4G-LTE的智能化礦山系統設計與實現研究

邱志順

（中色大冶有色金屬集團控股有限公司，湖北 黃石 435101）

運輸車、挖掘機等均是露天礦山開采作業活動中的常用重要工具類型，長期沿用著人工操作的傳統模式，礦區地質條件多變，不可預測因素偏多，很可能對駕駛及作業人員生命安全構成威脅，還會面對采空區這一特殊作業面，采區邊坡在長期裸露、爆破震動等多種因素的作用下，方位及界限會出現不同程度變化，規模逐漸拓展，對人車安全性構成的威脅也相應增加。加大遠程無人式操控智能化系統，結合現有技術手術探查采空區相關信息，在此基礎上擬定更適宜的開采方案，將采區片幫等事故發生率降至最低，維護作業過程的安全性，協助礦業企業獲取更高的經濟效益。

1 研究背景

礦山行業屬于我國的傳統基礎產業之一，高危險、高強度、勞動密集性等是該行業運作的主要特征，安全生產始終是礦山行業業務運營階段必須遵照的基礎原則，在國際、國內社會等多方壓力的作用下，國內礦山企業轉型發展一定要持續推進，積極扭轉過往生產模式，樹立與時俱進的發展理念，以最前端的信息通信技術為支撐，最大限度的提升礦區生產現場指揮調度的多元化、智能化水平，降低露天作業用工數目、減輕勞動強度及壓力、最大限度的提升開采作業的安全保障水平，最后打造出礦區高產高效生產的大格局，以上是從根本上扭轉礦山傳統生產方式與行業發展狀態的有效方式之一。

當下，國內礦山行業內廣泛應用的安全監控系統盡管在應對礦區安全生產問題方面體現出一定效能，但面對礦區日益復雜的生產條件，傳統系統運行階段暴露出實時性差、節點傳導距離過長、高電磁環境下穩定性偏差等問題，以上問題若長期不被解除，將會對礦山安全監控技術水平提升過程起到較明顯的制約作用[1]。開發智能化安全監控系統是近些年業內眾多學者的共同追求，為應對如上問題而做出建設4G-LTE網絡系統的提議。

4G-LTE專網運行階段具備較高的安穩性與先進，其把調控指令經4G無線網絡整合至控制系統內，協助礦區安全管理人員更全面、直觀的獲取露天礦區生產信息，從最基礎環節保障礦山安全生產能效，在系統內配置安裝的上位機軟件有操作流程簡易、應用便捷等許多優勢，能產出畫質優良的圖像、保證了視頻資源的傳導效率，且有預測或預警礦區危險事故的功能。

2 系統分析

2.1 主要結構規劃設計

智能化礦山生產系統大體上由如下幾部分構成[2]：

（1）應用層：應用服務器、圖像調整軟件、操控平臺、視頻服務器、礦區機械設備生產狀態呈現等。

（2）網絡層：一體式4G-LTE專網基站、調度機及和外界環境互聯互通的界互聯的PSTN網絡等是該層次的主要構成。

（3）終端：由運送、鉆孔、挖掘等諸多設備設施構成。

2.2 功能分析

（1）視頻調度。分別利用車載攝像頭、采場360球機監測礦區移動與固定監控點運轉狀態，以4G-LTE網絡為支撐，把礦區車輛周遭及各個作業面視頻信息動態化的傳導至操控中心內。調度系統能提供一TD-LTE多媒體為基礎的業務功能，迎合礦區內語音對講多媒體調度、系統部署便捷、操作界面友好、穩固性高、拓展性強等優勢。

（2）遠程式操控。具體是操控人員遠距離操作遠程控制臺上的手柄，結合遠程無人駕駛設備傳導反饋的數據信息，借助4G-LTE智能專網遠程遙控挖掘機、鉆孔機以及運輸車的運轉狀態。

（3）安全防護。遠程無人駕駛設備投用礦區生產階段，能智能化檢測網絡通信狀態，若感知通信信號出現異常時，便會智能化的實施相關安全防護策略，暫停生產作業。

（4）移動基站。室外覆蓋基站建設階段以移動式箱型結構規劃為支撐并聯合使用了脫鉤支撐車架，可以把金屬礦區現場布設的基礎設備、電源設施等安置于可移動基站內，迎合礦區現場安全施工的現實要求。

3 設計與實現

該智能化系統主要由4G-LTE基站（1套）、運輸車、挖掘機和鉆孔機操控臺（各1套）構成。

將室外基站和天線設施安置在露天礦區最高處的適宜部位，射頻線纜用做銜接設施，功能以覆蓋露天礦山信號為主。網線銜接室外基站與三層交換機，在各層網絡相互連通、合理調配設備運行參數后，運輸車上配置的攝像機便能采集圖像與數據信心，將其整合至操作中心[3]。在以上過程中，圖像調度軟件通過預設程序處理圖像信息后，將其清洗的呈現在顯示器上，這樣操作人員便能更直觀、整體的觀測到礦區中各臺運輸車輛周遭信息。關于車輛運行狀態信息，其被8口串口服務器處置以后，還會被準確無誤的傳導至運輸車輛操作臺上，運輸車操作臺的觸摸屏是呈現運輸車輛即時運行狀態的主要載體。另外，合理應用觸摸屏能夠選擇車輛編號，快速落實8輛運輸車的切換任務。本文如下主要探究4G-LTE專網有關業務形態。

