智能礦山5G技術發展與應用場景分析

李鳳英, 季現偉, 張維國, 谷龍飛, 張海勝

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

1 前言

隨著全球范圍內信息化、數字化、智能化技術的迅猛發展,傳統礦山行業正借助相關技術進行變革轉型[1]。 為了全面提升傳統礦山企業在國際市場的綜合競爭力,以及未來可持續發展的能力,我國先后提出以工業互聯網、智能制造、人工智能和5G 等新一代信息技術賦能礦業的指導政策,旨在推進“互聯網+礦山”建設智能礦山,實現傳統礦業的數字化轉型和智能化升級[2]。 2020年4月三部委聯合印發《有色金屬行業智能工廠(礦山)建設指南(試行)》,提出了老礦山智能化升級、新建礦山智能化建設的方法及路徑[3]。 隨著信息技術的發展,5G具備更低的時延,更高的速率,更大的帶寬,更好的業務體驗,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互聯網的網絡基石[4-5]。 同時,5G 技術依托機器學習、人工智能、工業互聯網等先進技術,可進一步解決數據利用率低、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[6]。 為推動傳統礦山的智能化轉型,降低安全風險和生產成本,提高生產效率,可借助5G 技術優勢打造礦山工業互聯網平臺、井下融合組網、高清視頻監控、無人化采掘、礦用機械遠程控制領域的信息化建設和發展。 目前在智能礦山建設方面,5G技術正在從概念探索到高質量示范發展階段,國內眾多礦山企業正在開展5G 礦山應用場景探索,未來市場前景廣闊。

2 智能礦山5G 技術應用概述

數字化轉型賦能了傳統垂直行業、軟件定義設備、大數據、云計算、區塊鏈、網絡安全、虛擬現實和增強現實等新技術,為信息產業上下游全生態鏈應用提供了發展空間,而這些新技術落地應用基本都是基于通信技術的發展[7]。 在礦山領域,如今采用的通信技術除了工業環網,其主要無線網絡技術還是以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境之中,傳統通信技術不足以支撐礦山智能化轉型所需要的數據傳輸與實時處理的需求。

5G 是第五代移動通訊系統的簡稱,與上一代通信技術相比,其高速率、泛在網、低時延、頻譜共享、網絡自組織、網絡切片等特性,能夠適用于礦山這一特殊工業場景[8]。 將5G 技術用于礦山,滿足大型移動設備的遠程遙控、固定設備的數據傳輸、安全環保的實時監測、運營決策的實時優化等需求,使礦山逐步向無人化邁進,實現礦山的降本增效[9]。 由于礦山本身具有空間狹小、交通與通訊不發達、生產系統復雜、安全風險較大的特點,礦用5G 通信技術應用必須滿足以下要求:設備外觀體積小,便于狹小空間部署;信道容量大,滿足海量多元數據的上傳及下達;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、強振環境中保持其穩定,需要本安型設備以滿足礦山安全規程要求。

3 智能礦山5G 技術應用場景

3.1 礦山公共場景應用

1)智能采礦

礦山的采礦環節通常采用鑿巖爆破、鏟裝運輸進行生產。 通過在回采進路、運輸巷道等相關的作業重點區域實現5G 網絡全覆蓋,將采礦的鑿巖設備、鏟裝設備、運輸設備等改造,裝備信息采集裝置、生產調度終端、視頻信息采集裝置、視覺傳感器、雷達傳感器等實現采礦設備遠程作業、實時對作業量、設備作業狀態的信息采集,接收采礦自動化管控平臺下發的作業調度指令及工藝指導,提高生產調度、設備管理的動態響應能力,結合地質資源計劃和采區溜井料位,支撐采礦生產過程的智能化決策。

2)智能選礦

現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據采集、視頻監控、自動化控制、專家系統指標調優等的數據大容量、低時延的傳輸,即可采用5G 網絡進行數據傳輸。 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絡通信及應用系統可采用5G 技術。 整合選礦廠工業控制、視頻監控、管控管理網絡的主干鏈路,通過高可靠的5G 核心網承載,降低網絡時延,提高網絡帶寬,并將信息化系統里的業務管控平臺(設備管理、物資管理、能源管理等)、廠區內外的人員和車輛管控調度、物聯網和虛擬現實系統融合,建立智能化選廠數字孿生管控一體化平臺。

