智能礦山5G技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用場景分析

李鳳英, 季現(xiàn)偉, 張維國, 谷龍飛, 張海勝

(1.云南黃金礦業(yè)集團股份有限公司, 云南 昆明 650299;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

隨著全球范圍內(nèi)信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)礦山行業(yè)正借助相關(guān)技術(shù)進行變革轉(zhuǎn)型[1]。 為了全面提升傳統(tǒng)礦山企業(yè)在國際市場的綜合競爭力,以及未來可持續(xù)發(fā)展的能力,我國先后提出以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、人工智能和5G 等新一代信息技術(shù)賦能礦業(yè)的指導(dǎo)政策,旨在推進“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”建設(shè)智能礦山,實現(xiàn)傳統(tǒng)礦業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級[2]。 2020年4月三部委聯(lián)合印發(fā)《有色金屬行業(yè)智能工廠(礦山)建設(shè)指南(試行)》,提出了老礦山智能化升級、新建礦山智能化建設(shè)的方法及路徑[3]。 隨著信息技術(shù)的發(fā)展,5G具備更低的時延,更高的速率,更大的帶寬,更好的業(yè)務(wù)體驗,有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點,正在逐步成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基石[4-5]。 同時,5G 技術(shù)依托機器學習、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù),可進一步解決數(shù)據(jù)利用率低、展示能力弱、傳輸不可靠、遠程控制實時性差、智能決策效率低等問題[6]。 為推動傳統(tǒng)礦山的智能化轉(zhuǎn)型,降低安全風險和生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,可借助5G 技術(shù)優(yōu)勢打造礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、無人化采掘、礦用機械遠程控制領(lǐng)域的信息化建設(shè)和發(fā)展。 目前在智能礦山建設(shè)方面,5G技術(shù)正在從概念探索到高質(zhì)量示范發(fā)展階段,國內(nèi)眾多礦山企業(yè)正在開展5G 礦山應(yīng)用場景探索,未來市場前景廣闊。

2 智能礦山5G 技術(shù)應(yīng)用概述

數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能了傳統(tǒng)垂直行業(yè)、軟件定義設(shè)備、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等新技術(shù),為信息產(chǎn)業(yè)上下游全生態(tài)鏈應(yīng)用提供了發(fā)展空間,而這些新技術(shù)落地應(yīng)用基本都是基于通信技術(shù)的發(fā)展[7]。 在礦山領(lǐng)域,如今采用的通信技術(shù)除了工業(yè)環(huán)網(wǎng),其主要無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還是以4G、WiFi、ZigBee 等為主,受制于礦山開采活動存在于較封閉的乃至地下千米以上的環(huán)境之中,傳統(tǒng)通信技術(shù)不足以支撐礦山智能化轉(zhuǎn)型所需要的數(shù)據(jù)傳輸與實時處理的需求。

5G 是第五代移動通訊系統(tǒng)的簡稱,與上一代通信技術(shù)相比,其高速率、泛在網(wǎng)、低時延、頻譜共享、網(wǎng)絡(luò)自組織、網(wǎng)絡(luò)切片等特性,能夠適用于礦山這一特殊工業(yè)場景[8]。 將5G 技術(shù)用于礦山,滿足大型移動設(shè)備的遠程遙控、固定設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、安全環(huán)保的實時監(jiān)測、運營決策的實時優(yōu)化等需求,使礦山逐步向無人化邁進,實現(xiàn)礦山的降本增效[9]。 由于礦山本身具有空間狹小、交通與通訊不發(fā)達、生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、安全風險較大的特點,礦用5G 通信技術(shù)應(yīng)用必須滿足以下要求:設(shè)備外觀體積小,便于狹小空間部署;信道容量大,滿足海量多元數(shù)據(jù)的上傳及下達;定位準確,能夠克服信號在井下的多徑衰弱現(xiàn)象;抗干擾能力強,能夠克服井下電磁干擾;防護性能好,能夠在井下潮濕、強振環(huán)境中保持其穩(wěn)定,需要本安型設(shè)備以滿足礦山安全規(guī)程要求。

