5G+智能礦山建設實踐

馮曉斌

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

國家煤炭行業標準《安全高效現代化礦井技術規范》(MT/T 1167—2019)要求“應建設有線通信系統、無線通信系統、廣播通信系統等，并實現礦井通信、調度、信息管理、安全保障、應急避險等功能的集中統一調度”。

大柳塔煤礦現已實現井下4G無線信號覆蓋，且運行穩定，考慮到煤礦井下智能化建設需求，現對大柳塔煤礦井下規劃5G專網無線通信系統，包括5-2煤輔運大巷、大井及活井綜采工作面、綜掘工作面、連掘工作面、掘錨工作面等重要場所5G信號覆蓋，并與現有4G系統完成對接，實現互聯互通。在經歷了信息化、自動化、數字化和智能化的發展變革，大柳塔煤礦在智能化開采、掘進、智能裝備作業、機器人巡檢和智能綜合管控中心等關鍵技術領域取得重要突破。基于純國產軟件自主研發了安全可控的智能一體化生產管控平臺。在行業探索出了一條多設備、多接口、多參數統一融合的新途徑；建成行業首個煤炭生產大數據倉庫，形成一套煤礦設備數據通信標準，對海量數據進行大數據分析，實現智能決策分析，徹底解決了信息孤島問題。基于5G網絡的高級智能綜采工作面在大柳塔煤礦建設成功。通過在工作面部署5G通信網絡，借助當前先進的智能巡檢、紅外熱成像、慣性導航技術，構建精確三維地質模型，實現工作面“視頻跟機、有人巡視、自主割煤和遠程干預”的采煤模式。工作面機器人搭載三維激光掃描儀，生成工作面溜槽位置曲線，指導液壓支架實現自動找直；刮板機、轉載機結合煤機位置、割煤工藝、運行電流和視頻畫面等數據，實現自適應調速等功能。智能連掘系統，集成5G技術，利用慣性導航+激光導引+光學測量等手段，配備自動卷纜裝置，連采機實現“自主行走、自動截割、視頻監控和遠程干預控制”的掘進模式，將工人從高粉塵、高噪聲、高風險等惡劣的工作環境中解放出來，提高了崗位幸福指數，填補了煤礦掘進設備自動化技術的行業空白。鉆錨、噴漿等作業類機器人的應用在部分區域實現了無人支護、噴漿作業；管路抓舉、開槽等輔助作業類機器人的應用，使作業人員勞動強度大幅降低，工效提升2倍以上；變電所、水泵房、主運輸系統等巡檢類機器人的應用，實現代人巡檢，全面提升變電所、水泵房、主運輸系統無人值守后的可靠性。

根據國務院、國家能源集團公司智能化建設指南，按照神東煤炭集團公司“0587”建設目標，大柳塔煤礦緊緊圍繞2個礦井不同生產地質條件，提出“1024”智能化建設理念，以建設國家首批智能化示范礦井為主線，追求無人化生產為目標，在智能化開采、安全保障、經營決策和清潔環保等4大板塊，全力打造萬物互聯、數據驅動、人機交互、專家決策于一體的全智能化礦井。

1 礦用5G網絡系統

1.1 5G網絡系統構成

礦用5G移動通信網絡由地面的核心網(CN)、IP RAN環網、基帶控制單元(BBU)、遠端數據匯聚單元(RHUB)、微型射頻拉遠單元(pRRU)等系統構成。

核心網(CN)：主要提供井下無線網絡的注冊和控制、業務的鑒權、語音和數據的交換等功能。

IP RAN設備：主要作用是形成高速可靠的萬兆工業環網，能夠滿足5G大帶寬應用的需要。IP RAN向上連接地面的核心交換網，向下連接井下的基帶控制單元(BBU)。

基帶控制單元(BBU)：主要作用是完成信號的基帶處理，提供傳輸管理及接口，管理無線資源。

基站由基帶控制單元(BBU)、遠端數據匯聚單元(RHUB)、微型射頻拉遠單元(pRRU)組成，主要功能和作用是提供井下5G無線信號覆蓋。

系統的拓撲結構示意圖如圖1所示。

圖1 5G通信系統拓撲結構示意

1.2 5G網絡與井下工業環網

根據煤安規程、全國安全生產信息化規劃，煤礦應當在井下建設工業環網，包括安全環、控制環、視頻環等，使各類業務獨立傳輸通信，滿足安全生產和自動化控制的需要。各類環網的帶寬根據業務需要進行規劃設計和建設。目前工業環網的最大帶寬能夠達到1萬兆(10G)。

