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0 引言

我國采礦行業(yè)工作環(huán)境復雜，既有露天礦，又有井下礦。在露天礦經常有山石墜落、作業(yè)區(qū)塌方滑坡、瓦斯爆炸等事故風險。井下多是高溫高濕和混合粉塵的惡劣工作環(huán)境。以“5G+工業(yè)互聯網”的智能制造、網絡協(xié)同和數字孿生等技術模式對于改造采礦行業(yè)提升智能化潛力巨大。

“5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化應用的宗旨是將5G通信、工業(yè)互聯網、大數據、人工智能、工業(yè)智能裝備和數字孿生等技術與礦山工作場景深度融合，突破重點在建設采礦綜合管控平臺上，在智能綜采、快速掘進、主輔運輸、安全監(jiān)控以及機器人等系列裝備實現自動化基礎上進一步實現智能化。本文將針對井工礦和露天礦智能化改造提出頂層設計，并對基于數字孿生的人-機協(xié)同控制以及基礎支撐數智中臺技術進行詳細介紹，利用遠程操控設備、設備協(xié)同運作等典型場景實施效果進行說明，同時展望了采礦業(yè)智能化技術的應用前景，具有參考意義。

1 “5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化技術分析

1.1 采礦智能化技術應用現狀和目標

根據基礎設施情況，我國井工礦可分為3類：基礎設施較好的大型礦、基礎設施相對薄弱的中小型礦和偏遠山區(qū)的礦山。要根據具體實際加強安全監(jiān)測、機械化、自動化、信息化和智能化水平提高，智能化更注重提升效能、安全預警、減人提效、遠程控制、無人值守和巡檢，形成智能一體化綜合管控；對于露天礦，首先要提升基礎網絡和信息傳輸能力，建立感知系統(tǒng)和數據中心，增加智能裝備和機器人，重點建設綜合管控系統(tǒng)為基礎的場景應用[1]。

礦山的智能化路徑依賴工業(yè)互聯網，當前我國工業(yè)互聯網的應用主要以“設備物聯+分析”或“業(yè)務系統(tǒng)互聯+分析”的簡單應用為主[2]。本文分析了礦山實際情況，首先提出頂層設計，將包括兩條主線：應用場景的廣度覆蓋設備、工藝、產品、管理、流程等；數據分析的深度覆蓋基于規(guī)則和建模的故障診斷、預警、輔助決策。目前5G技術賦能礦山智慧生產已經開始實施，如在露天礦利用連采機全方位跟蹤視頻監(jiān)控生產過程，實現了操作者全方位、零死角、高清晰監(jiān)控[3]，有身臨其境的感覺，形成采掘工作面視頻+智能化應用場景。本文在此應用基礎上進一步提出結合數字孿生技術，對單斗-卡車間斷工藝的生產環(huán)境進行整體模擬，同時結合數智中臺通用技術實現綜合指揮調度的人機協(xié)同控制系統(tǒng)。

1.2 “5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化頂層設計

“5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化把采礦企業(yè)、采礦行業(yè)、采礦供銷鏈條整體連接起來[3]，其中5G是連接器，工業(yè)互聯網是數據采集和傳輸的通道，數智中臺是數據處理的引擎，三者結合提升全產業(yè)鏈價值。采礦互聯網的實施總體情況如圖1所示。

圖1 采礦工業(yè)互聯網實施總體視圖

該視圖可以概括為“3、2、1”體系，從下向上分別是邊緣和設備層、企業(yè)層和產業(yè)層共3層[4]，覆蓋研發(fā)、生產、銷售等協(xié)同合作的各個產業(yè)環(huán)節(jié)?！?”是工廠內網和工廠外網，“1”是“一套安全”體系，含國家級、省和行業(yè)級、企業(yè)級以及邊緣安全防護。

