煤礦5G智能化應用實踐關鍵技術研究

王海鋼

(山西新元煤炭有限責任公司,山西 晉中 045400)

面對能源行業的高質量發展要求,積極探索煤炭工業智能化轉型升級,推動智能綠色現代煤炭工業體系建設勢在必行[1-3]。當前,互聯網技術已成為傳統行業轉型升級的“加速器”,尤其以5G為代表的新一代信息技術在煤炭行業創新應用,助力實現了煤礦開拓、采掘、運輸、通風及安全、經營管理等過程的智能化運行,大大推進了煤炭領域信息化、智能化建設[4-6]。這對于保障煤炭能源供應穩定、帶動煤炭工業轉型升級意義重大。

為滿足煤礦智能化對無線通信的需求,我國煤礦領域先后推行了CDMA、WiFi、3G、4G等信息系統[7]。目前,比較通用的是WiFi和4G通信技術,主要應用于地面調度系統、無線接入設備及用戶終端系統搭建,基本能滿足煤炭主要生產環節的數據通信要求,也可實現語音、圖像和視頻的有效傳輸,通信質量較為可靠。

隨著信息化的發展,煤炭行業對信息技術的需求也不斷增加,衍生出了適應信息化潮流的“智能礦山”這一概念。智能礦山建設是一項復雜的系統工程,仍存在諸多的技術問題。一方面,現階段隨著智能化的建設包括5G等新興技術的井下應用,煤炭資源開采過程中“采、掘、機、運、通、排”六大系統的“人—機—環”各類數據日趨規模化和復雜化,同時受限于井下開采的復雜惡劣工作環境與特定作業流程,煤礦通信系統各項性能指標尚不能滿足智能化發展的需求[8-10];另一方面,復雜的環境、多變的需求對通信系統的穩定性提出了更高的要求——具備傳輸速率高、可靠性高和時延短,同時對其安全防爆、抗干擾能力也有一定特殊需求[11-13]。針對煤礦井下煤塵多、巷道長、設備多和干擾大等諸多不利條件,以5G通信技術為代表的各類先進通信技術在煤礦井下的成功應用,是實現煤礦智能化建設的必由之路。

以山西省新元煤礦為工程背景,基于5G通信技術(以下簡稱“5G”)開展智能礦山應用實踐研究。圍繞5G在煤礦井下的四大應用場景,著重分析了煤礦智能礦山建設與5G技術應用的內涵,并根據應用實際提出了5G組網架構。該實踐的成功可為5G在煤礦應用提供參考依據。

1 煤礦智能化與礦用5G網絡技術

礦山智能化建設指將5G、云計算、大數據等技術與生產過程深度融合,以實現對礦山設計、掘進、開采、運輸等生產環節的自主規劃、感知與分析決策[14-17]。通過智能綜合管控與決策分析,對生產過程進行實時動態監測與綜合管控,使煤礦保持最佳的安全生產經營狀態,真正實現生產經營環節的科學管理,達到安全綠色、智能高效、低能耗生產的目的。

為實現礦山智能決策分析,從頂層設計出發建立一套完整的智能礦山體系。基于工業互聯網組織架構分析,搭建智能礦山物聯網技術體系,包括應用層(集成監控指揮系統、大數據存儲分析系統、基礎系統、智能決策系統、過程自動化控制系統)、網絡層(交換機、5G網絡、WiFi)、感知層(傳感器、攝像頭、感應器、GPS定位),如圖1所示。

圖1 智慧礦山物聯網組織架構

5G作為第五代移動通信技術,其傳輸速度快、通信帶寬大、數據傳輸延遲小,優勢顯著。因此,5G與各行各業深度融合應用是未來的發展趨勢。將5G網絡技術應用于煤礦工程建設,是推動智能礦山建設、實現智能化無人開采的重要技術支撐[18-21]。5G網絡部署架構見圖2。

圖2 5G網絡部署架構

相比目前廣泛使用的4G網絡,5G突破傳輸帶寬、時延等方面的瓶頸,具有傳輸速度更快、響應延遲低等優勢,為智能化開采、物聯網建設等方面提供了可靠的通信保障。5G通信技術特點如下:

1)高速率。4G/LTE(4G無線寬帶技術)最大速率僅為300 MiB/s,而5G最小速率就能達到1 GiB/s。

2)高峰值速率。與4G通信技術相比,5G速率至少提高10倍。

3)容量大。采用大規模MIMO(多天線發送和接收信號技術),系統容量高,達到4G/LTE技術的1 000倍。

4)低延時。3G網絡延時為500 ms,4G網絡延時為50 ms。5G采用新子幀設計,網絡延時5～10 ms,可滿足物聯網、虛擬現實場景應用需求。

5)可靠性高、安全性高。5G系統相比4G或之前的2G/3G系統,相當于進行了一次重構,其靈活的組網及完整的安全架構設計,可以為現場應用提供更加穩定和安全的通信保證。

2G/3G/4G/5G通信技術性能對比如表1所示。

表1 2G/3G/4G/5G通信技術性能對比

2 煤礦5G網絡與應用技術方案

2.1 系統架構

煤礦5G系統由核心網應用平臺、地面5G基站、井下pRRU基站、井下HUB(轉發器)、井上BBU(基帶處理單元)等組成,系統架構見圖3。井上采用AAU(有源天線單元)地面覆蓋,通過Ir接口(紅外線接口)與BBU(室內基帶處理單元)相連。井下采用pRRU(射頻拉遠單元)基站實現無線網絡覆蓋,與井下HUB相連。

圖3 礦用5G無線通信系統架構

圍繞煤礦不同應用場景(協同作業、綜采智能化工作面、巡檢機器人、傳感器數據采集回傳),研發礦用5G物聯網傳感器,構建井下5G與應用層的端到端專網。基于5G超大帶寬、超低時延等優勢,解決煤礦“井下看清難”“精準控制難”“系統多網協同難”等智能化關鍵技術。

2.2 井上井下協同作業

5G在井下的重要應用場景是遠程協同作業。基于5G大帶寬特性,可以完成井下作業人員與井上技術人員的隨時隨地視頻溝通,遠程協同生產作業等,以實現對井下精準控制,提高生產效率。

基于礦用5G手機、智能頭燈等設備,在采掘工作面昏暗作業環境下,實現井下與井上人員的高清視頻通話;基于5G和VR(Virtual Reality)虛擬現實技術礦用監測設備,將VR虛擬現實與井下巡檢相結合,實現地面對井下工況的多角度巡檢;配合5G+礦用AR(Augmented Reality)增強現實眼鏡,實現井上井下人員的同步操作、井下精準指揮控制。

2.3 5G+綜采智能化工作面

目前,綜采工作面通信網絡普遍采用有線線路,系統多、結構繁雜、通信線纜維護量大,僅單個工作面支架通信線纜就達2 000根,很難保證常態化運行。

基于5G網絡,智能化綜采工作面在采煤作業過程中,實現高清視頻的同步傳輸與生產實時監控交互,遠程控制綜采工作面設備:①配套綜采工作面自動化技術裝備,主要包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備,結合工業視頻監控技術,以實現生產運行過程工作狀態智能化監測與集中控制;②通過5G網絡將綜采工作面關鍵設備信息參數傳輸至地面,在地面遠程控制中心實現設備遠程網絡監控、自動化操作和視頻集中控制,結合現場工程地質條件,實現工作面現場設備少(無)人化操控。

2.4 傳感器數據采集回傳

綜采工作面工況復雜,可在其兩端布置數據采集控制裝置、傳感單元。基于無線傳感器采集工作面各設備工作壓力、系統流量等參數,實現數據無線傳輸,實時判斷設備運行狀態,集中監控,保障設備安全穩定運行。監測主要設備包括采煤機、刮板輸送機、液壓支架、轉載機和破碎機等,主要監測參數包括減速器高速軸承溫度、設備冷卻水流量和壓力等。

此外,通過5G無線方式將傳感器監測所得數據傳輸到各無線基站,再由基站內的信號轉換器將傳感器數據上傳至地面控制平臺,并顯示在監控界面上,由此監控設備運行狀態。實時監測綜采工作面三機工況數據,掌控運行工況,提高設備可靠性。