3 智能礦山5G 技術(shù)應(yīng)用場景

3.1 礦山公共場景應(yīng)用

1)智能采礦

礦山的采礦環(huán)節(jié)通常采用鑿巖爆破、鏟裝運輸進行生產(chǎn)。 通過在回采進路、運輸巷道等相關(guān)的作業(yè)重點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,將采礦的鑿巖設(shè)備、鏟裝設(shè)備、運輸設(shè)備等改造,裝備信息采集裝置、生產(chǎn)調(diào)度終端、視頻信息采集裝置、視覺傳感器、雷達傳感器等實現(xiàn)采礦設(shè)備遠程作業(yè)、實時對作業(yè)量、設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的信息采集,接收采礦自動化管控平臺下發(fā)的作業(yè)調(diào)度指令及工藝指導(dǎo),提高生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理的動態(tài)響應(yīng)能力,結(jié)合地質(zhì)資源計劃和采區(qū)溜井料位,支撐采礦生產(chǎn)過程的智能化決策。

2)智能選礦

現(xiàn)場不適合有線方式布線條件下,如選礦廠的破碎、磨礦、選礦、精礦濃縮包裝、尾礦輸送全工藝的數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、自動化控制、專家系統(tǒng)指標調(diào)優(yōu)等的數(shù)據(jù)大容量、低時延的傳輸,即可采用5G 網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。 選礦廠配套給水、供電、通信、自動化、供熱、排水、安防、道路等工程所依靠的網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用系統(tǒng)可采用5G 技術(shù)。 整合選礦廠工業(yè)控制、視頻監(jiān)控、管控管理網(wǎng)絡(luò)的主干鏈路,通過高可靠的5G 核心網(wǎng)承載,降低網(wǎng)絡(luò)時延,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬,并將信息化系統(tǒng)里的業(yè)務(wù)管控平臺(設(shè)備管理、物資管理、能源管理等)、廠區(qū)內(nèi)外的人員和車輛管控調(diào)度、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)融合,建立智能化選廠數(shù)字孿生管控一體化平臺。

3)智能安環(huán)

礦山行業(yè)的特殊性和復(fù)雜性,致使礦山的危險有害因素和安全環(huán)保風險較高,利用5G 技術(shù)圍繞露天及地下礦安全態(tài)勢監(jiān)測預(yù)警、設(shè)備智能感知預(yù)警、智能視頻監(jiān)控、人員定位與培訓等系統(tǒng)建立安全云平臺,搭建政企聯(lián)動互動工作平臺和資源調(diào)動平臺,對礦山的生產(chǎn)風險因素實時分析和預(yù)警,確保及時發(fā)現(xiàn)問題,減少礦山企業(yè)和作業(yè)人員的財產(chǎn)以及生命受到的損失和傷害,建立本質(zhì)安全、綠色生態(tài)的礦山。

3.2 露天礦典型應(yīng)用

1)礦車無人駕駛

露天礦的車輛以無軌為主,包括礦卡、電鏟、鉆機、油氣補給車、清掃車、調(diào)度指揮車等,礦山智能化的推進會將車輛運行狀態(tài)信息數(shù)字化,監(jiān)測設(shè)備的活動軌跡和健康狀態(tài),通過智能調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)度確保采取最佳路線,最小的待機時間和排隊時間,提高設(shè)備有效作業(yè)率,同時更高級的無人駕駛則會需要智能行駛、自動避障、自動卸載、智能作業(yè)等功能。 要實現(xiàn)上述的信息化乃至無人化的車輛管理,則需對各類車輛加裝視覺傳感器、雷達傳感器、車載終端、車輛信息采集傳感器等眾多的車載設(shè)備,對車輛本身狀況及車身周邊環(huán)境等提前采集,并對車輛下一步動作提出實時指揮。 這個過程中會對大量的視頻、音頻以及其他類型數(shù)據(jù)上傳并下發(fā),對網(wǎng)絡(luò)的延時要求極高,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)顯然不能滿足上述需求,借助5G 網(wǎng)絡(luò)的特性,可以為車輛無人駕駛提供實時迅捷的數(shù)據(jù)通道。

2)礦山三維建模

露天礦三維模型的及時更新對礦山排產(chǎn)、爆破、邊坡治理等具有重要作用。 露天礦傳統(tǒng)的建模方式為技術(shù)員人工輸入鉆孔數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)等,存在效率低、精確度難以保證等問題。 依托5G 技術(shù)的超大帶寬、超高速率、超高可靠性、超低時延等特性,可以結(jié)合無人機對露天境界定期掃描,測量數(shù)據(jù)通過5G 網(wǎng)絡(luò)逐級傳輸至對應(yīng)服務(wù)器,經(jīng)過處理后載入三維礦業(yè)軟件,用于露天礦的三維模型更新及開采設(shè)計,以提升三維模型構(gòu)建流程的效率及模型的準確性。

