高 強(qiáng)，韓 雷

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

0 引言

煤炭作為我國第一大能源，也是國家能源集團(tuán)主業(yè)，經(jīng)過多年創(chuàng)新發(fā)展，國家能源集團(tuán)形成了具有核心競爭力的獨(dú)特的發(fā)展模式，長時間引領(lǐng)著行業(yè)發(fā)展。隨著新時代的不斷推進(jìn)，煤炭產(chǎn)業(yè)面臨著新挑戰(zhàn)和新任務(wù)，國家能源局下發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，對智能化示范煤礦建設(shè)提出了具體要求，神東煤炭集團(tuán)公司根據(jù)《國家能源集團(tuán)智能礦山建設(shè)方案》的指導(dǎo)意見，計劃實(shí)施智能礦山示范工程項目。圍繞公司智能化示范工程規(guī)劃，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，針對采掘工作面智能化程度低、環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大、安全風(fēng)險高等特點(diǎn)，結(jié)合目前采掘工作面生產(chǎn)組織及智能化水平，設(shè)計出5G技術(shù)賦能下視頻+智能化的應(yīng)用模式。然而，在煤礦巷道掘進(jìn)中面臨著粉塵多、霧氣重、光線弱、辨識度差，導(dǎo)致煤機(jī)司機(jī)視線差、盲區(qū)多，存在碰撞設(shè)備、擠傷人員等特重大安全隱患。加之巷道掘進(jìn)過程中地層復(fù)雜多變，掘進(jìn)參數(shù)需隨地層性質(zhì)變化實(shí)時作出適應(yīng)性調(diào)整，掘進(jìn)環(huán)境智能感知與識別困難，最后設(shè)計出基于5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)連采機(jī)全方位跟機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，便于司機(jī)及時準(zhǔn)確掌握連采機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步提升采掘工作面的安全高效生產(chǎn)。

1 采掘工作面智能化目標(biāo)

1.1 采掘工作面智能化現(xiàn)狀

采掘工作面環(huán)境影響一直是煤巷掘進(jìn)制約其安全、高效、集約化生產(chǎn)的共性關(guān)鍵問題，加之掘、支、運(yùn)不能平行作業(yè)，掘進(jìn)快而支護(hù)慢，所以實(shí)現(xiàn)采掘工作面智能化，首先應(yīng)將工作面工作人員從掘進(jìn)頭惡劣的工作環(huán)境中解放出來，在集控中心實(shí)現(xiàn)對工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及自動化割煤，免受煤塵、噪聲等職業(yè)病的侵害，遠(yuǎn)離煤礦“五大”災(zāi)害。近年來，隨著智能化示范煤礦的建設(shè)，煤炭開采正由傳統(tǒng)向智能轉(zhuǎn)變，礦井各系統(tǒng)在自動化、智能化方面也取得了新的進(jìn)展，已實(shí)現(xiàn)以下功能。

區(qū)域中央自動化控制系統(tǒng)：控制范圍已達(dá)621.8 km2，涵蓋5座煤礦的綜合自動化系統(tǒng)，形成億噸級的生產(chǎn)控制平臺，實(shí)現(xiàn)了各生產(chǎn)系統(tǒng)的集中顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測存儲、遠(yuǎn)程控制、智能報警、智能分析等功能，集中體現(xiàn)了礦井管理的信息化、自動化和智能化。

采掘工作面自動化：采掘工作面自動化系統(tǒng)主要對象指綜合機(jī)械化采掘工作面的連采機(jī)、掘錨機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮皮帶輸送機(jī)，其中掘錨機(jī)配套電控系統(tǒng)。通過組態(tài)圖和列表組合的方式監(jiān)控采掘工作面系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，平臺接入系統(tǒng)對掘進(jìn)面各種設(shè)備和工況進(jìn)行監(jiān)測，集成展示采掘工作面監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)面的集中調(diào)度與指揮。

掘進(jìn)膠帶機(jī)無人值守系統(tǒng)：通過對膠帶機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制改造，并在膠帶機(jī)機(jī)頭安裝高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)了多部膠帶機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、故障信息查看、遠(yuǎn)程修改控制器參數(shù)的功能。