5G移動通信技術由于其“大帶寬、低時延、廣連接”的特征，對每個移動終端提供的帶寬最大可達1G(1 000 M)。因此，5G移動通信需要低延時、高可靠、高帶寬的承載環網。

井下工業環網，采用工業以太網交換機設備組成。以太網交換機屬于二層交換及組網模式，不能完全滿足5G的低延時要求，且有效帶寬只有25%，不滿足未來帶寬需求。因此，井下工業環網不能承載5G移動通信業務，需要選用更加穩定可靠低延時的新型交換設備。IP RAN設備為運營商級主流承載網絡設備支持10G向50G的平滑升級(只需更換光模塊)。IP RAN設備組成的新型IP RAN環網承載5G移動通信業務同時還可以兼容接入其他傳統以太網數據通信類業務的接入。

5G的IP RAN環網既可滿足移動通信的需要，又可提供井下工業環網所需的通信協議的接口，因此，IP RAN環網可作為井下工業環網的備用傳輸網，或將IP RAN環網同時作為工業環網來使用。

在建設移動環網的同時，結合工業環網的規劃設計，采用IP RAN技術建設統一的井下環網，既滿足工業環網的需要，也滿足移動通信的需要。

1.3 5G網絡實施設計

地面自建本地核心網，自建5G MEC邊緣計算，井下建設IP RAN環網，井下建設BBU用于5G多模基站的接入；基站在直巷覆蓋長度應滿足半徑不小于200 m，能保證輔運、膠運大巷，綜采、掘進面、變電所、避難硐室覆蓋。

5G無線分站模塊在直巷覆蓋長度按照半徑不小于200 m。能保證有人行走的巷道信號全覆蓋，例如：輔運、膠運大巷，綜采、掘進面、變電所、避難硐室覆蓋等場所。

巷道場景一般可以分為短巷道場景和長巷道場景。巷道場景和其它場景有很多區別，附近基站的信號很難進入，經常出現彎道與坡度，無線信號衰減大。所以在處理巷道場景時要采取靈活的方式，由以上這些特點，可以采取以下2種方式：①在信號的覆蓋強度方面，當長度超過覆蓋距離時，采取多個5G基站級聯的方式進行信號延伸和擴展；②天線布放位置決定巷道內覆蓋水平，為了保證良好的覆蓋，天線布放位置應滿足巷道內天線覆蓋邊緣場強大于-115 dBm。在直道情況下，天線口功率W>25 dBm時，若保證邊緣場強大于-115 dBm，根據計算可覆蓋巷道1 200 m，此時即可布放對數周期天線；在彎道情況下，必須考慮彎道對邊緣場強的衰減，建議此時把天線放置在彎道的切點處。

由于井下多為狹長型通道，因此基本采用室內分布天饋系統(耦合器、功分器、定向天線)方式。根據巷道走勢、天饋系統的覆蓋能力，井下規劃若干臺分站。以下通過圖示來展示室內以分布天饋系統覆蓋模式對主巷道、井下臨時、永久避難硐室等區域進行無縫覆蓋。

井下分站設計布點原則為直巷主要采用定向天線覆蓋，根據巷道寬度密度在半徑200 m以上；巷道交錯區域，在交叉路口設立一個分站并采用多個天線進行分別覆蓋。具體部署方式與種類如圖2所示。

圖2 5G通信基站巷道內布置示意

2 智能礦山5G應用場景

2.1 智能開采

綜采工作面部署5G大帶寬高速數據傳輸通道，實現采煤機、機器人等移動設備無線快速通信。以設備姿態自感知、截割自適應、人員接近防護、智能巡檢機器人等技術，形成“自主割煤+自動跟機+機器人巡檢+地面遠程干預”采煤模式。巡檢機器人實現對設備溫度快速點檢、工作面液壓支架自動找直；集控系統實現供電、供液、運輸系統集控。智能開采系統原理圖如圖3所示。

圖3 智能開采系統原理

2.2 智能掘進

連采機利用“慣性導航+激光導引+光學測量+5G”技術，配備自動卷纜車，實現“視頻監控+遠程控制+自主截割+人工干預”生產模式；六臂組合式智能錨桿鉆車工業性試驗，實現掘支運平行作業；連采機、梭車與破碎機聯鎖控制，實現連續破碎運輸和智能化遠程操控，將工人從高粉塵、高噪聲、高風險等惡劣的工作環境中解放出來。

利用“慣性導航+激光雷達+SLAM算法+5G”技術，實現梭車自動運行，將構建“自主掘進協同作業+遠程監控”的智能掘進模式，真正做到掘進工作面少人化，運輸系統無人化，系統原理如圖4所示。

