5G+智慧采礦應用概況
礦產資源是國民經濟建設與社會發展的重要物質基礎，傳統采礦存在安全、效率和成本等方面諸多問題，5G+智慧采礦成為發展趨勢。本文對5G在智能運輸、遠距控制、智能監控、無人化掘進、智能轉運和融合組網六大場景中的應用進行分析，包括業務需求痛點、5G發揮的價值及案例。
01行業現狀及痛點
傳統采礦存在安全、效率和成本等方面問題
礦產資源是國民經濟建設與社會發展的重要物質基礎，但傳統采礦存在生產環境惡劣、安全事故頻發和生產效率不高等諸多問題，具體包括：
1）礦山工作面危險系數高，露天礦面臨塌方、滑坡等地質災害，井工礦易發生頂板塌陷、瓦斯超標、透水等安全事故，礦山無人化需求強；
2）5G網絡需求迫切，礦用機械設備如挖掘機、電鏟、采煤機、掘進機等設備在作業過程中處于快速移動狀態，工作面的結構強度隨時改變，現有的4G技術、Wi-Fi等無線通信技術傳輸距離短、穿透性差、不穩定、帶寬窄、時延長等缺點，難以滿足高清視頻調度、遠程操控、對信號帶寬和時延的高精尖的要求；
3）成本高。一方面礦工的高流動性導致招聘成本、管理運營成本持續上升，另一方面礦工的素質參差不齊，因操作不當等造成的車輛故障、人身事故、生產輔助材料浪費等現象層出不窮，導致材料成本、人力成本、運維成本居高不下。
5G+智慧采礦成為必然選擇
5G+智慧采礦是以5G技術為基礎載體，利用物聯網、云計算、大數據、區塊鏈、AI、VR 等先進技術與煤炭產業融合發展，實現礦山數據的全面感知、動態傳輸、實時分析，并形成科學的智能控制體系，為高層科學決策提供依據，為企業降本增效提供動力。
5G的需求大致可以分為三種類型：一類是以上行數據傳輸為主的信息采集類，比如視頻信息的采集，各類傳感器信息的采集；一類是以下行數據傳輸為主的控制類應用，比如遠程操控，自動駕駛等；還有一類是雙向交互類，比如語音通信等。
其中，采集類應用一般對上行帶寬和支持的連接數要求比較高，例如視頻采集類，一臺1080p的攝像頭就需要至少4Mbps的上行容量；控制類的應用主要是對時延和可靠性要求比較高；交互類業務對帶寬、延遲要求中等，上下行流量基本對稱。
02典型場景分析及案例
場景一：5G智能運輸
對礦山井下有軌電機車運輸系統來說，大部分需要現場崗位人員與駕駛員配合操作。每臺電機車需配司機和礦工，通過相互配合才能完成。造成裝礦效率低下、裝載異常等問題，同時存在很大的安全隱患。
5G智能運輸依托于礦山5G專網，在運輸車輛上增設測距雷達、AI攝像頭、高精度GPS定位模塊和北斗定位模塊等數據采集終端，將采集的信號實時傳輸到信息處理平臺。通過部署無人駕駛控制系統的礦車調度平臺的綜合處理后發出指令，實現礦卡遠程操控、精準停靠、自主避障等無人駕駛功能，減少現場作業人員，有效降低安全事故發生率，同時可適應不同條件下生產系統的連續運行，大幅提高礦山運輸效率。
方案層面，以高速5G無線通信及工業環網為傳輸平臺，以礦用軌道運輸監控系統為安全依托，采用精確定位技術、圖像識別處理技術和機車安全運調技術， 并結合礦井安全生產運輸綜合監控系統，具體包括：
1）電機車自動控制改造：實現電機車自動運行，需要對機車的電氣回路、機械回路、自動化系統與電氣回路的連接進行改造測試，并安裝車載控制系統 (5G無線通訊設備、協議轉換設備、測速裝置、障礙物檢測裝置、精確定位設備、機車視頻等 )，同時進行牽引系統與機車本體控制融合調試，實現電機車遠程自動控制；
2）精準定位系統：機車通過UWB精準定位系統 , 結合5G定位將無人機車的每節車廂定位至自動放礦口下方；
3）溜井遠程遙控裝礦系統 : 遠程操作臺可安裝于地表控制中心，每套遙控操作臺設置一套操作裝置，實現遠程手動遙控裝礦。無人機車車廂精準定位后，遠程自動放礦系統開啟放礦模式，機車車廂礦石物料高度及視覺AI系統可控制每節車廂的放礦數量，實現與放礦機的連鎖，使無人機車運輸系統與遠程放礦系統高度兼容統一；
4）視頻監控系統：基于5G的高清視頻回傳能夠清晰地傳遞井下機車行駛情況，保障行駛安全。