邏輯架構圖(見圖2)橫向劃分成邊緣和設備層、采礦IaaS、平臺層(采礦PaaS)、應用層(采礦SaaS)以及工業(yè)安全防護共5部分。

邊緣和設備層包括設備自動化改造、協(xié)議解析和邊緣智能計算等；IaaS主要是云基礎設施；平臺層包括通用基礎支撐、采礦大數據系統(tǒng)、礦山視頻結構化和模式識別、采礦數據建模和分析、數字孿生場景平臺、采礦微服務組件庫和開發(fā)支撐工具；應用層是企業(yè)內部在設計、生產、管理及服務方面的業(yè)務應用及智能化場景應用；安全體系建設保障企業(yè)和商業(yè)信息的絕對安全[5-6]。

井工礦和露天礦建設智能綜合管控平臺[7-9]利用工業(yè)生產、安全防控的智能聯動，并融合經營管理等業(yè)務系統(tǒng)的數據進行分析，達到生產、經營、管理的全鏈條智能化改造，實現監(jiān)測實時化、控制自動化、安全本質化、管理信息化、業(yè)務協(xié)同化、知識模塊化、決策智能化的目標。

1.3 “5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化重要技術

5G具有低時延(時延小于1 ms)、高可靠性(可靠性99.9999%)和大連接能力[10-11]，基于5G的工業(yè)互聯網首先要求搭建井上井下“超千兆”的采礦5G專用網，實現作業(yè)礦區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)等全覆蓋，并具備網絡設備隔爆性能，保障實時高清4K視頻回傳，融合現有傳輸設施、無線網關、北斗高精度定位、融合調度通信，提升采礦系統(tǒng)的綜合感知能力、融合交互能力[12-13]；其次，在邊緣和設備層，對現場設備、傳感器以及所有需要采集數據的終端上內置5G模組或部署5G網關，包括遠程控制智控設備、高清攝像頭、巡檢機器人、無人機、智能化安防設備。

圖2 采礦工業(yè)互聯網實施框架的邏輯視圖

為推進基于實時監(jiān)測的高精準工業(yè)自動控制和高精準定位能力物流供應管理，下面介紹基于數字孿生的人機協(xié)同控制和基礎支撐通用技術數智中臺，提升資源配置效率和生產效率，降低事故發(fā)生的可能性。

1.3.1 基于數字孿生的人機協(xié)同控制

露天礦的單斗-卡車間斷工藝流程包含穿孔、爆破、采裝、運輸和排土等工序[14]，每個工序中均有不同材料和能源的消耗。要實現低投入、高產出。實現生產現場少人甚至無人而整個生產高效協(xié)同進行，需要利用大數據和人工智能，結合北斗高精度定位、防碰撞安全預警、自動駕駛和數字孿生等技術將該工藝系統(tǒng)改造成綜合指揮調度的人機協(xié)同控制系統(tǒng)，使其具有智能感知和自主決策功能，提供整體可視化實踐、故障診斷的自我學習及維護能力、人機共存協(xié)調合作、相輔相成能力。

數字孿生可以在信息空間構建物理世界的全息映射，同步反映物理系統(tǒng)的實時動態(tài)[15]?？商峁﹥煞N典型可視化場景：高仿真全要素靜態(tài)場景、數據驅動動態(tài)場景。前者通過手工建模把各工序涉及的重點設備和物料、場地使用情況搭建成高仿真靜態(tài)場景。后者可接入歷史數據、實時數據、計劃數據形成數據驅動場景，還可以對工作現場環(huán)境、堆料、采裝運輸和排土生產預演、演練和復盤?？梢暬Ч茏龅皆贫送瓿射秩竞投嘣迫诤?，客戶端兼容多瀏覽器、多終端、多客戶端、同屏互動、支持8K高清晰畫面等。

當前，基于時序數據庫的產品，數字孿生海量數據動態(tài)建模技術的研究還處于初級階段[16]，但基于場景的建模技術已經成熟應用，單斗-卡車間斷工藝流程是由鏟車、卡車以及輔助設備、操作人員、加工材料和環(huán)境共同組成的協(xié)同工作場景，應用數字孿生技術可達到降低溝通成本、提高檢查效率、降低安防風險、遠程操作安全、快速支撐決策的效果。邏輯架構如圖3所示。

