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5G+智慧采矿应用概况

  矿产资源是国民经济建设与社会发展的重要物质基础,传统采矿存在安全、效率和成本等方面诸多问题,5G+智慧采矿成为发展趋势。本文对5G在智能运输、远距控制、智能监控、无人化掘进、智能转运和融合组网六大场景中的应用进行分析,包括业务需求痛点、5G发挥的价值及案例。

  01 行业现状及痛点

  传统采矿存在安全、效率和成本等方面问题

  矿产资源是国民经济建设与社会发展的重要物质基础,但传统采矿存在生产环境恶劣、安全事故频发和生产效率不高等诸多问题,具体包括:

  1)矿山工作面危险系数高,露天矿面临塌方、滑坡等地质灾害,井工矿易发生顶板塌陷、瓦斯超标、透水等安全事故,矿山无人化需求强;

  2)5G网络需求迫切,矿用机械设备如挖掘机、电铲、采煤机、掘进机等设备在作业过程中处于快速移动状态,工作面的结构强度随时改变,现有的4G技术、Wi-Fi等无线通信技术传输距离短、穿透性差、不稳定、带宽窄、时延长等缺点,难以满足高清视频调度、远程操控、对信号带宽和时延的高精尖的要求;

  3)成本高。一方面矿工的高流动性导致招聘成本、管理运营成本持续上升,另一方面矿工的素质参差不齐,因操作不当等造成的车辆故障、人身事故、生产辅助材料浪费等现象层出不穷,导致材料成本、人力成本、运维成本居高不下。

  5G+智慧采矿成为必然选择

  5G+智慧采矿是以5G技术为基础载体,利用物联网、云计算、大数据、区块链、AI、VR 等先进技术与煤炭产业融合发展,实现矿山数据的全面感知、动态传输、实时分析,并形成科学的智能控制体系,为高层科学决策提供依据,为企业降本增效提供动力。

  5G的需求大致可以分为三种类型:一类是以上行数据传输为主的信息采集类,比如视频信息的采集,各类传感器信息的采集;一类是以下行数据传输为主的控制类应用,比如远程操控,自动驾驶等;还有一类是双向交互类,比如语音通信等。

  其中,采集类应用一般对上行带宽和支持的连接数要求比较高,例如视频采集类,一台1080p的摄像头就需要至少4Mbps的上行容量;控制类的应用主要是对时延和可靠性要求比较高;交互类业务对带宽、延迟要求中等,上下行流量基本对称。

  02 典型场景分析及案例

  场景一:5G智能运输

  对矿山井下有轨电机车运输系统来说,大部分需要现场岗位人员与驾驶员配合操作。每台电机车需配司机和矿工,通过相互配合才能完成。造成装矿效率低下、装载异常等问题,同时存在很大的安全隐患。

  5G智能运输依托于矿山5G专网,在运输车辆上增设测距雷达、AI摄像机、高精度GPS定位模块和北斗定位模块等数据采集终端,将采集的信号实时传输到信息处理平台。通过部署无人驾驶控制系统的矿车调度平台的综合处理后发出指令,实现矿卡远程操控、精准停靠、自主避障等无人驾驶功能,减少现场作业人员,有效降低安全事故发生率,同时可适应不同条件下生产系统的连续运行,大幅提高矿山运输效率。

  图1 5G智能运输场景示意图

  方案层面,以高速5G无线通信及工业环网为传输平台,以矿用轨道运输监控系统为安全依托,采用精确定位技术、图像识别处理技术和机车安全运调技术, 并结合矿井安全生产运输综合监控系统,具体包括:

  1)电机车自动控制改造:实现电机车自动运行,需要对机车的电气回路、机械回路、自动化系统与电气回路的连接进行改造测试,并安装车载控制系统 (5G无线通讯设备、协议转换设备、测速装置、障碍物检测装置、精确定位设备、机车视频等 ),同时进行牵引系统与机车本体控制融合调试,实现电机车远程自动控制;

  2)精准定位系统:机车通过UWB精准定位系统 , 结合5G定位将无人机车的每节车厢定位至自动放矿口下方;

  3)溜井远程遥控装矿系统 : 远程操作台可安装于地表控制中心,每套遥控操作台设置一套操作装置,实现远程手动遥控装矿。无人机车车厢精准定位后,远程自动放矿系统开启放矿模式,机车车厢矿石物料高度及视觉AI系统可控制每节车厢的放矿数量,实现与放矿机的连锁,使无人机车运输系统与远程放矿系统高度兼容统一;