應用方面，中國移動聯合千業水泥打造了“千業5G礦山綠色智能及礦產資源綜合利用”項目，5G網絡融合北斗高精度定位、車聯網技術、純電礦卡能量回收技術，實現了無人礦車的自動駕駛和協同編隊、作業區域內車輛的集群調度，實現1人操控多臺設備、運輸車完全無人化操作，有效解決礦區安全駕駛問題，設備作業效率提升10%以上。
場景二：5G超遠距控制
有色金屬礦山生產環境艱苦，工作人員需要忍受高溫、粉塵、高濕、有害氣體、高海拔環境等，通常職業病高發，作業過程中的安全問題也非常突出。 針對這些問題，可將礦山作業進行拉遠處理，借助5G網絡實現無人化作業。具體可在采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、皮帶機的適當位置增設AI攝像頭、傳感器、執行終端實現智能化與信息化融合改裝，使得礦用工程機械直接從調度中心遠程控制系統接受指令，并傳輸到設備控制模塊上，實現危險工作區的無人化作業，最大程度減少下井作業人員人數，有效降低安全事故發生率。
中國移動聯合呂梁東義集團在鑫巖煤礦打造5G智慧礦山，實現井下5G基站大規模部署落地，共建設55個分站，建成2個智能化綜采工作面，單班安全生產11刀煤（循環），開采約1萬噸煤，可完全實現全天候通過中國移動5G專網遠程控制生產。
場景三：5G智能監控
礦山場景中，可基于5G網絡，將井下高清視頻采集終端實時采集的高清視頻回傳至地面監控平臺，通過算法實現基于機器視覺技術的人員不安全行為識別、物品的不安全狀態實時監測預警和環境安全監測，更好滿足生產安全監控要求，具體為：
1）人員行為識別。在重點生產環節和作業場所安裝高清攝像頭，通過大帶寬的視頻回傳，對人員威脅安全生產的危險行為進行智能識別，監督各工種高效生產，保證作業人員安全；
2）“機”與“物”安全狀態識別。對礦山生產所使用的設備、工具等輔助生產用具和生產相關的物件、物料，通過視頻分析設備運行狀況，保障每臺設備的正常運轉，保證設備的完好率，保證礦山的正常生產，避免和減少安全事故；
3）環境安全。礦山園區安防需要無死角、高清、實時的監控系統，識別火災、爆炸、交通違規行為等，保障生產經營正常有序運轉和穩健發展。
方案層面，基于5G邊緣計算中心可通過5G網絡實時獲取多種視頻源，由部署在5G邊緣DC上的算法引擎和算法模型對圖像進行推理分析，并形成推理結果，反饋給上層應用進行呈現。同時，為了解決新場景快速開發的問題，通過建設或者租用AI自主訓練平臺，有色金屬行業用戶可自行上傳圖片，由AI自主訓練平臺進行圖片對象標注、模型訓練、基于規則的模型編排和模型下載部署。
針對5G高清視頻監控場景，中國移動聯合蒙發能源窩兔溝煤礦實現5G皮帶無人盯守，基于5G的AI智能攝像頭、機器人取代人工巡檢和盯防，核心皮帶等重要設備實時監測監控，在降低皮帶故障率的同時實現無人盯防、無人巡檢，提升礦山的智能化水平，提高生產效率。
場景四：5G無人化掘進
在地下礦山采掘作業中，爆破前確定布孔位置、方向及深度，進行鉆孔，以及爆破后對現場噴水清理粉塵、排除盲炮隱患、清除頂板和側幫浮石等，均需人工現場操作。
依托5G網絡，通過對掘進機等相關礦用生產設備進行智能化、信息化改造，加裝隔爆兼本安型的傳感器、攝像頭、控制箱等終端，實現作業現場信息實時采集并傳回控制中心，控制中心通過5G專網將遠程控制信令下發至掘進機等礦用設備控制終端，實現設備的一鍵啟停、遠程操作控制等功能，有效降低危險作業區域安全事故發生率。
方案上，在掘進巷道可通過井下可移動無線基站覆蓋技術快速進行臨時性的5G網絡覆蓋，通過礦山工業環網回傳與井上集控中心互聯互通，并通過對現場機械設備基于5G高清視頻回傳、超低時延控制以及人工智能等新技術為基礎的智能化改造 , 實現裝備的遠程化甚至無人智能化作業。
對于無人化掘進場景，中國移動聯合山東黃金集團，實現井下鑿巖臺車的5G遠程掘進作業，項目將鑿巖工從井下危險的工作面解放到地表集控室，解決因爆破產生有毒氣體的人員停工疏散難題，且有效減少井下作業人員，實現鑿巖工的本質安全，提高井下作業工作效率15%以上。