破碎機(jī)與梭車聯(lián)動控制：利用先進(jìn)的UWB超寬帶技術(shù)[1-3]，實(shí)現(xiàn)給料破碎機(jī)自啟停功能；梭車駛進(jìn)給料破碎機(jī)7 m范圍時(范圍根據(jù)實(shí)際情況在5～20 m內(nèi)可調(diào))，給料破碎機(jī)的運(yùn)輸機(jī)和破碎滾筒自動開啟，當(dāng)梭車卸完煤離開給料破碎機(jī)后，給料破碎機(jī)的運(yùn)輸機(jī)和破碎滾筒延時3 min自動停機(jī)(時間可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)，確保給料破碎機(jī)將料斗內(nèi)的煤運(yùn)完。

自動錨索鉆機(jī)：錨索支護(hù)方面多采用單體式液壓錨索鉆機(jī)或兩臂錨索鉆車進(jìn)行作業(yè)。單體式液壓錨索鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，需3人配合作業(yè)，一人操作鉆機(jī)、一人裝拆鉆桿、一人備料和駕駛防爆車，操作人員長時間與污水和粉塵接觸，對身體健康造成嚴(yán)重影響，工作效率低。為了提升錨索支護(hù)機(jī)械化水平，部分礦井采用兩臂錨索鉆車進(jìn)行錨索支護(hù)，整機(jī)需3人協(xié)同作業(yè)，2人操作鉆臂，1人地面輔助上錨索及操作錨索鉆車行走，與單體錨索鉆機(jī)相比，支護(hù)效率有了極大提升。雖然采用兩臂錨索鉆車進(jìn)行支護(hù)，但操作人員依然需長時間與污水和粉塵接觸。

自動錨桿鉆機(jī)：采掘工作面巷道支護(hù)設(shè)備主要有澳大利亞約翰芬雷四臂錨桿機(jī)、山特維克掘錨機(jī)配套頂幫錨桿機(jī)、太科院四臂錨桿機(jī)、景隆重工兩臂錨桿機(jī)，以上錨桿機(jī)均未實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行。為了提高支護(hù)自動化水平，聯(lián)合開發(fā)全自動兩臂組合式錨桿鉆車，于2018年10月16日設(shè)備整機(jī)完成出廠驗收、到貨并進(jìn)行井下工業(yè)性試驗。實(shí)現(xiàn)了自動鉆孔功能，鉆孔過程可根據(jù)進(jìn)給阻力和扭矩，動態(tài)調(diào)整進(jìn)給速度，自動適應(yīng)頂板煤巖變化，實(shí)現(xiàn)智能鉆孔，同時有效預(yù)防了卡鉆和斷鉆桿的風(fēng)險；可精確控制鉆孔深度，保證后續(xù)錨桿錨固效果，實(shí)現(xiàn)了自動行走和間排距自動定位功能，行走步進(jìn)距離可設(shè)定，履帶部位設(shè)置有行走距離傳感器，測量行走距離；同時，采用激光測距傳感器，測量鉆臂離幫距離，錨桿間距可根據(jù)要求自由設(shè)定；實(shí)現(xiàn)了自動瞄準(zhǔn)和自動錨固功能，設(shè)計瞄準(zhǔn)器保證錨桿精準(zhǔn)進(jìn)入鉆孔，錨固力根據(jù)錨固要求自由設(shè)定；采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)時記錄鉆進(jìn)阻力、扭矩、錨固力等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)每個錨桿支護(hù)質(zhì)量分析，智能判斷頂板煤巖情況，建立鉆孔和錨桿支護(hù)數(shù)字檔案。

