5G技術在礦山安全生產中的應用研究

岳 明，白 燁

(1.三門峽市工業企業安全生產執法監察支隊，河南 三門峽 472000；2.三門峽綠源環保科技有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引 言

我國礦產資源種類豐富，伴隨工業的發展進步，礦山機械化、自動化技術不斷提高，但礦山生產安全事故仍時有發生，究其原因主要是礦山還未實現無人化作業，未達到本質安全水平。如今，以5G技術為載體，將大數據、物聯網、云計算、人工智能、機器人等新一代信息技術與現代礦山開采技術深度融合[1]，構建全面感知、實時互聯、分析決策、協同控制的智能采礦系統[2]，將實現礦山開采全過程高效、安全、智能運行[3]。進一步提高礦山企業的整體安全發展水平，向著礦山無人化作業和本質安全水平不斷邁進，實現礦山行業的高質量發展。

1 5G技術在礦山安全生產中應用的必要性

5G技術具有數據傳播速度快、通信帶寬大、數據傳輸低時延、可靠性高、安全性好等特性。目前5G技術廣泛應用于工業互聯網、智慧醫療、智能交通等領域，國務院政府工作報告多次提出“發展工業互聯網”“加大5G網絡建設力度”。2020年2月，國家發展改革委等八部門聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確了煤礦智能化的發展方向[4]。2020年5月，采礦行業“5G+工業互聯網”工作會議發布了第一批重點行業和應用場景，指出采礦業要以生產機械化、設備智能化、作業無人化、管理一體化為目標，打造本質安全的智慧礦山[5]。5G技術與礦山行業進行深度融合是未來發展的必然趨勢。

礦山行業包含露天礦和井工礦2種環境，安全生產是紅線和底線[6]。在露天礦環境中，爆破、邊坡失穩、礦石墜落等因素易引起開采人員傷亡；在井工礦環境中，存在火災、透水、冒頂片幫、瓦斯與煤塵爆炸、沖擊地壓等事故風險，造成人員傷亡和財產損失；與此同時，高溫、高濕、粉塵等惡劣復雜的工作環境，對工人健康也產生較大危害。因此，將5G技術與礦山安全生產深度融合，推動礦山企業數字化、網絡化、智能化、高端化轉型升級，向著少人化、無人化、現代化方向發展顯得尤為必要，可大大改善礦山工作環境，降低工人勞動強度，減少人員傷亡事故，把員工從危險有害作業環境中解放出來。如榆家梁煤礦、新元煤礦、龐龐塔煤礦、鮑店煤礦、紫金山金銅礦、普朗銅礦、安慶銅礦等利用5G技術積極開展自主智能割煤、自動跟機移架、無人智能巡檢、遠程設備操控、生產現場監測、設備協同作業等典型應用場景，成效顯著。

2 5G技術在礦山行業的典型應用場景

2.1 無線數據傳輸和處理

5G技術具有更加穩定和可靠的優勢，可實時采集完善的數據信息，通過各類傳感器搭載5G技術構建物聯網系統，對“采、掘、機、運、通、排、安”等各環節數據進行實時監測和智能分析處理，實現自適應、自診斷與智能決策。礦山企業管理人員可通過計算機或手機移動終端獲取和傳輸各類礦山系統信息，如人員位置，設備參數(電壓、電流、轉速、設備溫度等運行工況)，瓦斯濃度，頂板狀態，應力場數據，通風環境參數(風量、風速、粉塵及有毒有害氣體濃度等)，風險隱患分布等，從而全面了解礦山生產實際情況，排查安全隱患，保障礦井安全生產，預防災害事故發生。

鮑店煤礦啟動礦用5G專網系統建設，依托5G+視覺識別等技術，通過傳感器、視頻采集等設備實時監測井下采掘設備控制信號、車輛狀況、通風環境參數等信息，實現快速安全傳輸、智能判斷及故障預警，當現場出現異常情況，可做到遠程迅速處置，提升了礦山危險狀況下的安全生產預測效率和應急管理能力。河鋼集團研發的智能巡檢機器人在特殊場所代替人工進行巡檢，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[5]。

2.2 無人駕駛及遠程控制

V2X(車聯網無線通信系統)依托5G技術的高速率、高可靠性、大帶寬、低時延等特性，將無人礦車(包括挖掘機、鏟運機、掘進機、電機車等設備)、礦山道路(井下巷道)和云智能調度平臺連接起來，通過礦車—道路—平臺的實時通信，實現車輛無人駕駛及遠程控制。采礦工人在地面調度大廳就能操作井下采礦設備，實現了“少人、無人”的安全生產，從而改善工人勞動環境，降低了礦山運行成本和事故發生概率。5G在無人駕駛中的應用見圖1，其中T-Box表示遠控信息處理器，RSU表示路側單元。

