邱志順

（中色大冶有色金屬集團控股有限公司，湖北 黃石 435101）

運輸車、挖掘機等均是露天礦山開采作業(yè)活動中的常用重要工具類型，長期沿用著人工操作的傳統(tǒng)模式，礦區(qū)地質(zhì)條件多變，不可預測因素偏多，很可能對駕駛及作業(yè)人員生命安全構(gòu)成威脅，還會面對采空區(qū)這一特殊作業(yè)面，采區(qū)邊坡在長期裸露、爆破震動等多種因素的作用下，方位及界限會出現(xiàn)不同程度變化，規(guī)模逐漸拓展，對人車安全性構(gòu)成的威脅也相應增加。加大遠程無人式操控智能化系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有技術手術探查采空區(qū)相關信息，在此基礎上擬定更適宜的開采方案，將采區(qū)片幫等事故發(fā)生率降至最低，維護作業(yè)過程的安全性，協(xié)助礦業(yè)企業(yè)獲取更高的經(jīng)濟效益。

1 研究背景

礦山行業(yè)屬于我國的傳統(tǒng)基礎產(chǎn)業(yè)之一，高危險、高強度、勞動密集性等是該行業(yè)運作的主要特征，安全生產(chǎn)始終是礦山行業(yè)業(yè)務運營階段必須遵照的基礎原則，在國際、國內(nèi)社會等多方壓力的作用下，國內(nèi)礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展一定要持續(xù)推進，積極扭轉(zhuǎn)過往生產(chǎn)模式，樹立與時俱進的發(fā)展理念，以最前端的信息通信技術為支撐，最大限度的提升礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場指揮調(diào)度的多元化、智能化水平，降低露天作業(yè)用工數(shù)目、減輕勞動強度及壓力、最大限度的提升開采作業(yè)的安全保障水平，最后打造出礦區(qū)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的大格局，以上是從根本上扭轉(zhuǎn)礦山傳統(tǒng)生產(chǎn)方式與行業(yè)發(fā)展狀態(tài)的有效方式之一。

當下，國內(nèi)礦山行業(yè)內(nèi)廣泛應用的安全監(jiān)控系統(tǒng)盡管在應對礦區(qū)安全生產(chǎn)問題方面體現(xiàn)出一定效能，但面對礦區(qū)日益復雜的生產(chǎn)條件，傳統(tǒng)系統(tǒng)運行階段暴露出實時性差、節(jié)點傳導距離過長、高電磁環(huán)境下穩(wěn)定性偏差等問題，以上問題若長期不被解除，將會對礦山安全監(jiān)控技術水平提升過程起到較明顯的制約作用[1]。開發(fā)智能化安全監(jiān)控系統(tǒng)是近些年業(yè)內(nèi)眾多學者的共同追求，為應對如上問題而做出建設4G-LTE網(wǎng)絡系統(tǒng)的提議。

4G-LTE專網(wǎng)運行階段具備較高的安穩(wěn)性與先進，其把調(diào)控指令經(jīng)4G無線網(wǎng)絡整合至控制系統(tǒng)內(nèi)，協(xié)助礦區(qū)安全管理人員更全面、直觀的獲取露天礦區(qū)生產(chǎn)信息，從最基礎環(huán)節(jié)保障礦山安全生產(chǎn)能效，在系統(tǒng)內(nèi)配置安裝的上位機軟件有操作流程簡易、應用便捷等許多優(yōu)勢，能產(chǎn)出畫質(zhì)優(yōu)良的圖像、保證了視頻資源的傳導效率，且有預測或預警礦區(qū)危險事故的功能。

2 系統(tǒng)分析

2.1 主要結(jié)構(gòu)規(guī)劃設計

智能化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)大體上由如下幾部分構(gòu)成[2]：

（1）應用層：應用服務器、圖像調(diào)整軟件、操控平臺、視頻服務器、礦區(qū)機械設備生產(chǎn)狀態(tài)呈現(xiàn)等。

（2）網(wǎng)絡層：一體式4G-LTE專網(wǎng)基站、調(diào)度機及和外界環(huán)境互聯(lián)互通的界互聯(lián)的PSTN網(wǎng)絡等是該層次的主要構(gòu)成。

（3）終端：由運送、鉆孔、挖掘等諸多設備設施構(gòu)成。

2.2 功能分析

（1）視頻調(diào)度。分別利用車載攝像頭、采場360球機監(jiān)測礦區(qū)移動與固定監(jiān)控點運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以4G-LTE網(wǎng)絡為支撐，把礦區(qū)車輛周遭及各個作業(yè)面視頻信息動態(tài)化的傳導至操控中心內(nèi)。調(diào)度系統(tǒng)能提供一TD-LTE多媒體為基礎的業(yè)務功能，迎合礦區(qū)內(nèi)語音對講多媒體調(diào)度、系統(tǒng)部署便捷、操作界面友好、穩(wěn)固性高、拓展性強等優(yōu)勢。