圖4 智能掘進系統原理

2.3 固定崗位無人值守

主運系統實現無人值守：主運輸膠帶機采用自動控制、移動終端監測、鋼絲繩芯無損檢測、智能除鐵、智能調速、集中潤滑、鋼絲繩牽引智能巡檢機器人技術，具有遠程監控、高效巡查、快速點檢、故障精準定位等功能，實現了主運系統一鍵逆煤流啟動、順煤流停車和無人值守。

變電所全部實現無人值守：主要變電所實現防越級跳閘系統、電纜高溫監測預警系統和智能防滅火系統，變電所高壓柜實現操作過程可視化監控，變電所部署軌道式智能巡檢機器人，實現智能巡檢、人臉識別停送電、環境氣體監測及自動化系統聯動控制等功能。

礦井加壓泵房、排水泵房實現無人值守：加壓泵房實現智能恒壓供水、主要排水泵房實現智能均衡排水、中轉水倉實現遠程監控、小型水窩實現就地自動排水。部署靈活性較高的輪式智能巡檢機器人，實現排水系統的智能巡檢、氣體監測、儀器儀表識別診斷和紅外熱成像等功能。

車輛智能調度及安全輔助駕駛：建成集管理、調度、指揮、監控、通信等為一體的車輛智能調度指揮系統，實現對輔助車輛運行狀態和實時位置進行監測，合理調度車輛運營任務。在井下巷道關鍵區域部署輔助運輸應急導引與信息發布系統，綜合分析礦井運輸巷道占用情況和運輸任務配置狀態，做出行車路徑智能規劃與信息發布，合理優化車輛運行路線。應用井下安全輔助駕駛技術，借助激光雷達、視頻識別、智能傳感等手段，實現駕駛員疲勞監測預警、車輛智能避障、智能限速等功能，規范員工駕駛行為，從技術上杜絕超速駕駛，有效管控井下輔助運輸安全。

2.4 基于AI的視頻智能識別與分析

應用基于AI的圖像識別技術，對無人值守膠帶機堆煤、跑偏和異物進行智能識別分析。對作業人員進入危險區域、安全帽規范佩戴等情況實時監控，可快速發現人員違章，車輛違停、逆行等行為。對固定區域巡視崗位進行監督，確保巡視人員履職履責。視頻智能識別與分析場景如圖5所示。

圖5 視頻智能識別與分析場景

2.5 綜采工作面全景視頻

對綜采工作面全景視頻拼接，形成一副長的“畫卷”無死角覆蓋，消除視覺盲區，實現工作面全景可視可控，采煤機工作區部署全視角視頻，為采煤機司機提供“身臨其境”的駕駛感受，精確指導遠程操控作業。綜采面全景視頻拼接+煤機局部全視角視頻拼接+視頻AI輔助分析，實現遠程監控、輔助操控、提前預警和實時聯動，支撐綜采工作面全景可視、安全可控，實現井下作業少人化。全景視頻網絡架構及效果分別如圖6和圖7所示。

圖6 全景視頻網絡架構

圖7 全景視頻效果

2.6 礦用機器人集群及智能裝備

應用5G高速、低延時、大帶寬的傳輸特性，有效支持礦井部署固定場所巡檢機器人、固定值守機器人、錨桿支護機器人、噴漿機器人、管路抓舉機器人、巷道鉆孔機器人、巷道掏槽機等智能裝備，代替手工勞動，有效降低工人作業強度，改善員工作業環境。礦用機器人集群應用如圖8所示。

圖8 礦用機器人集群應用

2.7 智能一體化綜合管控中心

構建煤礦主要災害精準預警平臺，以透明地質保障和安全監測監控系統為依托，挖掘礦井海量數據分析與應用，為礦井生產運行提供可靠運行數據，實現主要災害精準預測、智能通風控制、應急聯動響應，為安全管理提供應急救援依據，為經營管理提供重要決策支持。打造礦井工業園區智慧化管控中心，利用物聯網、大數據和人工智能等新一代信息技術，構建物與物、人與物、人與人的連接，實現工業園區的可視、可管與可控，達到一體化綜合運營與管理的目的。

3 結語

煤礦智能化建設是第4次工業革命的重要組成部分，消除信息孤島、全面整合煤礦數據、等值統一執行標準是智能礦山建設進程中要解決的主要難題。5G網絡在煤礦的推廣應用有效解決了煤礦智能化的通信傳輸問題，在采煤、掘進、運輸、供電、供排水、通風、機器人集群運作等多個方面，融合多種信息技術，將煤礦生產安全相關的多個子系統的裝備和工藝有機結合起來，構成相互聯系的智能化礦山生產管控系統，為全面提高煤礦智能化水平提供技術保障。