3)智能安環

礦山行業的特殊性和復雜性,致使礦山的危險有害因素和安全環保風險較高,利用5G 技術圍繞露天及地下礦安全態勢監測預警、設備智能感知預警、智能視頻監控、人員定位與培訓等系統建立安全云平臺,搭建政企聯動互動工作平臺和資源調動平臺,對礦山的生產風險因素實時分析和預警,確保及時發現問題,減少礦山企業和作業人員的財產以及生命受到的損失和傷害,建立本質安全、綠色生態的礦山。

3.2 露天礦典型應用

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、調度指揮車等,礦山智能化的推進會將車輛運行狀態信息數字化,監測設備的活動軌跡和健康狀態,通過智能調度系統實現自動調度確保采取最佳路線,最小的待機時間和排隊時間,提高設備有效作業率,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、智能作業等功能。 要實現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備,對車輛本身狀況及車身周邊環境等提前采集,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據上傳并下發,對網絡的延時要求極高,傳統的網絡顯然不能滿足上述需求,借助5G 網絡的特性,可以為車輛無人駕駛提供實時迅捷的數據通道。

2)礦山三維建模

露天礦三維模型的及時更新對礦山排產、爆破、邊坡治理等具有重要作用。 露天礦傳統的建模方式為技術員人工輸入鉆孔數據、測量數據等,存在效率低、精確度難以保證等問題。 依托5G 技術的超大帶寬、超高速率、超高可靠性、超低時延等特性,可以結合無人機對露天境界定期掃描,測量數據通過5G 網絡逐級傳輸至對應服務器,經過處理后載入三維礦業軟件,用于露天礦的三維模型更新及開采設計,以提升三維模型構建流程的效率及模型的準確性。

3.3 地下礦典型應用

1)生產遠程實時控制

對地下礦山開采全流程生產作業低時延、高效率的遠程管控及任務的上傳及下發是能否實現礦山智能化轉型的基礎要求,也是最為核心的關鍵環節。對于傳統礦山而言,因受制于網絡架構的冗雜、傳輸協議的多樣化、網絡的高時延等因素,使得地表的智控中心只能對一些非核心作業流程、不要求實時管控的設備進行控制。 基于5G 網絡的特性,建立以5G+有線+WiFi 的多網融合系統,可為地下礦生產運營及管控提供技術支撐。

2)井下遠程協同運維

隨著礦山逐步向大型機械化、自動化乃至智能化方向推進,設備的維修、保養也逐漸超過了礦山傳統維保人員掌握的技術水平,需要對應廠家的設計者、制造者以及專業維保人員配合完成。 而專業的現場服務往往存在不能及時到達的情況,若能借助于5G 網絡,將現場故障設備的歷史運轉數據以及現場維修人員的語音、視頻溝通信息上傳至遠程運維系統,相關專家通過遠程診斷對設備提出維保建議,甚至通過VR 技術遠程投射專家操作,以實時向現場維修人員演示操作并提供指導。

3)井下有軌運輸無人駕駛電機車

5G 網絡的大帶寬、低時延、廣聯接等特性給運營商及行業生態伙伴應對挑戰提供了技術基礎。 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、高密度灰塵環境,且巷道連續拐彎、道路分叉、有軌運輸滿載運輸擠壓通道導致環境更加復雜。 對此類特殊環境下的設備部署和網絡優化進行5G 技術的應用研究(包括信號的雙發選收、UPF 下沉、基站的冗余部署等手段),能夠保障良好的通訊環境。 通過建設井下有軌運輸無人駕駛專用5G 網絡,能夠使下行速率保持在800 兆以上,上行速率穩定保持在百兆以上,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據量傳送以及電機車重要控制工業數據對網絡的延時和穩定性的高需求。