（2）遠程式操控。具體是操控人員遠距離操作遠程控制臺上的手柄，結(jié)合遠程無人駕駛設備傳導反饋的數(shù)據(jù)信息，借助4G-LTE智能專網(wǎng)遠程遙控挖掘機、鉆孔機以及運輸車的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（3）安全防護。遠程無人駕駛設備投用礦區(qū)生產(chǎn)階段，能智能化檢測網(wǎng)絡通信狀態(tài)，若感知通信信號出現(xiàn)異常時，便會智能化的實施相關安全防護策略，暫停生產(chǎn)作業(yè)。

（4）移動基站。室外覆蓋基站建設階段以移動式箱型結(jié)構(gòu)規(guī)劃為支撐并聯(lián)合使用了脫鉤支撐車架，可以把金屬礦區(qū)現(xiàn)場布設的基礎設備、電源設施等安置于可移動基站內(nèi)，迎合礦區(qū)現(xiàn)場安全施工的現(xiàn)實要求。

3 設計與實現(xiàn)

該智能化系統(tǒng)主要由4G-LTE基站（1套）、運輸車、挖掘機和鉆孔機操控臺（各1套）構(gòu)成。

將室外基站和天線設施安置在露天礦區(qū)最高處的適宜部位，射頻線纜用做銜接設施，功能以覆蓋露天礦山信號為主。網(wǎng)線銜接室外基站與三層交換機，在各層網(wǎng)絡相互連通、合理調(diào)配設備運行參數(shù)后，運輸車上配置的攝像機便能采集圖像與數(shù)據(jù)信心，將其整合至操作中心[3]。在以上過程中，圖像調(diào)度軟件通過預設程序處理圖像信息后，將其清洗的呈現(xiàn)在顯示器上，這樣操作人員便能更直觀、整體的觀測到礦區(qū)中各臺運輸車輛周遭信息。關于車輛運行狀態(tài)信息，其被8口串口服務器處置以后，還會被準確無誤的傳導至運輸車輛操作臺上，運輸車操作臺的觸摸屏是呈現(xiàn)運輸車輛即時運行狀態(tài)的主要載體。另外，合理應用觸摸屏能夠選擇車輛編號，快速落實8輛運輸車的切換任務。本文如下主要探究4G-LTE專網(wǎng)有關業(yè)務形態(tài)。

3.1 GPS卡調(diào)系統(tǒng)對接組網(wǎng)

GPS卡調(diào)系統(tǒng)的功能可以做出如下闡釋：GPS定位技術為支撐，線性規(guī)劃算法模型是主要的完善基礎，無線通信用于傳導數(shù)據(jù)信息，在計算機設備的協(xié)助下，動態(tài)化調(diào)控采礦區(qū)內(nèi)卡車、電鏟等機械設備的運行狀態(tài)。以上是露天礦智能化生產(chǎn)過程的重要一環(huán)，卡調(diào)系統(tǒng)有傳輸信息精確度高、時效性強等特征，關系著采礦運輸作業(yè)的臺時功效。利用4G-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)能達到快速、準確的銜接安置在不同方位的卡調(diào)系統(tǒng)，使其演變成一個高帶寬傳輸通道，從根本上保證卡調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳導的精確度、時效性，實時追蹤露天礦區(qū)內(nèi)卡車、電鏟、鉆機、推上機等諸多機械設備作業(yè)狀態(tài)。

3.2 礦區(qū)視頻圖像調(diào)度

4G-LTE無線通信系統(tǒng)運轉(zhuǎn)階段能有效結(jié)合移動監(jiān)控點（例如手持臺、車載臺等）與固定監(jiān)控點，實時回傳礦區(qū)現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)的視頻圖像資源[4]。

3.3 Tetra系統(tǒng)對接組網(wǎng)

在設計4G-LTE專網(wǎng)階段，通過安置集群網(wǎng)關，建設4G-LTE、Tetra數(shù)字集群系統(tǒng)兩者間的互動互通關系，這樣 Tetra用戶便能順利的步入到LTE專網(wǎng)中的群組呼叫體系， Tetra用戶在LTE專網(wǎng)群組內(nèi)持有一定話語權(quán)及自我發(fā)出釋放權(quán)。全球有權(quán)威機構(gòu)專家指出，加大對現(xiàn)存TETRA網(wǎng)絡建設階段資金投入數(shù)額，結(jié)合后續(xù)幾年中的現(xiàn)實使用需求，最有效的渠道就是以混合網(wǎng)絡為依托，持續(xù)賦予TETRA語音通信功能，在移動寬帶服務上保證數(shù)據(jù)信息的利用效率等同于打造TETRA+LTE（2+4）寬窄帶通信互通融合模式。

3.4 礦區(qū)彩信業(yè)務

4G-LTE專網(wǎng)持有對外提供彩信發(fā)送業(yè)務的功能，利用各種移動終端、調(diào)度臺，操作人員均能便利的編寫與發(fā)送彩信，該智能網(wǎng)絡支持“點對點”，“一點對多點”和“點到群組”等諸多彩信傳送形式。