  4)视频监控系统:基于5G的高清视频回传能够清晰地传递井下机车行驶情况,保障行驶安全。

  应用方面,中国移动联合千业水泥打造了“千业5G矿山绿色智能及矿产资源综合利用”项目,5G网络融合北斗高精度定位、车联网技术、纯电矿卡能量回收技术,实现了无人矿车的自动驾驶和协同编队、作业区域内车辆的集群调度,实现1人操控多台设备、运输车完全无人化操作,有效解决矿区安全驾驶问题,设备作业效率提升10%以上。

  场景二:5G超远距控制

  有色金属矿山生产环境艰苦,工作人员需要忍受高温、粉尘、高湿、有害气体、高海拔环境等,通常职业病高发,作业过程中的安全问题也非常突出。

  针对这些问题,可将矿山作业进行拉远处理,借助5G网络实现无人化作业。具体可在采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、皮带机的适当位置增设AI摄像头、传感器、执行终端实现智能化与信息化融合改装,使得矿用工程机械直接从调度中心远程控制系统接受指令,并传输到设备控制模块上,实现危险工作区的无人化作业,最大程度减少下井作业人员人数,有效降低安全事故发生率。

  图2 5G超远距控制场景示意图

  中国移动联合吕梁东义集团在鑫岩煤矿打造5G智慧矿山,实现井下5G基站大规模部署落地,共建设55个分站,建成2个智能化综采工作面,单班安全生产11刀煤(循环),开采约1万吨煤,可完全实现全天候通过中国移动5G专网远程控制生产。

  场景三:5G智能监控

  矿山场景中,可基于5G网络,将井下高清视频采集终端实时采集的高清视频回传至地面监控平台,通过算法实现基于机器视觉技术的人员不安全行为识别、物品的不安全状态实时监测预警和环境安全监测,更好满足生产安全监控要求,具体为:

  1)人员行为识别。在重点生产环节和作业场所安装高清摄像头,通过大带宽的视频回传,对人员威胁安全生产的危险行为进行智能识别,监督各工种高效生产,保证作业人员安全;

  2)“机”与“物”安全状态识别。对矿山生产所使用的设备、工具等辅助生产用具和生产相关的物件、物料,通过视频分析设备运行状况,保障每台设备的正常运转,保证设备的完好率,保证矿山的正常生产,避免和减少安全事故;

  3)环境安全。矿山园区安防需要无死角、高清、实时的监控系统,识别火灾、爆炸、交通违规行为等,保障生产经营正常有序运转和稳健发展。

  方案层面,基于5G边缘计算中心可通过5G网络实时获取多种视频源,由部署在5G边缘DC上的算法引擎和算法模型对图像进行推理分析,并形成推理结果,反馈给上层应用进行呈现。同时,为了解决新场景快速开发的问题,通过建设或者租用AI自主训练平台,有色金属行业用户可自行上传图片,由AI自主训练平台进行图片对象标注、模型训练、基于规则的模型编排和模型下载部署。

  图3 5G智能监控场景示意图

  针对5G高清视频监控场景,中国移动联合蒙发能源窝兔沟煤矿实现5G皮带无人盯守,基于5G的AI智能摄像机、机器人取代人工巡检和盯防,核心皮带等重要设备实时监测监控,在降低皮带故障率的同时实现无人盯防、无人巡检,提升矿山的智能化水平,提高生产效率。

  场景四:5G无人化掘进

  在地下矿山采掘作业中,爆破前确定布孔位置、方向及深度,进行钻孔,以及爆破后对现场喷水清理粉尘、排除盲炮隐患、清除顶板和侧帮浮石等,均需人工现场操作。

  依托5G网络,通过对掘进机等相关矿用生产设备进行智能化、信息化改造,加装隔爆兼本安型的传感器、摄像头、控制箱等终端,实现作业现场信息实时采集并传回控制中心,控制中心通过5G专网将远程控制信令下发至掘进机等矿用设备控制终端,实现设备的一键启停、远程操作控制等功能,有效降低危险作业区域安全事故发生率。

  图4 5G无人化掘进场景示意图

  方案上,在掘进巷道可通过井下可移动无线基站覆盖技术快速进行临时性的5G网络覆盖,通过矿山工业环网回传与井上集控中心互联互通,并通过对现场机械设备基于5G高清视频回传、超低时延控制以及人工智能等新技术为基础的智能化改造 , 实现装备的远程化甚至无人智能化作业。

