非煤智慧礦山建設中5G技術應用前景

胡乃民

（中國中鋼集團有限公司，北京100080）

近年來，非煤智慧礦山建設仍處于智能化建設初級階段。針對數據利用率低、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，礦山無線寬帶通信及機器學習、人工智能等先進技術是解決該類問題的有效手段［1］。當前，新型基礎設施建設進入高層布局階段，其共同點是發力于科技端，注重戰略性新興產業對經濟的刺激。在最新發布的新基建政策中，5G網絡排在第一位，有著非常重要的技術、經濟、政治和社會地位。2020年3月，工業和信息化部《關于推動5G加快發展的通知》中指出，要充分發揮5G新型基礎設施的規模效應和帶動作用，積極構建“5G+”新經濟形態，支撐經濟社會高質量發展。2020年5月，采礦行業“5G+工業互聯網”全國現場工作會議發布了第一批重點行業和應用場景，并指出采礦業要繼續加強5G基礎設施建設，以生產機械化、設備智能化、作業無人化、管理一體化為目標，全力打造本質安全、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進程，本研究結合相關統計調查數據，分析現階段非煤智慧礦山建設存在的不足，并結合部分礦山建設實例，就非煤智慧礦山建設中5G技術的應用前景進行討論。

1 非煤智慧礦山建設面臨的問題

智慧礦山是能為各類決策提供智能化服務的數字化智慧體，利用時間和空間的四維地理信息、大數據、計算機控制軟件、云計算、虛擬化及各種通信網絡，將各類傳感感知、智能決策、自動控制、數據通信等技術集成并進行一體化應用，深度融合工業自動化、礦山信息化，最終實現礦山企業的信息實時精準采集、規范化信息集成、穩定的網絡化傳輸、生產流程自動化運行、生產可視化展示，對相關的危險源、隱患和故障進行預測和防范，使整個礦山具有自我學習、分析和決策的能力［2］。

礦山智慧化是一個不斷發展的過程，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一般可劃分為4個階段：①“點上的無人”，實現單個系統、單項技術的智能化；②“面上的無人”，實現多個系統的智慧化；③“礦井的無人”，實現井下生產、安全、后勤系統的無人；④“礦區系統的無人”，在礦井無人的基礎上實現開采、運輸等礦區一級系統無人作業，并且應用新一代信息技術手段，輔助管理人員決策。

目前，多數礦山企業在數字化轉型初期已建成采、掘、運、裝、卸等多個系統，實現大型固定設施崗位的無人值守，處于從單個系統智能化向多個系統智慧化發展的階段。局部的改造雖然讓企業生產投入有所下降、效益有所提升，但是從長遠角度看，仍面臨著不少問題，如表1所示。

只有將非煤礦山建設成一個有機整體，實現井下生產無人化，才能有效解決礦山建設中面臨的問題。井下環境復雜、環節眾多且設備隨時移動，有線網絡難以部署，傳統無線網絡帶寬、時延等條件無法滿足數據實時傳輸的需求。隨著網絡技術的發展，5G網絡在速度、時延、安全等方面有了本質的提升。如果將5G網絡應用到礦山生產中，勢必有助于為非煤礦山實現無人生產創造條件。

2 5G技術特點

5G網絡從1G到4G實現了人與人之間的通信轉向人機物互聯。5G網絡是當前移動通信技術的最高峰，嚴重影響著人類生活、生產方式和社會的發展。相較于傳統4G網絡，5G網絡對于移動通信要求更高，主要表現在速度、時延、安全性等方面（表2）。

3 5G技術在非煤智慧礦山中的應用前景

3.1 網絡化監管助力勞動生產率提高

實時遠程控制是礦山智能化開采的難題。傳統的遠程控制系統需要經過多重路由和協議將各類設備上的數據傳輸至井上，在數據傳輸過程中一旦發生數據泄露等網絡安全事故，后果將十分嚴重。出于安全性考慮，在傳統網絡架構下很少對生產設備實行遠程實時控制。此外，傳統網絡上行速度較低，難以滿足數據實時傳輸的需求。5G網絡依靠其高速、低時延、安全可靠的特點為解決這一難題提供了技術支持。將控制安全、數據安全等系統化安全技術與5G網絡的安全體系相結合，保障信息安全傳輸，促進井下生產從“有人”到“少人”的轉變，改變人們對于非煤礦山“生產危險性高、勞動強度大”的傳統印象，緩解用工荒問題，助力礦山企業降本增效，提高勞動生產率。