3.3 地下礦典型應(yīng)用

1)生產(chǎn)遠程實時控制

對地下礦山開采全流程生產(chǎn)作業(yè)低時延、高效率的遠程管控及任務(wù)的上傳及下發(fā)是能否實現(xiàn)礦山智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)要求,也是最為核心的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于傳統(tǒng)礦山而言,因受制于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的冗雜、傳輸協(xié)議的多樣化、網(wǎng)絡(luò)的高時延等因素,使得地表的智控中心只能對一些非核心作業(yè)流程、不要求實時管控的設(shè)備進行控制。 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的特性,建立以5G+有線+WiFi 的多網(wǎng)融合系統(tǒng),可為地下礦生產(chǎn)運營及管控提供技術(shù)支撐。

2)井下遠程協(xié)同運維

隨著礦山逐步向大型機械化、自動化乃至智能化方向推進,設(shè)備的維修、保養(yǎng)也逐漸超過了礦山傳統(tǒng)維保人員掌握的技術(shù)水平,需要對應(yīng)廠家的設(shè)計者、制造者以及專業(yè)維保人員配合完成。 而專業(yè)的現(xiàn)場服務(wù)往往存在不能及時到達的情況,若能借助于5G 網(wǎng)絡(luò),將現(xiàn)場故障設(shè)備的歷史運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場維修人員的語音、視頻溝通信息上傳至遠程運維系統(tǒng),相關(guān)專家通過遠程診斷對設(shè)備提出維保建議,甚至通過VR 技術(shù)遠程投射專家操作,以實時向現(xiàn)場維修人員演示操作并提供指導(dǎo)。

3)井下有軌運輸無人駕駛電機車

5G 網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延、廣聯(lián)接等特性給運營商及行業(yè)生態(tài)伙伴應(yīng)對挑戰(zhàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 有軌運輸中段一般處于礦山最深水平,巷道屬于高溫,高濕、強電、高密度灰塵環(huán)境,且巷道連續(xù)拐彎、道路分叉、有軌運輸滿載運輸擠壓通道導(dǎo)致環(huán)境更加復(fù)雜。 對此類特殊環(huán)境下的設(shè)備部署和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進行5G 技術(shù)的應(yīng)用研究(包括信號的雙發(fā)選收、UPF 下沉、基站的冗余部署等手段),能夠保障良好的通訊環(huán)境。 通過建設(shè)井下有軌運輸無人駕駛專用5G 網(wǎng)絡(luò),能夠使下行速率保持在800 兆以上,上行速率穩(wěn)定保持在百兆以上,端到端時延小于20 毫秒,可充分滿足電機車車載超高清視頻類大數(shù)據(jù)量傳送以及電機車重要控制工業(yè)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的延時和穩(wěn)定性的高需求。

在某礦山無人駕駛建設(shè)中,采用了5G SA 網(wǎng)絡(luò)+UPF為核心架構(gòu),構(gòu)建一張高質(zhì)量5G 無線網(wǎng)絡(luò),充分滿足無人駕駛、后期智能開采通訊、監(jiān)控及安全、可靠性需要。 由終端采集的數(shù)據(jù)通過5G 基站接入無線網(wǎng)絡(luò),通過UPF 截斷數(shù)據(jù)并進行本地分流到本地部署的控制中心,實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出場區(qū),保證數(shù)據(jù)生產(chǎn)、使用的全業(yè)務(wù)流程均在園區(qū)內(nèi)完成,保證數(shù)據(jù)的安全。 實現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的隔離,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟LA 性能保證(速率保證、時延保證)。 圖1 所示為5G 在有軌無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖1 5G 在有軌無人駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

4 智能礦山發(fā)展路徑及技術(shù)