在某礦山無人駕駛建設中,采用了5G SA 網絡+UPF為核心架構,構建一張高質量5G 無線網絡,充分滿足無人駕駛、后期智能開采通訊、監控及安全、可靠性需要。 由終端采集的數據通過5G 基站接入無線網絡,通過UPF 截斷數據并進行本地分流到本地部署的控制中心,實現數據不出場區,保證數據生產、使用的全業務流程均在園區內完成,保證數據的安全。 實現公網數據與數據的隔離,保證數據傳輸的SLA 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的應用。

圖1 5G 在有軌無人駕駛系統中的應用

4 智能礦山發展路徑及技術

4.1 礦山數字孿生與虛擬化

虛擬現實、增強現實、數字孿生技術在礦山主要用于礦山地質模型、井巷工程三維模型、選廠三維模型等的可視化展示、作業人員的崗前安全培訓、大型設備的井上虛擬現實環境設備操作培訓以及井下復雜施工作業流程的模擬及教學。 借助于井下固定設施運行數據、微震監測傳感器、精準定位傳感器、移動設備生產數據等實時井下作業環境指標以及各類設備的運行信息,打造實體礦山全場景、全生產流程、全生產要素仿真平臺。 以礦山生產流程為主線,構建整個礦山生產全景、全流程、全信息要素展現的智能礦山三維可視化管控平臺,實現所有業務系統和生產數據的可視化,最終打造與實體礦山映射的數字孿生礦山。 實現多角度、全方位礦山人員、設備、安全、生產、環境可視化管控,繼而對全礦生產運行健康狀態做出實時分析及優化決策[10-17]。

通過礦山數字孿生與虛擬化將信息系統整體有機結合,在礦山實際生產操作流程中,將仿真模擬所得的結果作為輸入數據發送至現場生產設備,設備作業數據又實時反饋至仿真平臺用于指導后續生產操作。 依靠5G 技術eMBB 的優勢,可以將各類設備、管理等數據低時延的用于生產模型、決策模型的更新,滿足數字孿生礦山的應用需求。 礦山數字孿生和虛擬化平臺建設有利于設計優化、穩定生產指標、智能化管控、安全生產管理,并具有節約生產時間、減少危險崗位人員配置、減少備品備件及產出品的庫存積壓等優點。

4.2 大數據處理及人工智能技術

礦山要實現智能化轉型升級,其區別于傳統自動化、信息化之處在于對礦山生產大數據、設備大數據、物資大數據、安全大數據、能耗大數據、技術經濟數據、經營業務數據等進行深度挖掘并依靠人工智能技術建立相應的模型及算法,用以指導礦山向智能化決策邁進。 而上述海量數據的來源主要是現場生產設施、固定設備、移動設備所加裝的各類傳感器,數據格式呈現多元化,運用人工智能和機器學習等理論和算法,不斷積累生產和管理過程的決策信息,提升系統仿真決策能力,向礦山決策者和管理人員提供及時有效的生產、成本、效益決策信息,實現生產和經營雙流程自主決策,助力礦山進一步提升生產運營管理水平及能力。

5 結論

隨著當前全球范圍內的地緣政治沖突逐漸加劇,世界能源格局正在重塑,保障國家戰略能源安全是當前礦業發展的主要任務。 推進我國礦業與信息化、數字化、智能化技術的深度融合,是實現我國礦業產業結構調整、全面整合礦產資源的關鍵所在;也是加大關鍵礦種國際話語權,保障國家戰略資源安全的核心。

智能礦山是新技術在礦業領域應用而帶來的未來礦山的目標,應在工業互聯網的架構之上,借助5G 技術的優勢,徹底解決礦山數據從采集、傳輸到分析決策全流程的數據煙囪問題,進而逐步實現生產流程的優化和管理流程的重塑。 5G 網絡與多種新技術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 技術的不斷研發及推廣,其技術逐漸下沉至垂直行業將會引發更多具備通信知識的多專業復合型人才的涌現,5G 網絡在礦山的大范圍落地應用將會把智能礦山推入新的發展階段。