連采機(jī)智能化掘進(jìn)技術(shù)：智能連掘機(jī)集成了激光自動跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了移動實(shí)時定位，結(jié)合慣性導(dǎo)航定向技術(shù)，定位精度可達(dá)20 mm[4-7]；截割頭視頻集成了5G技術(shù)，實(shí)時傳輸狀態(tài)參數(shù)和視頻畫面，滾筒紅外視頻、掘進(jìn)遠(yuǎn)控臺，實(shí)現(xiàn)自動割煤+遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)。該技術(shù)目前處于調(diào)試階段，尚未實(shí)現(xiàn)常態(tài)化應(yīng)用。

1.2 智能化目標(biāo)

采用連采機(jī)智能化掘進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)連采機(jī)的自動控制、設(shè)備的定位定姿定向、煤巖分界的輔助識別，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連采機(jī)遠(yuǎn)程控制及自主割煤。連采機(jī)電纜收放裝置采用拽纜裝置、排纜裝置相結(jié)合的電纜收放形式，避免采用滑環(huán)滾筒式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)收放裝置以液壓為動力，具備手動收放、自動收放、人為干預(yù)下自動收放3種模式，電纜收放裝置具備收放力自適應(yīng)控制，防止拉力過大損傷電纜，收放裝置結(jié)構(gòu)緊湊，具備防護(hù)裝置，不影響司機(jī)操作視線；利用SLAM技術(shù)進(jìn)行設(shè)備感知、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)三維地圖的巷道建模及軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)梭車自主定位、路徑規(guī)劃，支持自主避障等功能[8-11]；利用UWB技術(shù)將采煤機(jī)械本體及周圍區(qū)域進(jìn)行危險程度評價，根據(jù)不同的危險系數(shù)劃分為操作區(qū)域、警告區(qū)域、停機(jī)區(qū)域等。實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)入危險區(qū)域時移動設(shè)備自動停止運(yùn)動防止設(shè)備傷害作業(yè)人員；利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)采掘工作面數(shù)據(jù)傳輸及視頻監(jiān)控。

2 5G無線通信設(shè)計

5G無線通信系統(tǒng)主要承載協(xié)同調(diào)度、AI視頻分析、掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程操控和物聯(lián)感知接入4大類業(yè)務(wù)。通過智能感知、智能傳輸、智慧決策、智能分析打造“產(chǎn)業(yè)應(yīng)用5G+物聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)[12-14]。打造產(chǎn)、學(xué)、研、用一體的全流程生態(tài)合作模式，以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)承載，支撐煤礦行業(yè)各類上層應(yīng)用和設(shè)備研發(fā)，促進(jìn)5G煤礦產(chǎn)業(yè)鏈完善與發(fā)展。

2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成與供電設(shè)計

系統(tǒng)整體構(gòu)成：系統(tǒng)主要由地面5G核心網(wǎng)設(shè)備、地面操控中心、礦用基站控制器、礦用無線基站、礦用信號轉(zhuǎn)換器、礦用手機(jī)和連采機(jī)設(shè)備產(chǎn)品構(gòu)成。核心網(wǎng)(5GC)的功能主要是提供井下無線網(wǎng)絡(luò)的注冊和控制、業(yè)務(wù)的鑒權(quán)、語音和數(shù)據(jù)的交換等功能。KT606-K(5G)礦用隔爆型基站控制器的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。KT606-F(5G)礦用隔爆兼本安型無線基站主要功能和作用是提供井下5G無線信號覆蓋。KZC127(5G)礦用隔爆兼本安型信號轉(zhuǎn)換器主要實(shí)現(xiàn)將井下有線設(shè)備轉(zhuǎn)換成5G信號方式承載到5G無線網(wǎng)絡(luò)下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。KT606-S1(5G)礦用本安型手機(jī)主要實(shí)現(xiàn)語音通信和移動端業(yè)務(wù)應(yīng)用。連采機(jī)通過RS485協(xié)議連接到信號轉(zhuǎn)換器，通過基站連接到地面操控中心。

系統(tǒng)供電設(shè)計：5G基站供電設(shè)計采用一主一備的方式設(shè)計，其中一主是直接取井下AC127V供電電源，一備采用UPS備用電源供電，采掘工作面交接班區(qū)域集中布置電源，破碎機(jī)處增設(shè)電源轉(zhuǎn)換器將660 V轉(zhuǎn)換成127 V供電，連采機(jī)處直接取照明燈電源供電。