3.1.1 生產設備遠程控制

在井下生產區域和井上辦公區域分別部署業務網和辦公網，通過5G技術實現礦區多網合一全覆蓋。在保障信息傳輸安全的同時，實現井上與井下信息無障礙交互、全礦各系統集中監控、危險預警及固定設施無人監管。在生產現場投入更加全面的監控設備，實現視頻聯動，確保井下生產區域安全和現場關鍵作業節點全面可視化管理。

應用5G移動智能巡檢機器人，將井下4K超高清監控視頻、環境參數、紅外成像等數據實時回傳至井上并存儲［11］，智能巡檢機器人系統如圖1所示。在生產設備上加裝5G傳輸模組，實現監測數據自動采集、快速安全傳輸、狀態分析、智能判斷及故障預警，確保現場一旦出現異常報警，監管人員能夠實現遠程迅速處置。

河鋼集團研發的智能巡檢機器人將嵌入式系統與云計算技術相結合，成功試運行3個月。在非煤礦山領域特殊場所代替人工完成巡檢工作，具有5G實時數據回傳、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程全自動巡檢，助力企業降本增效。三山島金礦與萊州聯通共同打造的“5G+人工智能”遠程操控無人駕駛鑿巖臺車測試成功，通過無線通訊、5G網絡實時采集傳輸數據、遠程無線遙控，降低了井下人員安全風險，提升了企業經濟效益。

3.1.2 智能調度

調度是將視頻、音頻數據相融合，5G技術擴展了調度范圍和精確性。智能調度可以使井上井下人員對機車、監控、電力、人員、設備、通訊等進行多方面調度，實現多部門聯動、多級調度，根據監測數據，自動聯動視頻、音頻智能預警系統［12］。

3.2 無人化操作打造安全生產新風貌

在非煤礦山中，人是安全生產的關鍵影響因素，但是人的生理及技術水平等因素會導致諸如疲勞、粗心等問題的出現，需要通過機械自動化、信息化和智能化技術做好各種防控監管工作。企業生產流程中人、物、管理制度、生產系統達到安全可靠，控制住各個危害因素，使得本質型、恒久型安全目標逐步實現，即是本質安全［13］。礦山無人化操作對網絡速度和時延要求較高，傳統無線網絡難以滿足，故目前非煤礦山無人化操作尚未完全實現。5G網絡可實現礦井上下實時通信，為井下生產環境的無人化操作奠定了基礎，有助于降低人工勞動力成本，打造安全生產新風貌。

3.2.1 5G+VR/AR

在巷井中覆蓋5G無線網絡，解決生產設備隨時移動的問題，利用5G網絡上下行解耦技術，并結合VR、AR技術模擬井下生產環境，助力礦工在井上控制室操作，實現井巷內高清視頻、無線監控、設備無人值守等高效應用。2019年10月始，山東移動聯合山東黃金礦業（萊西）有限公司，針對井下作業危險、人力成本高、網絡傳輸及安全性等問題，對礦井巷道實現5G網絡全覆蓋，實現上行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，實時遠程控制電機車、鏟礦車，達到了節省人力等成本，提高井下作業時效的目的。同年，江西移動攜手江銅集團、華為、航天重工等企業利用5G+VR技術實現了礦山設備的智能化管控。

3.2.2 礦車無人駕駛

將無人駕駛技術應用在鏟運機、運輸車等設備上，在井下行駛中，5G網絡實時對三維地圖數據進行轉換，實時共享各傳感器間的數據，提升設備的環境感知能力［14］。5G網絡將無人礦車、礦山道路和運輸系統連接起來，實現車輛、道路和井上運輸系統的實時通訊。實現井下運輸系統的自動化、信息化和智能化將會很大程度提高作業效率，實現礦井智慧化管理。通過5G網絡可將采集到的車輛、設備、物資及環境等相關參數信息大規模、實時傳輸至最近的基站，應用邊緣計算技術，在最短時間內完成計算并響應，提升車輛運輸效率和設備運行效率，保障運輸系統運轉過程安全有效，降低井下安全事故發生率。井下無人駕駛系統如圖2所示。