圖1 5G技術在無人駕駛中的應用Fig.1 Application of 5G technology in self-driving

紫金山金銅礦研發了基于5G技術的井下電機車無人駕駛系統，11臺無人機車在溜井、卸礦站等不同地點有序運輸，日運輸礦量達到4萬t以上[7]。普朗銅礦由遠程控制5G鏟運機代替現場作業，節省了井下爆破作業前后人員安全撤離及通風的時間，進而增加4小時的礦石開采時間，采礦效率提升了18 %。

2.3 目標跟蹤和動態管控

應用5G技術對礦山生產情況進行實時目標跟蹤和動態化管控，實現跟蹤目標與控制中心的信息互通、集成和共享，便于管理人員了解礦山生產情況。5G技術在目標跟蹤中的應用見圖2。設置若干固定監控設備，依托5G網絡接收信息并傳至控制中心，調度人員可實時監督各采礦車輛的作業情況并落實管理工作。

圖2 5G技術在目標跟蹤中的應用Fig.2 Application of 5G technology in target tracking

千業水泥以5G網絡為依托，融合GPS及北斗定位、視覺感知、信息傳感等技術，實現礦山穿孔、鏟裝、運輸等環節的無人化遠程操控，完成區域內作業車輛的集群調度工作，實現1人操控多臺設備，實現礦區車輛安全、高效駕駛，生產效率提升達80 %以上。為進一步提升目標跟蹤和動態管控效果，需做好2點：①在礦區內部增設智能固定監控設備，確保實時、準確、全面采集各類生產信息；②構建智能監控裝置的系統內部信息傳輸通道，確保各模塊間有效通信。

2.4 應急管理

基于5G網絡構建應急管理大數據綜合管控平臺，采用數據挖掘技術實現對災害的綜合性評估[8]，做到智能監測預警和快速應急響應。通過5G網絡將實時采集的各類數據信息安全可靠地傳輸至綜合管控平臺，經匯總和深入分析生產安全性，可智能判斷是否需要報警和應急處置，構建起具備AI感知、輔助決策、協同控制、互聯互通的一鍵式應急管理系統。基于5G網絡的應急管理大數據綜合管控平臺見圖3。

圖3 基于5G網絡的應急管理大數據綜合管控平臺Fig.3 5G network-based integrated big data management platform for emergency

義煤公司建設“電子封條”聯網接入礦山智能監管平臺，實現“互聯網+監管”。通過在煤礦關鍵地點(主副井口、風井口、車輛出入口和調度室等處)安裝攝像機等設備，利用智能化視頻識別、圖像分析等技術，實時監測礦井出入井人員及作業狀態，發現異常動態，自動生成、推送報警信息，實現全天候遠程監測。安慶銅礦井下泵房、壓風機房、變電所等場所應用5G技術構建生產經營大數據分析平臺，實現智能診斷、生產流程和經營決策優化[9]。

3 礦山安全生產中5G技術發展的建議

(1)提高與安全相關的人、物、設備、工藝、環境、安全管理等數字化感知程度。智能化分析決策的基礎是精準的數字感知信息[10]，“人、機、環、管”等安全環節通過數字化感知，實現安全智能化。

(2)將礦山應急管理系統與災害精準監測預警系統相結合，完善礦山安全風險監測預警機制和監測監控系統，提高礦山災害應急效率和水平。基于人工智能和大數據技術對礦山企業安全感知信息進行融合，提升事故災害精準預警、協同救援等智能化安全監管水平。

(3)鼓勵企業加強5G場景應用技術創新活動和成果轉化，相關部門研究制定礦山安全智能化體系建設評價指標和標準，促進技術創新、標準研制和產業化協同發展，以指導礦山安全智能化建設。

4 結 語

5G技術可確保網絡信息傳輸的實時性，解決無人駕駛的通信延時問題，實現運動目標跟蹤及環境監控，從而提升礦山企業的本質安全水平。在“5G+礦山安全生產”應用中，應重視提高與安全相關的數字化感知程度，推動礦山應急管理系統與災害精準監測預警系統相結合，鼓勵礦山企業積極開展5G場景應用技術創新活動和成果轉化，相關部門研究制定礦山安全智能化體系建設評價指標和標準。