2.2 核心網(wǎng)與核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計

核心網(wǎng)設(shè)計：5G核心網(wǎng)采用3GPP定義的國際標(biāo)準(zhǔn)5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，集成了標(biāo)準(zhǔn)的AMF、SMF、UPF、AUSF、UDM、NRF、NSSF和PCF等網(wǎng)元。除了N4口，其余網(wǎng)元是標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)化架構(gòu)。AMF(接入和移動管理功能)作為核心控制面節(jié)點(diǎn)為5G網(wǎng)絡(luò)提供用戶的注冊和連接管理，用戶可達(dá)性和流動性管理功能，參與鑒權(quán)認(rèn)證和NAS信令保護(hù)等安全功能，以及執(zhí)行邊緣安全錨點(diǎn)功能。SMF(會話管理功能)主要負(fù)責(zé)會話管理相關(guān)的功能，包括建立、修改、釋放等，具體功能包括會話建立過程中的IP地址分配、選擇和控制用戶面功能、配置業(yè)務(wù)路由和UP流量引導(dǎo)、確定SSC模式、配置UPF的QoS策略等。UPF(用戶平面功能)作為連接PDN網(wǎng)絡(luò)的用戶面節(jié)點(diǎn)，主要提供用戶平面的業(yè)務(wù)處理功能，包括業(yè)務(wù)路由、包轉(zhuǎn)發(fā)、錨定功能、QoS映射和執(zhí)行、上行鏈路的標(biāo)識識別并路由到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、下行包緩存和下行鏈路數(shù)據(jù)到達(dá)的通知觸發(fā)、與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接等。AUSF(鑒權(quán)服務(wù)器功能)實(shí)現(xiàn)對用戶的鑒權(quán)和認(rèn)證。UDM(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能)主要功能是對各種用戶簽約數(shù)據(jù)的管理、用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)管理、用戶的標(biāo)識管理等。NRF(NF貯存功能)支持網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)注冊登記、狀態(tài)監(jiān)測等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)自動化管理、選擇和可擴(kuò)展。PCF(策略控制功能)PCF支持統(tǒng)一的策略框架來管理網(wǎng)絡(luò)行為，為控制平面功能提供策略規(guī)則，訪問統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲庫(UDR)與策略決策。

核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計：工作面集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入主要包括無線接入基站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制柜等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)和集中控制子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接。首先設(shè)計5G基站安裝位置，形成區(qū)域性獨(dú)立的核心網(wǎng)。采掘工作面要想形成區(qū)域5G專網(wǎng)，設(shè)計在交接班區(qū)域安裝一臺5G基站及無線站，供集控中心控制、視頻傳輸，破碎機(jī)處安裝一臺5G基站及無線站，接收連采機(jī)控制及視頻傳輸，連采機(jī)機(jī)身安裝一臺5G無線站，接收連采機(jī)PLC控制及視頻并負(fù)責(zé)將信號發(fā)送給破碎機(jī)基站。這樣就形成了區(qū)域性獨(dú)立的高速數(shù)據(jù)傳輸通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻的傳輸。

3 5G無線通信+智能連采機(jī)視頻設(shè)計

3.1 攝像儀原理

每個攝像儀內(nèi)需接4根線，分別為2根127 V電源線和2根信號線。每個攝像儀通過一根四芯屏蔽電纜引到PLC箱，4個攝像儀共用4根四芯屏蔽電纜。在PLC箱內(nèi)將4根四芯屏蔽電纜其中兩芯并在一起接到PLC箱內(nèi)的127 V電源，另外兩芯并在一起再通過一根四芯屏蔽電纜由PLC箱引到駕駛室防爆主機(jī)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸器，防爆主機(jī)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸器通過網(wǎng)線接在主機(jī)上。攝像儀內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸器設(shè)置為從，主機(jī)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸器設(shè)置為主，一主四從模式。