4.1 礦山數(shù)字孿生與虛擬化

虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、數(shù)字孿生技術(shù)在礦山主要用于礦山地質(zhì)模型、井巷工程三維模型、選廠三維模型等的可視化展示、作業(yè)人員的崗前安全培訓、大型設(shè)備的井上虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備操作培訓以及井下復(fù)雜施工作業(yè)流程的模擬及教學。 借助于井下固定設(shè)施運行數(shù)據(jù)、微震監(jiān)測傳感器、精準定位傳感器、移動設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)等實時井下作業(yè)環(huán)境指標以及各類設(shè)備的運行信息,打造實體礦山全場景、全生產(chǎn)流程、全生產(chǎn)要素仿真平臺。 以礦山生產(chǎn)流程為主線,構(gòu)建整個礦山生產(chǎn)全景、全流程、全信息要素展現(xiàn)的智能礦山三維可視化管控平臺,實現(xiàn)所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化,最終打造與實體礦山映射的數(shù)字孿生礦山。 實現(xiàn)多角度、全方位礦山人員、設(shè)備、安全、生產(chǎn)、環(huán)境可視化管控,繼而對全礦生產(chǎn)運行健康狀態(tài)做出實時分析及優(yōu)化決策[10-17]。

通過礦山數(shù)字孿生與虛擬化將信息系統(tǒng)整體有機結(jié)合,在礦山實際生產(chǎn)操作流程中,將仿真模擬所得的結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)發(fā)送至現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備,設(shè)備作業(yè)數(shù)據(jù)又實時反饋至仿真平臺用于指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)操作。 依靠5G 技術(shù)eMBB 的優(yōu)勢,可以將各類設(shè)備、管理等數(shù)據(jù)低時延的用于生產(chǎn)模型、決策模型的更新,滿足數(shù)字孿生礦山的應(yīng)用需求。 礦山數(shù)字孿生和虛擬化平臺建設(shè)有利于設(shè)計優(yōu)化、穩(wěn)定生產(chǎn)指標、智能化管控、安全生產(chǎn)管理,并具有節(jié)約生產(chǎn)時間、減少危險崗位人員配置、減少備品備件及產(chǎn)出品的庫存積壓等優(yōu)點。

4.2 大數(shù)據(jù)處理及人工智能技術(shù)

礦山要實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級,其區(qū)別于傳統(tǒng)自動化、信息化之處在于對礦山生產(chǎn)大數(shù)據(jù)、設(shè)備大數(shù)據(jù)、物資大數(shù)據(jù)、安全大數(shù)據(jù)、能耗大數(shù)據(jù)、技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)、經(jīng)營業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等進行深度挖掘并依靠人工智能技術(shù)建立相應(yīng)的模型及算法,用以指導(dǎo)礦山向智能化決策邁進。 而上述海量數(shù)據(jù)的來源主要是現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)施、固定設(shè)備、移動設(shè)備所加裝的各類傳感器,數(shù)據(jù)格式呈現(xiàn)多元化,運用人工智能和機器學習等理論和算法,不斷積累生產(chǎn)和管理過程的決策信息,提升系統(tǒng)仿真決策能力,向礦山?jīng)Q策者和管理人員提供及時有效的生產(chǎn)、成本、效益決策信息,實現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營雙流程自主決策,助力礦山進一步提升生產(chǎn)運營管理水平及能力。

5 結(jié)論

隨著當前全球范圍內(nèi)的地緣政治沖突逐漸加劇,世界能源格局正在重塑,保障國家戰(zhàn)略能源安全是當前礦業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)。 推進我國礦業(yè)與信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的深度融合,是實現(xiàn)我國礦業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、全面整合礦產(chǎn)資源的關(guān)鍵所在;也是加大關(guān)鍵礦種國際話語權(quán),保障國家戰(zhàn)略資源安全的核心。

智能礦山是新技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用而帶來的未來礦山的目標,應(yīng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)之上,借助5G 技術(shù)的優(yōu)勢,徹底解決礦山數(shù)據(jù)從采集、傳輸?shù)椒治鰶Q策全流程的數(shù)據(jù)煙囪問題,進而逐步實現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化和管理流程的重塑。 5G 網(wǎng)絡(luò)與多種新技術(shù)的融合將全面促進礦山“礦石流”的信息化管控、無人化開采、智能化運營。 隨著5G 技術(shù)的不斷研發(fā)及推廣,其技術(shù)逐漸下沉至垂直行業(yè)將會引發(fā)更多具備通信知識的多專業(yè)復(fù)合型人才的涌現(xiàn),5G 網(wǎng)絡(luò)在礦山的大范圍落地應(yīng)用將會把智能礦山推入新的發(fā)展階段。