紫金山金銅礦借助5G、光纖、WiFi等通信技術，工業環網及5G高速無線通信技術，研發了井下架線式電機車無人駕駛系統［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，日運輸礦量達到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上，建設了無人駕駛礦用卡車項目。該項目集成智能調度、設備監測、寬體自卸車無人駕駛、應急管理及網絡傳輸定位等，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技術的另一應用即AI感知。非煤礦山可以通過AI圖像識別技術，實時準確識別設備損傷情況，并對損傷的位置進行定位，不僅監測損傷設備的運行狀態，還能夠將損傷設備自動停放到相應位置等待檢修。“5G+云+AI”將智慧化貫穿于生產作業全場景，進行在線模型的開發、訓練，生產過程實時監控，隱患識別，人員行為識別，實現全感知、全聯接、全計算。

3.3 一體化管控優化管理變革

傳統粗放管理模式下，由于缺少數據，對于生產過程中出現的問題，只能依靠經驗進行處理，無法支撐對更多過程細節的管控，難以對各類風險做出預警。隨著“5G+工業互聯網”的發展，為非煤礦山實現智慧化生產和精益化管理提供了可能。實現非煤礦山智慧化生產的基礎是數據和生產流程，精益管理通過構建合理的生產方式和流程，保證數據的準確性及業務的穩定性，從而解決礦山生產過程中的不確定性問題，利用大數據技術實時分析各類數據實現對礦山安全生產的監測，綜合評估相關災害，為礦山管理方式由“經驗管理”向“智慧化管理”轉變奠定基礎。

基于5G網絡搭建“非煤智慧礦山一體化管控平臺”（圖3），收集井下各系統數據，結合新一代信息技術對其進行可視化分析，通過5G網絡將數據快速［17］、安全可靠地上傳至管控平臺，可實現全生產周期管理的海量數據采集，以及各系統、各環節之間的互聯互通、有效聯動，幫助管理人員掌握礦山情況、輔助作出決策，有助于降低各業務部門間信息不對稱的程度，解決傳統礦山生產過程各自為政的難題，避免形成“信息孤島”導致的煙囪式管理模式［18］。運用大數據、人工智能、云計算等相關前沿技術，以降本增效、穩定質量為目的，對礦山安全管理方式進行優化，構建自主學習、AI感知、輔助決策、協同控制、互聯互通的一鍵式生產管理系統，建設生產、運營、管理一體化的智慧礦山。

安慶銅礦井下泵房、地表泵房、壓風機房、總降變電所等先期項目已應用5G智能技術，系統集成和資源數字化基本實現，生產經營大數據分析平臺正在完善中，有助于實現智能診斷、生產流程優化、經營決策優化等，打造智能化礦山［19］。洛陽鉬業已對5G技術遠程采礦系統進行調試應用，可通過屏幕查看礦區周圍高清視頻，操作人員可遠程控制挖掘機，誤差較小。

4 結論

（1）5G網絡在智慧礦山中的應用還處在摸索階段，隨著5G網絡的發展，5G基站建設成本會不斷降低，5G技術高傳輸速率及井下高效巡檢優勢明顯，進一步促進了5G網絡在非煤礦山的應用。5G網絡的大規模應用將成為智慧礦山建設的重要轉折點，基于VR、AR技術的相關培訓及開采模擬是礦山智能生產的基礎，其與大數據、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、生產數據管控平臺運行、遠程控制、高精度定位助力，實現生產數據實時分析與決策支持。

（2）智慧礦山是礦山企業轉型升級的戰略方向和目標，應以工業互聯網為基礎，以5G網絡等新一代信息技術手段為依托，采用云和虛擬化技術，有效解決通訊傳輸層問題，構建礦山“大腦”，助力礦山安防，實現智能化開采，打造“新常態下冶金地下礦生產一體化精準管控平臺”，推行“一站式礦山、一鍵式生產”新管理模式；總結形成本質安全、生產效率、生產能力、疫情防控、綠色生產、綜合治理的“六位一體”智能化集控管控模式；建設各類信息集成標準化、運行管理一體化、經濟運行最優化、資源利用最大化、業務應用互動化、決策支持智能化的一體化綠色非煤智慧礦山，不斷開創安全、綠色、可持續的非煤智慧礦山發展新模式。