  对于无人化掘进场景,中国移动联合山东黄金集团,实现井下凿岩台车的5G远程掘进作业,项目将凿岩工从井下危险的工作面解放到地表集控室,解决因爆破产生有毒气体的人员停工疏散难题,且有效减少井下作业人员,实现凿岩工的本质安全,提高井下作业工作效率15%以上。

  场景五:5G智能转运

  5G智能转运主要包括提升机漏料清理和胶带在线监测两方面:

  1)提升机漏料清理

  在使用提升机运输矿石的作业过程中,会有粉尘掉落到卷扬机的台面,漏料清理工作需卷扬机停机后进行人工清理,存在重大人身安全风险。需采用视觉识别判断清理时间,协同自动提升系统和清扫系统,适时启动清扫,避免了人工进行清扫作业带来的安全风险,有效阻止了灰尘飘散,降低劳动强度,改善工作环境。各系统联动实现精细化操作,提高矿石提升效率。

  通过5G高清视频回传、人工智能的视觉算法以及全自动的清扫机械系统等新技术 , 识别卷扬机台面的漏料堆积情况,机器视觉判定达到设定阈值后下发清理指令,系统可自动分析有关数据并提供趋势曲线、报警信息、运行时间等信息,实现清扫及提升等各系统之间数据共享与控制联动,自动化和可视化融合,最大限度地发挥智能化效益。作业全程不需要人工参与,避免人工作业的风险,也提高了矿石提升效率。

  图5 提升机漏料清理场景示意图

  2)胶带在线监测

  井下胶带主要部署在有色矿的转运系统中,负责把初碎后的矿石头输送到井上。也有部分胶带部署在矿石出地面后的运输及选矿供料,以及精矿尾矿压滤后的出口处。防止胶带跑偏等检测需求是胶带系统中各个环节维护人员重点关注问题。

  在边缘云中部署胶带实时检测防护系统应用,胶带实时监测防护系统整体采用视频监控探头、 温度传感器和嵌入式计算机技术,通过5G传输网络实现实时采集胶带设备启停控制工作电流、电压显示、胶带速度的检测和显示。可根据采集的设备电机温度、运行频率、风机状态等数据,通过相应算法实现胶带故障自诊断,实现井下掘进顺槽胶带、工作面顺槽胶带以及主运输胶带等的保护,控制、沿线通话、故障检测、显示及报警等功能。实现胶带跑偏识别,堆料识别,胶带掉料识别,撕裂识别,人员违章识别,异物识别与料量识别等场景。

  图6 胶带在线监测场景示意图

  场景六:5G井下融合组网

  将移动5G基站引入井下,融合5G、光纤环网、Wi-Fi 6等技术,实现井下巷道各区域的无线覆盖,保证端到端安全、可靠、稳定,满足基本通信需求的基础上,赋能生产环节,同时依托融合通信管控平台,实现矿山行业语音、视频、数据的统一接入、调度和管理,提升生产效率。

  针对井下融合组网场景,中国移动联合山西新元矿,将5G网络布局到地下534米的矿井,建成井下“超千兆上行”煤矿5G专用网络,实现井下全部作业面监控、井下采煤机无人操控、危险场景及时巡检监控等,解决了井下设备运行过程中线缆维护量大、信号经常缺失等问题,为远程操作人员提供全景高清作业视野,既有效降低危险作业区域安全事故发生率,也节省大量人力物力。项目完成后,预计单班助力井下作业减员20人,实现降本增效近千万元。

  03 未来展望

  2020年3月,国家发改委、工信部、能源局等8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》, 提出了煤矿智能化发展的三个阶段性目标:2021年建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿;到2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化;到2035年,各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。

  短期内,利用5G替换原有网络的替换类应用将成为5G+智慧矿山主要发展的应用类型。包括井下融合组网、5G+4K高清视频监控、矿用机械远程控制等。中期来看,3机1架(采煤机、掘进机、刮板输送机、液压支架)、电铲、矿卡等控制类业务,由于具备较高安全性和可靠性要求,仍在探索验证阶段,未来 2-3 年有望进入高速发展期。长期来看,随着5G SA 网络的成熟和完善,矿山智能调度平台、视频调度系统、人员定位系统、智能巡检系统、机车调度系统、移动调度系统等应用将逐渐成熟,全面赋能智慧矿山。

  参考资料:

  1. 信通院,《5G 应用创新发展白皮书》

  2. 信通院,中国移动《5G+云+AI: 赋能有色矿山数字化转型白皮书》

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