場景五：5G智能轉運
5G智能轉運主要包括提升機漏料清理和膠帶在線監測兩方面：
1）提升機漏料清理
在使用提升機運輸礦石的作業過程中，會有粉塵掉落到卷揚機的臺面，漏料清理工作需卷揚機停機后進行人工清理，存在重大人身安全風險。需采用視覺識別判斷清理時間，協同自動提升系統和清掃系統，適時啟動清掃，避免了人工進行清掃作業帶來的安全風險，有效阻止了灰塵飄散，降低勞動強度，改善工作環境。各系統聯動實現精細化操作，提高礦石提升效率。
通過5G高清視頻回傳、人工智能的視覺算法以及全自動的清掃機械系統等新技術 , 識別卷揚機臺面的漏料堆積情況，機器視覺判定達到設定閾值后下發清理指令，系統可自動分析有關數據并提供趨勢曲線、報警信息、運行時間等信息，實現清掃及提升等各系統之間數據共享與控制聯動，自動化和可視化融合，最大限度地發揮智能化效益。作業全程不需要人工參與，避免人工作業的風險，也提高了礦石提升效率。
2）膠帶在線監測
井下膠帶主要部署在有色礦的轉運系統中，負責把初碎后的礦石頭輸送到井上。也有部分膠帶部署在礦石出地面后的運輸及選礦供料，以及精礦尾礦壓濾后的出口處。防止膠帶跑偏等檢測需求是膠帶系統中各個環節維護人員重點關注問題。
在邊緣云中部署膠帶實時檢測防護系統應用，膠帶實時監測防護系統整體采用視頻監控探頭、 溫度傳感器和嵌入式計算機技術，通過5G傳輸網絡實現實時采集膠帶設備啟停控制工作電流、電壓顯示、膠帶速度的檢測和顯示。可根據采集的設備電機溫度、運行頻率、風機狀態等數據，通過相應算法實現膠帶故障自診斷，實現井下掘進順槽膠帶、工作面順槽膠帶以及主運輸膠帶等的保護，控制、沿線通話、故障檢測、顯示及報警等功能。實現膠帶跑偏識別，堆料識別，膠帶掉料識別，撕裂識別，人員違章識別，異物識別與料量識別等場景。
圖6 膠帶在線監測場景示意圖
場景六：5G井下融合組網
將移動5G基站引入井下，融合5G、光纖環網、Wi-Fi 6等技術，實現井下巷道各區域的無線覆蓋，保證端到端安全、可靠、穩定，滿足基本通信需求的基礎上，賦能生產環節，同時依托融合通信管控平臺，實現礦山行業語音、視頻、數據的統一接入、調度和管理，提升生產效率。
針對井下融合組網場景，中國移動聯合山西新元礦，將5G網絡布局到地下534米的礦井，建成井下“超千兆上行”煤礦5G專用網絡，實現井下全部作業面監控、井下采煤機無人操控、危險場景及時巡檢監控等，解決了井下設備運行過程中線纜維護量大、信號經常缺失等問題，為遠程操作人員提供全景高清作業視野，既有效降低危險作業區域安全事故發生率，也節省大量人力物力。項目完成后，預計單班助力井下作業減員20人，實現降本增效近千萬元。
03未來展望
2020年3月，國家發改委、工信部、能源局等8部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》， 提出了煤礦智能化發展的三個階段性目標：2021年建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化；到2035年，各類煤礦基本實現智能化，構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系。
短期內，利用5G替換原有網絡的替換類應用將成為5G+智慧礦山主要發展的應用類型。包括井下融合組網、5G+4K高清視頻監控、礦用機械遠程控制等。中期來看，3機1架（采煤機、掘進機、刮板輸送機、液壓支架）、電鏟、礦卡等控制類業務，由于具備較高安全性和可靠性要求，仍在探索驗證階段，未來 2-3 年有望進入高速發展期。長期來看，隨著5G SA 網絡的成熟和完善，礦山智能調度平臺、視頻調度系統、人員定位系統、智能巡檢系統、機車調度系統、移動調度系統等應用將逐漸成熟，全面賦能智慧礦山。
來源：5G行業應用