2.5 5G+巡檢機器人應用

研發5G工業網關的智能無人巡檢技術,促進井下安全巡檢和視頻識別預警場景化應用,設備參數見表2。①基于5G數據回傳與控制功能,改造巡檢機器人,代替人工進行日常巡檢作業,實現高清視頻、紅外、瓦斯和煙霧傳感器等多元數據智能化監測;②研發固定硐室集成5G模組巡檢機器人,配備視頻AI識別功能,通過地面平臺實現遠程實時操控;③部署5G+4K高清攝像頭,結合視頻分析軟件,實現對人員不安全行為、設備不安全運行等場景的識別,實現井下透明可視化。

表2 技術設備參數

3 基于5G技術的智能礦山建設實踐

煤礦井下綜采工作面切巷設備多且集中,需回傳視頻信號也多,導致該場景下系統容量受限,因此應優先考慮容量需求。基于此,開啟千兆上行方案,即時隙翻轉,采用5G NR的無線資源配置,上行多、下行少,滿足上行的大容量需求(井下業務對5G網絡應用需求)。

礦井業務對上行帶寬需求遠遠大于下行,需要以上行業務定義網絡覆蓋的邊緣。為了保障對網絡帶寬要求較高的視頻類業務正常工作,井下5G小區邊緣定義為上行速率20 MiB/s較為合理。以單個300 m綜采工作面為例,約需170個液壓支架(每3個支架部署1組2 K/4 K攝像儀),上行總容量需求500～1 000 MiB/s。煤礦井下場景業務對網絡需求見表3。

表3 煤礦井下場景業務對網絡需求

煤礦井下5G覆蓋測試結果見表4。可以看出,按照上行速率20 MiB/s為基站小區邊緣,巷道內單站可覆蓋400～500 m,綜采工作面單站覆蓋超過180 m。因此,井下大巷按照最大400～500 m站間距布置,綜采工作面采用在兩側安裝5G基站往中間對打的方式,保障了5G基站信號貫穿整個綜采工作面切巷,可以保證該類應用場景20～30 MiB/s的上行帶寬速率。

表4 煤礦井下綜采面切巷5G覆蓋測試結果

基于山西新元煤礦5G架構體系(見圖4),圍繞井下傳感器、視頻監控、井下通信、井下遠程控制4類通信需求,分別研發了礦用5G物聯網傳感器、5G高清攝像頭、5G手機、5G網關CPE(支持RS485/RS232/RJ45/WIFI)、5G模組(支持RJ45/M.2接口),打通井下5G網絡與煤礦應用的端到端鏈路。

圖4 智能煤礦5G專網組網架構

在新元煤礦31004和3411工作面安裝10臺4K+5G高清攝像頭,視頻數據通過5G專網上傳至地面集控中心,實現地面綜采控制臺對井下工作面采煤機等三機設備的遠程操作,以及工作面監控數據、視頻回傳,遠控延時小于20 ms,驗證了5G在綜采工作面應用的可行性。

2019年11月,新元煤礦成功開通全國首個5G測試基站,完成井下不同應用場景5G覆蓋測試工作,為煤礦井下受限場景和容量受限場景5G網絡的覆蓋應用規劃奠定了基礎。

2020年4月,中國移動與華為公司在新元煤礦開通全國首個“超千兆上行”煤礦5G專網,成功構建上行峰值速率1 100 MiB/s、下行峰值速率300 MiB/s、時隙配比為2∶3的典型工業應用5G網絡,滿足了煤礦井下海量超大上行帶寬的特殊業務需求,實現了礦井生產數據可視化。新元煤礦調度集控中心如圖5所示。

圖5 新元煤礦 5G 實際應用情況(調度集控中心)

4 結束語

1)提出新元煤礦“5G+工業互聯網”應用組網架構,包含應用層(如基礎系統)、網絡層(5G網絡)、感知層(如傳感器)3層架構,實現“地上、井下”的協同作業、綜采智能化工作面、巡檢機器人、傳感器數據采集回傳4類場景化應用。

2)基于煤礦井下綜采工作面5G覆蓋測試結果,確定基站布設設備參數,巷道單站間距400～500 m,綜采工作面單站覆蓋范圍180 m,采用切巷兩端安裝5G基站往中間對打方式,保證上行帶寬速率為20～30 MiB/s。

3)針對井下應用場景、網絡容量受限等特殊需求,基于5G大帶寬與低時延特性,研制上/下行峰值速率分別為1 100、300 MiB/s、時隙配比為2∶3的典型5G工業網絡,滿足煤礦井下信息采集、視頻監控、人員通信、遠程控制類場景業務及帶寬需求。