuǎn)程控制電機車、鏟礦車，達到了節(jié)省人力等成本，提高井下作業(yè)時效的目的。同年，江西移動攜手江銅集團、華為、航天重工等企業(yè)利用5G+VR技術(shù)實現(xiàn)了礦山設(shè)備的智能化管控。

3.2.2 礦車無人駕駛

將無人駕駛技術(shù)應(yīng)用在鏟運機、運輸車等設(shè)備上，在井下行駛中，5G網(wǎng)絡(luò)實時對三維地圖數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，實時共享各傳感器間的數(shù)據(jù)，提升設(shè)備的環(huán)境感知能力［14］。5G網(wǎng)絡(luò)將無人礦車、礦山道路和運輸系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)車輛、道路和井上運輸系統(tǒng)的實時通訊。實現(xiàn)井下運輸系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化將會很大程度提高作業(yè)效率，實現(xiàn)礦井智慧化管理。通過5G網(wǎng)絡(luò)可將采集到的車輛、設(shè)備、物資及環(huán)境等相關(guān)參數(shù)信息大規(guī)模、實時傳輸至最近的基站，應(yīng)用邊緣計算技術(shù)，在最短時間內(nèi)完成計算并響應(yīng)，提升車輛運輸效率和設(shè)備運行效率，保障運輸系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程安全有效，降低井下安全事故發(fā)生率。井下無人駕駛系統(tǒng)如圖2所示。

紫金山金銅礦借助5G、光纖、WiFi等通信技術(shù)，工業(yè)環(huán)網(wǎng)及5G高速無線通信技術(shù)，研發(fā)了井下架線式電機車無人駕駛系統(tǒng)［15］。在礦石品位、溜井、卸礦站地點不同的情況下，11臺無人機車可同時有序運輸，日運輸?shù)V量達到4萬t以上。

寶武馬鋼南山礦和尚橋采場在中國電信5G+MEC邊緣計算平臺的基礎(chǔ)上，建設(shè)了無人駕駛礦用卡車項目。該項目集成智能調(diào)度、設(shè)備監(jiān)測、寬體自卸車無人駕駛、應(yīng)急管理及網(wǎng)絡(luò)傳輸定位等，2020年9月底，2臺無人駕駛礦車已混編入有人駕駛礦車，并累計運行1 310 km。2020年10月底，無人駕駛礦車增加至5輛，2020年底增加至10輛［16］。

3.2.3 AI感知

5G技術(shù)的另一應(yīng)用即AI感知。非煤礦山可以通過AI圖像識別技術(shù)，實時準(zhǔn)確識別設(shè)備損傷情況，并對損傷的位置進行定位，不僅監(jiān)測損傷設(shè)備的運行狀態(tài)，還能夠?qū)p傷設(shè)備自動停放到相應(yīng)位置等待檢修?！?G+云+AI”將智慧化貫穿于生產(chǎn)作業(yè)全場景，進行在線模型的開發(fā)、訓(xùn)練，生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，隱患識別，人員行為識別，實現(xiàn)全感知、全聯(lián)接、全計算。

3.3 一體化管控優(yōu)化管理變革

傳統(tǒng)粗放管理模式下，由于缺少數(shù)據(jù)，對于生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，只能依靠經(jīng)驗進行處理，無法支撐對更多過程細(xì)節(jié)的管控，難以對各類風(fēng)險做出預(yù)警。隨著“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，為非煤礦山實現(xiàn)智慧化生產(chǎn)和精益化管理提供了可能。實現(xiàn)非煤礦山智慧化生產(chǎn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和生產(chǎn)流程，精益管理通過構(gòu)建合理的生產(chǎn)方式和流程，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性，從而解決礦山生產(chǎn)過程中的不確定性問題，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實時分析各類數(shù)據(jù)實現(xiàn)對礦山安全生產(chǎn)的監(jiān)測，綜合評估相關(guān)災(zāi)害，為礦山管理方式由“經(jīng)驗管理”向“智慧化管理”轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

基于5G網(wǎng)絡(luò)搭建“非煤智慧礦山一體化管控平臺”（圖3），收集井下各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合新一代信息技術(shù)對其進行可視化分析，通過5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)快速［17］、安全可靠地上傳至管控平臺，可實現(xiàn)全生產(chǎn)周期管理的海量數(shù)據(jù)采集，以及各系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)之間的互聯(lián)互通、有效聯(lián)動，幫助管理人員掌握礦山情況、輔助作出決策，有助于降低各業(yè)務(wù)部門間信息不對稱的程度，解決傳統(tǒng)礦山生產(chǎn)過程各自為政的難題，避免形成“信息孤島”導(dǎo)致的煙囪式管理模式［18］。運用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等相關(guān)前沿技術(shù)，以降本增效、穩(wěn)定質(zhì)量為目的，對礦山安全管理方式進行優(yōu)化，構(gòu)建自主學(xué)習(xí)、AI感知、輔助決策、協(xié)同控制、互聯(lián)互通的一鍵式生產(chǎn)管理系統(tǒng)，建設(shè)生產(chǎn)、運營、管理一體化的智慧礦山。

安慶銅礦井下泵房、地表泵房、壓風(fēng)機房、總降變電所等先期項目已應(yīng)用5G智能技術(shù)，系統(tǒng)集成和資源數(shù)字化基本實現(xiàn)，生產(chǎn)經(jīng)營大數(shù)據(jù)分析平臺正在完善中，有助于實現(xiàn)智能診斷、生產(chǎn)流程優(yōu)化、經(jīng)營決策優(yōu)化等，打造智能化礦山［19］。洛陽鉬業(yè)已對5G技術(shù)遠(yuǎn)程采礦系統(tǒng)進行調(diào)試應(yīng)用，可通過屏幕查看礦區(qū)周圍高清視頻，操作人員可遠(yuǎn)程控制挖掘機，誤差較小。

4 結(jié)論

（1）5G網(wǎng)絡(luò)在智慧礦山中的應(yīng)用還處在摸索階段，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，5G基站建設(shè)成本會不斷降低，5G技術(shù)高傳輸速率及井下高效巡檢優(yōu)勢明顯，進一步促進了5G網(wǎng)絡(luò)在非煤礦山的應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用將成為智慧礦山建設(shè)的重要轉(zhuǎn)折點，基于VR、AR技術(shù)的相關(guān)培訓(xùn)及開采模擬是礦山智能生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的融合也將為非煤礦山井下安防、井下無人駕駛、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管控平臺運行、遠(yuǎn)程控制、高精度定位助力，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時分析與決策支持。

（2）智慧礦山是礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略方向和目標(biāo)，應(yīng)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以5G網(wǎng)絡(luò)等新一代信息技術(shù)手段為依托，采用云和虛擬化技術(shù)，有效解決通訊傳輸層問題，構(gòu)建礦山“大腦”，助力礦山安防，實現(xiàn)智能化開采，打造“新常態(tài)下冶金地下礦生產(chǎn)一體化精準(zhǔn)管控平臺”，推行“一站式礦山、一鍵式生產(chǎn)”新管理模式；總結(jié)形成本質(zhì)安全、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)能力、疫情防控、綠色生產(chǎn)、綜合治理的“六位一體”智能化集控管控模式；建設(shè)各類信息集成標(biāo)準(zhǔn)化、運行管理一體化、經(jīng)濟運行最優(yōu)化、資源利用最大化、業(yè)務(wù)應(yīng)用互動化、決策支持智能化的一體化綠色非煤智慧礦山，不斷開創(chuàng)安全、綠色、可持續(xù)的非煤智慧礦山發(fā)展新模式。