3.1 GPS卡調系統對接組網

GPS卡調系統的功能可以做出如下闡釋：GPS定位技術為支撐，線性規劃算法模型是主要的完善基礎，無線通信用于傳導數據信息，在計算機設備的協助下，動態化調控采礦區內卡車、電鏟等機械設備的運行狀態。以上是露天礦智能化生產過程的重要一環，卡調系統有傳輸信息精確度高、時效性強等特征，關系著采礦運輸作業的臺時功效。利用4G-LTE專網系統能達到快速、準確的銜接安置在不同方位的卡調系統，使其演變成一個高帶寬傳輸通道，從根本上保證卡調系統數據信息傳導的精確度、時效性，實時追蹤露天礦區內卡車、電鏟、鉆機、推上機等諸多機械設備作業狀態。

3.2 礦區視頻圖像調度

4G-LTE無線通信系統運轉階段能有效結合移動監控點（例如手持臺、車載臺等）與固定監控點，實時回傳礦區現場生產作業的視頻圖像資源[4]。

3.3 Tetra系統對接組網

在設計4G-LTE專網階段，通過安置集群網關，建設4G-LTE、Tetra數字集群系統兩者間的互動互通關系，這樣 Tetra用戶便能順利的步入到LTE專網中的群組呼叫體系， Tetra用戶在LTE專網群組內持有一定話語權及自我發出釋放權。全球有權威機構專家指出，加大對現存TETRA網絡建設階段資金投入數額，結合后續幾年中的現實使用需求，最有效的渠道就是以混合網絡為依托，持續賦予TETRA語音通信功能，在移動寬帶服務上保證數據信息的利用效率等同于打造TETRA+LTE（2+4）寬窄帶通信互通融合模式。

3.4 礦區彩信業務

4G-LTE專網持有對外提供彩信發送業務的功能，利用各種移動終端、調度臺，操作人員均能便利的編寫與發送彩信，該智能網絡支持“點對點”，“一點對多點”和“點到群組”等諸多彩信傳送形式。

露天礦區生產作業中，到現場檢修人員察覺到異常狀況時，當場拍照后快速將圖像傳輸至調度中心上，而后調度中心負責把編輯好的彩信群發給有關工作人員，并且會帶有闡釋性文字，為有關作業人員快捷、精確捕獲與掌握重要信息創造便利，有關專家會結合彩信內容，考慮多方面因素，探究相關應對方法，更為科學的指導礦區分檢修人員開展各項維修工作。

3.5 礦區移動式辦公

以4G-LTE專網為支撐，能打造出完善化的礦區移動式辦公隔絕，明顯的提升了辦公效率。 4G-LTE專網持有自主定義電子表單、公文接收與發送、程序審批等功能，高效率的應對了露天礦區業務形態波動性較大的現實問題。并聯合push mail功能，確保有任務或郵件傳達時第一時間對管理人員發出提醒信號，保證了與露天礦自動化系統數據交互的高效性，進一步提升了礦區生產作業的安全性，為預期產能目標的達成奠定基礎[5]。

3.6 數字化礦山有關業務

數字化礦區生產管理是當下國內眾多礦業企業運營階段迫切想要構建的格局，4G-LTE的使用為以上目標達成創造了良機。4G-LTE專網可以被看成是構建數字化礦山階段一條無線高速公路，有智能化調控礦山生產、線上監控卡車輪胎、自動化監控鉆孔深度、準確定位挖掘機高程、監測車輛燃油耗用、供配電設備監視、動態化采集數據信息、管理ERP PM模塊、安全生產技術調控、突發事件應對、礦區地質環境勘測與生產規劃、供配電遠程式調控、各崗位標準作業程序移動端學習等諸多功能。

3.7 構建無線通信系統基站

立足于某集團公司露天礦山4G無線通信系統建設狀況，結合露天礦區現有鐵塔設備狀況，擬定選用10個站址開展覆蓋檢測活動，具體方案如下：

（1）頻點方案：頻段區間780～1800MHz，帶寬、中心頻點依次為20MHz、1790MHz。

（2）站點方案：基站天線高程為30m，選定4T4R定向天線，TDD上/卜行時隙配置比為3:1。

（3）終端方案：CPE、EP820分別為3m、1.5m，酌情設定各終端類型的數目。

（4）站點設計：站點:10個，26個分區，eRRU（1.8GHz4T4R）：26個，4path定向天線：26副，eBBU：10個。

和常規網絡信號轉發功能作比較，SDN轉發設備的運作原理是分離控制平面與數據平面，控制器負責完成所有數據信息的轉發工作，并有配置及管理網絡系統的功能，借此方式大幅度的提升網絡管理工作成效。交換設備僅需落實管理數據信息的單項任務，有益于強化交換設備系統的簡潔性。SDN調控轉發分離可編程網絡見圖1[6]。

圖1 SDN調控轉發分離可編程網絡架構圖

（6）系統功能主要有：①轉發指令：OpenFlow協議和向南接口相互銜接后，能將既往的網絡二、三層設備轉發表取締，形成的流表有解析流與處置動態功能；②背板轉發：SDN使用階段對數據信息轉發速率提出了高標準、高要求，為促進數據交換過程，配置性能高端的芯片就能達成；③鏈路調度：通常情況下，項交換端口轉發數據信息，均需要在端口完成信息分析處理任務。而本系統內配置了QOS的交換機，有對部分報文按照級別優先分類處理的功能，科學調整列隊信息，達成對QOS字段相關鏈路程序的精準調整。

4 結束語

本文以自動化控制及4G-LTE技術為支撐，建設一套功能較為完善的智能化礦山生產系統，該系統能結合露天礦區生產狀況，對各種采礦機械設備進行信息化設計，實現遠程式遙控礦區作業面的目標，構建了遠程調控鉆孔、挖掘、運輸為一體的生產鏈條，提升了網絡資源的利用效率，推動礦區安全生產過程。