3.2 攝像儀位置

在連采機(jī)機(jī)身安裝4臺網(wǎng)絡(luò)攝像儀，分別在右履帶上方安裝KBA12B型1臺監(jiān)控鏟板，駕駛室頂棚安裝KBA12B型一臺監(jiān)控運(yùn)輸機(jī)尾，駕駛室頂棚安裝1臺KBA12B型和1臺KBA12(G)型分別監(jiān)控截割頭及截割頭紅外熱成像儀，在連采機(jī)駕駛室人員作業(yè)左側(cè)安裝主機(jī)控制機(jī)圖像顯示屏，保證司機(jī)實(shí)時看到煤機(jī)行走期間的路況，以便及時做出反應(yīng)，確保安全生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 安裝位置及效果

3.3 攝像儀顯示設(shè)計

利用連采機(jī)和梭車身上安裝的多路攝像機(jī)，實(shí)時采集移動設(shè)備工作現(xiàn)場關(guān)鍵視角的視頻圖像和音頻信息，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦ぷ髅娴谋O(jiān)控中心。連續(xù)采煤機(jī)上安裝多路除塵攝像頭，分別采用熱成像儀和低照度攝像頭，實(shí)現(xiàn)工作面上視頻的采集，連采機(jī)上布置拾音器，將現(xiàn)場聲音傳輸?shù)竭h(yuǎn)控平臺。視頻顯示單元實(shí)時顯示多個移動設(shè)備各個關(guān)鍵點(diǎn)處的視頻，對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行視覺延伸，以達(dá)到身臨其境的感覺。

3.4 連采機(jī)視頻與5G無線通信融合設(shè)計

考慮到各設(shè)備的空間排布及運(yùn)動特征，利用5G技術(shù)建立連采工作面防爆無線信息網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測信息的傳輸。單機(jī)設(shè)備中的以太網(wǎng)有線局域網(wǎng)通過5G無線基站橋接而組成系統(tǒng)局域網(wǎng)。布設(shè)3個基站后無線通信距離可達(dá)200 m以上，實(shí)現(xiàn)了整個快速采掘工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸。采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)連接掘進(jìn)機(jī)機(jī)載控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，通過5G無線實(shí)現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)和視頻流的隔離傳輸，并可通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)連接至地面調(diào)度中心。智能連采機(jī)自動控制系統(tǒng)以有線+無線的傳輸方式，其中有線采用載波通信，首先更換連采機(jī)跟機(jī)電纜為帶4芯控制線電纜，將4芯控制線接入連采機(jī)PLC箱實(shí)現(xiàn)煤機(jī)與饋電通信，再引用一根控制線將煤機(jī)饋電與破碎機(jī)5G基站連接，實(shí)現(xiàn)煤機(jī)PLC控制數(shù)據(jù)及視頻進(jìn)入千兆工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)而接入交接班區(qū)域5G基站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制煤機(jī)及視頻監(jiān)控。其次，為保證視頻質(zhì)量，在連采機(jī)機(jī)身安裝1臺硬盤錄像機(jī)，將所有攝像儀打包接入，實(shí)現(xiàn)視頻輸出為一條路徑，從而解決了視頻在傳輸過程中的卡頓問題。

4 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)以安全為核心，連采機(jī)全方位跟機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)司機(jī)在生產(chǎn)過程中全方位、零死角、高清晰監(jiān)控。無論是檢修還是生產(chǎn)，可以實(shí)時監(jiān)控連采機(jī)周圍情況，以達(dá)到身臨其境的感覺，保證煤機(jī)在生產(chǎn)中更智能、更高效、更安全的運(yùn)行，進(jìn)一步提升了采掘工作的安全性。其中，熱成像攝像頭與普通攝像頭相比具有可視距離遠(yuǎn)、能見度高的優(yōu)點(diǎn)，在惡劣條件下成像清晰，最大程度地避免黑暗、高光、粉塵等因素的影響，煤機(jī)司機(jī)可實(shí)時監(jiān)控煤機(jī)在生產(chǎn)過程中的情況，遇到危險可及時做出反應(yīng)，確保安全生產(chǎn)。