實現卡車防碰撞和安全運行需要實時監(jiān)測挖掘機斗齒磨損狀態(tài)，卡車輪胎胎壓、溫度，卡車燃油消耗狀況和卡車周圍障礙物，并能及時提示操作司機；采裝運輸等設備都具有單機狀態(tài)監(jiān)測，將設備狀態(tài)實時匯聚給綜合監(jiān)測系統(tǒng)，可協(xié)調各種信號交互和進行連鎖控制；可以利用邊緣層的設備故障診斷知識庫和數據樣本，通過邊緣計算實現設備故障自診斷；將北斗的高精度定位技術應用于挖掘機、卡車和人員進行精確定位，實現設備和人員之間相對位置的精確監(jiān)測、人員警報和安全防護；將自動駕駛技術應用在卡車上，其運行數據與業(yè)務數據互聯互通，在裝車過程中為挖掘機、卡車提供協(xié)同信號，通過卡車的智能調度管理實現安全可靠的遠程操控設備和自動駕駛，協(xié)同完成采裝工作；在鏟車、卡車前方和駕駛室內安裝具備人、車、物識別功能和視頻增強功能的高清攝像儀，利用邊緣層的人工智能技術進行智能識別并處理突發(fā)事件，以實現安全預警；在采裝工作面環(huán)境加裝環(huán)境監(jiān)測傳感器，邊坡地形等視頻識別，結合以上各種感知設備的聲音、圖像、參數運行數據、設備狀態(tài)數據、定位信息、人員信息，利用數字孿生技術，呈現采裝工作面的真實場景。

圖3 基于數字孿生的人機協(xié)同控制系統(tǒng)的邏輯視圖

首先，在檢驗工序流程的合理性方面，利用數字孿生技術協(xié)助模擬和仿真，模擬驗證在露天礦開采過程中的環(huán)境的影響。其次，在生產過程中，可保障鏟車工作、卡車運輸的高效、高質量、低成本和低資源損耗。第三，基于各種運行參數的實時獲取和仿真模擬，結合可視化監(jiān)控分析，可以對出現的問題快速發(fā)現、快速記錄、快速處理和快速調整。第四，通過設備自診斷功能的運用，及時發(fā)現異常工作狀態(tài)，并進行應急處理，防止故障的進一步發(fā)生；最后，通過可視操控單機和協(xié)同機制，“一鍵啟?！标P聯設備和多機協(xié)同工作，達到人機協(xié)同效果。

1.3.2 數智中臺

以大數據和人工智能為核心的數智中臺是采礦工業(yè)PaaS平臺的子平臺，主要為綜合指揮調度的人機協(xié)同控制系統(tǒng)提供通用的數據治理、算法分析和可視化支撐。

(1)采礦大數據系統(tǒng)和建模分析

采礦智能化大數據系統(tǒng)，統(tǒng)一提供數據采集、治理、存儲和訪問接口標準。其中數據采集要包容跨網段的實時數據庫、關系數據庫、非結構化數據庫的高效快速處理和管理，數據治理要符合礦山統(tǒng)一的數據口徑和要求。數據融合涉及地質勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風排水、供液供電、安全防控等生產系統(tǒng)。通過采礦數據治理體系，將礦山行業(yè)沉淀的設備、工藝、安全信息和行業(yè)專家知識，提煉成模型庫和知識庫。如單斗-卡車間斷工藝流程就涉及多數據源融合問題，不只包括滿足生產需要的數據，還包括環(huán)境、人員、設備自身壽命、監(jiān)控視頻圖像識別、人車定位等角度的數據信息[17]，這是人機協(xié)調工作場景必須的。

利用圖像識別、深度學習等智能算法，對設備狀態(tài)數據、運行數據和現場視頻數據進行分析。如對生產現場采集的環(huán)境狀況、人員動作行為、設備運行參數等經過機器監(jiān)督學習算法的分析，用于快速識別曠工異常行為、判斷活動軌跡偏離安全區(qū)域并預警。將挖掘工作面上的掘進、錨護、運輸等設備的狀態(tài)數據結合故障自診斷知識，建立設備故障圖譜，通過數據挖掘技術，對設備運行趨勢進行動態(tài)分析預測和保養(yǎng)預期，對發(fā)生故障的設備進行診斷和定位以及智能推送告知。