露天礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)中，到現(xiàn)場檢修人員察覺到異常狀況時，當場拍照后快速將圖像傳輸至調(diào)度中心上，而后調(diào)度中心負責把編輯好的彩信群發(fā)給有關工作人員，并且會帶有闡釋性文字，為有關作業(yè)人員快捷、精確捕獲與掌握重要信息創(chuàng)造便利，有關專家會結(jié)合彩信內(nèi)容，考慮多方面因素，探究相關應對方法，更為科學的指導礦區(qū)分檢修人員開展各項維修工作。

3.5 礦區(qū)移動式辦公

以4G-LTE專網(wǎng)為支撐，能打造出完善化的礦區(qū)移動式辦公隔絕，明顯的提升了辦公效率。 4G-LTE專網(wǎng)持有自主定義電子表單、公文接收與發(fā)送、程序?qū)徟裙δ埽咝实膽獙α寺短斓V區(qū)業(yè)務形態(tài)波動性較大的現(xiàn)實問題。并聯(lián)合push mail功能，確保有任務或郵件傳達時第一時間對管理人員發(fā)出提醒信號，保證了與露天礦自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的高效性，進一步提升了礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的安全性，為預期產(chǎn)能目標的達成奠定基礎[5]。

3.6 數(shù)字化礦山有關業(yè)務

數(shù)字化礦區(qū)生產(chǎn)管理是當下國內(nèi)眾多礦業(yè)企業(yè)運營階段迫切想要構(gòu)建的格局，4G-LTE的使用為以上目標達成創(chuàng)造了良機。4G-LTE專網(wǎng)可以被看成是構(gòu)建數(shù)字化礦山階段一條無線高速公路，有智能化調(diào)控礦山生產(chǎn)、線上監(jiān)控卡車輪胎、自動化監(jiān)控鉆孔深度、準確定位挖掘機高程、監(jiān)測車輛燃油耗用、供配電設備監(jiān)視、動態(tài)化采集數(shù)據(jù)信息、管理ERP PM模塊、安全生產(chǎn)技術調(diào)控、突發(fā)事件應對、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境勘測與生產(chǎn)規(guī)劃、供配電遠程式調(diào)控、各崗位標準作業(yè)程序移動端學習等諸多功能。

3.7 構(gòu)建無線通信系統(tǒng)基站

立足于某集團公司露天礦山4G無線通信系統(tǒng)建設狀況，結(jié)合露天礦區(qū)現(xiàn)有鐵塔設備狀況，擬定選用10個站址開展覆蓋檢測活動，具體方案如下：

（1）頻點方案：頻段區(qū)間780～1800MHz，帶寬、中心頻點依次為20MHz、1790MHz。

（2）站點方案：基站天線高程為30m，選定4T4R定向天線，TDD上/卜行時隙配置比為3:1。

（3）終端方案：CPE、EP820分別為3m、1.5m，酌情設定各終端類型的數(shù)目。

（4）站點設計：站點:10個，26個分區(qū)，eRRU（1.8GHz4T4R）：26個，4path定向天線：26副，eBBU：10個。

和常規(guī)網(wǎng)絡信號轉(zhuǎn)發(fā)功能作比較，SDN轉(zhuǎn)發(fā)設備的運作原理是分離控制平面與數(shù)據(jù)平面，控制器負責完成所有數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)工作，并有配置及管理網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能，借此方式大幅度的提升網(wǎng)絡管理工作成效。交換設備僅需落實管理數(shù)據(jù)信息的單項任務，有益于強化交換設備系統(tǒng)的簡潔性。SDN調(diào)控轉(zhuǎn)發(fā)分離可編程網(wǎng)絡見圖1[6]。

圖1 SDN調(diào)控轉(zhuǎn)發(fā)分離可編程網(wǎng)絡架構(gòu)圖

（6）系統(tǒng)功能主要有：①轉(zhuǎn)發(fā)指令：OpenFlow協(xié)議和向南接口相互銜接后，能將既往的網(wǎng)絡二、三層設備轉(zhuǎn)發(fā)表取締，形成的流表有解析流與處置動態(tài)功能；②背板轉(zhuǎn)發(fā)：SDN使用階段對數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)速率提出了高標準、高要求，為促進數(shù)據(jù)交換過程，配置性能高端的芯片就能達成；③鏈路調(diào)度：通常情況下，項交換端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息，均需要在端口完成信息分析處理任務。而本系統(tǒng)內(nèi)配置了QOS的交換機，有對部分報文按照級別優(yōu)先分類處理的功能，科學調(diào)整列隊信息，達成對QOS字段相關鏈路程序的精準調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文以自動化控制及4G-LTE技術為支撐，建設一套功能較為完善的智能化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能結(jié)合露天礦區(qū)生產(chǎn)狀況，對各種采礦機械設備進行信息化設計，實現(xiàn)遠程式遙控礦區(qū)作業(yè)面的目標，構(gòu)建了遠程調(diào)控鉆孔、挖掘、運輸為一體的生產(chǎn)鏈條，提升了網(wǎng)絡資源的利用效率，推動礦區(qū)安全生產(chǎn)過程。