(2)礦山視頻結構化和模式識別

采集現場高清攝像頭、工業(yè)3D相機拍攝的高清圖像畫面或者全景高清視頻畫面及設備運行視頻數據，經過視頻結構化處理后用于建模和分析。如在掘進工作面的掘進頭和各轉載點以及傳輸環(huán)節(jié)的皮帶等設備安裝帶有視頻增強功能的高清攝像頭，將反映工作狀況結構的化視頻，利用人工智能技術與預先設定的運行設備路線和正常參數進行對比，預測有無跑偏、障礙物阻擋、人員入侵、違規(guī)操作等工作異常情況，提前發(fā)出告警信息。

(3)礦山大數據應用價值

相對于以產品占領市場的經營方式，礦山企業(yè)利用工業(yè)數據分析用戶的行為和特征以及預測企業(yè)未來市場和發(fā)展的分析也很必要，主要是用來改變礦山企業(yè)只注重初級開采，而不重視深度加工帶來企業(yè)附加值的情況；對于生產過程的控制和優(yōu)化，以及安全監(jiān)測和預警報警則是礦山大數據的重點目標，可以提高企業(yè)的生產能力、優(yōu)化工藝技術、降低設備材料損耗和資源損耗、提高質量管理效率和安全意識等；未來發(fā)展模式是產品多樣化和用戶定制化逐漸成為主流，利用礦山大數據分析結果，探索結合企業(yè)上下游生產力量，構建綠色礦山生態(tài)，全方位多角度滿足用戶需求。

2 “5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化技術應用效果

在采礦行業(yè)應用“5G+工業(yè)互聯網”，將加快生產和管理的智能化。下面將從遠程操控設備、設備協(xié)同運作、設備故障診斷、遠程監(jiān)測等方面說明采礦智能化技術應用效果。

2.1 遠程操控設備

位于生產調度指揮中心工作人員啟動“開采”按鈕，現場的采掘等設備相繼啟動。同時通過現場的高清監(jiān)測與控制，操作控制面的工作人員可以適當后退，在一定程度上降低了工人作業(yè)過程中暴露在惡劣環(huán)境下的安全風險，也降低了勞動強度。

2.2 設備協(xié)同運作

位于指揮中心的調度人員可以通過綜合管控系統(tǒng)將多臺卡車按需要靈活編隊、協(xié)同作業(yè)，達到一人操控多臺卡車，或者預先編制好預案實現無人化操作。

2.3 設備故障診斷

位于指揮中心的運維人員在接收到設備的診斷信息、運維信息、保養(yǎng)信息以及預警提示后，可以根據預案及時采取必要措施，或者遠程操控設備，或者按照提示到現場對綜采工作面上的挖掘機、以及運輸設備進行處理。

2.4 現場遠程監(jiān)測

指揮中心調度員利用數字孿生技術提供的現場畫面模擬，可以及時掌握現場設備運轉狀態(tài)，避免或減少人工抄錄數據不準、上報不及時和安全隱患等。通過遠程設備監(jiān)控系統(tǒng)，技術人員在指揮中心對生產現場和特定區(qū)域的現場環(huán)境、粉塵濃度、設備狀態(tài)參數和應力數據、風向和風速等進行有效監(jiān)測，以及執(zhí)行監(jiān)控和處理報警預警。

3 結束語

本文提出了“5G+工業(yè)互聯網”采礦智能化的頂層設計，基于數字孿生的人機協(xié)同控制技術和基礎技術支撐數智中臺體系，并闡述了該技術在露天礦單斗-卡車間斷工藝智能化改造應用情況，證明5G網絡為基礎的采礦工業(yè)互聯網對于采礦行業(yè)提升智能化水平是可行的，數字孿生技術支撐礦山工藝智能化改造是有實際意義的，也為相關行業(yè)的智能化提升提供了新思路。當前國家礦業(yè)部門正在積極推進煤礦智能化建設，以“5G+工業(yè)互聯網”為基礎設施的數字孿生技術具有非常廣闊的應用前景。