李鳳英, 季現(xiàn)偉, 張維國, 谷龍飛, 張海勝

(1.云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 云南 昆明 650299;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

隨著全球范圍內(nèi)信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)礦山行業(yè)正借助相關(guān)技術(shù)進(jìn)行變革轉(zhuǎn)型[1]。 為了全面提升傳統(tǒng)礦山企業(yè)在國際市場(chǎng)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力,以及未來可持續(xù)發(fā)展的能力,我國先后提出以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、人工智能和5G 等新一代信息技術(shù)賦能礦業(yè)的指導(dǎo)政策,旨在推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”建設(shè)智能礦山,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)礦業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)[2]。 2020年4月三部委聯(lián)合印發(fā)《有色金屬行業(yè)智能工廠(礦山)建設(shè)指南(試行)》,提出了老礦山智能化升級(jí)、新建礦山智能化建設(shè)的方法及路徑[3]。 隨著信息技術(shù)的發(fā)展,5G具備更低的時(shí)延,更高的速率,更大的帶寬,更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn),有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點(diǎn),正在逐步成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基石[4-5]。 同時(shí),5G 技術(shù)依托機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù),可進(jìn)一步解決數(shù)據(jù)利用率低、展示能力弱、傳輸不可靠、遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)性差、智能決策效率低等問題[6]。 為推動(dòng)傳統(tǒng)礦山的智能化轉(zhuǎn)型,降低安全風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,可借助5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)打造礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、無人化采掘、礦用機(jī)械遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域的信息化建設(shè)和發(fā)展。 目前在智能礦山建設(shè)方面,5G技術(shù)正在從概念探索到高質(zhì)量示范發(fā)展階段,國內(nèi)眾多礦山企業(yè)正在開展5G 礦山應(yīng)用場(chǎng)景探索,未來市場(chǎng)前景廣闊。

2 智能礦山5G 技術(shù)應(yīng)用概述

數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能了傳統(tǒng)垂直行業(yè)、軟件定義設(shè)備、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù),為信息產(chǎn)業(yè)上下游全生態(tài)鏈應(yīng)用提供了發(fā)展空間,而這些新技術(shù)落地應(yīng)用基本都是基于通信技術(shù)的發(fā)展[7]。 在礦山領(lǐng)域,如今采用的通信技術(shù)除了工業(yè)環(huán)網(wǎng),其主要無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還是以4G、WiFi、ZigBee 等為主,受制于礦山開采活動(dòng)存在于較封閉的乃至地下千米以上的環(huán)境之中,傳統(tǒng)通信技術(shù)不足以支撐礦山智能化轉(zhuǎn)型所需要的數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)處理的需求。

5G 是第五代移動(dòng)通訊系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,與上一代通信技術(shù)相比,其高速率、泛在網(wǎng)、低時(shí)延、頻譜共享、網(wǎng)絡(luò)自組織、網(wǎng)絡(luò)切片等特性,能夠適用于礦山這一特殊工業(yè)場(chǎng)景[8]。 將5G 技術(shù)用于礦山,滿足大型移動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控、固定設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、安全環(huán)保的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)決策的實(shí)時(shí)優(yōu)化等需求,使礦山逐步向無人化邁進(jìn),實(shí)現(xiàn)礦山的降本增效[9]。 由于礦山本身具有空間狹小、交通與通訊不發(fā)達(dá)、生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)較大的特點(diǎn),礦用5G 通信技術(shù)應(yīng)用必須滿足以下要求:設(shè)備外觀體積小,便于狹小空間部署;信道容量大,滿足海量多元數(shù)據(jù)的上傳及下達(dá);定位準(zhǔn)確,能夠克服信號(hào)在井下的多徑衰弱現(xiàn)象;抗干擾能力強(qiáng),能夠克服井下電磁干擾;防護(hù)性能好,能夠在井下潮濕、強(qiáng)振環(huán)境中保持其穩(wěn)定,需要本安型設(shè)備以滿足礦山安全規(guī)程要求。

3 智能礦山5G 技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 礦山公共場(chǎng)景應(yīng)用

1)智能采礦

礦山的采礦環(huán)節(jié)通常采用鑿巖爆破、鏟裝運(yùn)輸進(jìn)行生產(chǎn)。 通過在回采進(jìn)路、運(yùn)輸巷道等相關(guān)的作業(yè)重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,將采礦的鑿巖設(shè)備、鏟裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等改造,裝備信息采集裝置、生產(chǎn)調(diào)度終端、視頻信息采集裝置、視覺傳感器、雷達(dá)傳感器等實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備遠(yuǎn)程作業(yè)、實(shí)時(shí)對(duì)作業(yè)量、設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的信息采集,接收采礦自動(dòng)化管控平臺(tái)下發(fā)的作業(yè)調(diào)度指令及工藝指導(dǎo),提高生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,結(jié)合地質(zhì)資源計(jì)劃和采區(qū)溜井料位,支撐采礦生產(chǎn)過程的智能化決策。

2)智能選礦

現(xiàn)場(chǎng)不適合有線方式布線條件下,如選礦廠的破碎、磨礦、選礦、精礦濃縮包裝、尾礦輸送全工藝的數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、自動(dòng)化控制、專家系統(tǒng)指標(biāo)調(diào)優(yōu)等的數(shù)據(jù)大容量、低時(shí)延的傳輸,即可采用5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 選礦廠配套給水、供電、通信、自動(dòng)化、供熱、排水、安防、道路等工程所依靠的網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用系統(tǒng)可采用5G 技術(shù)。 整合選礦廠工業(yè)控制、視頻監(jiān)控、管控管理網(wǎng)絡(luò)的主干鏈路,通過高可靠的5G 核心網(wǎng)承載,降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬,并將信息化系統(tǒng)里的業(yè)務(wù)管控平臺(tái)(設(shè)備管理、物資管理、能源管理等)、廠區(qū)內(nèi)外的人員和車輛管控調(diào)度、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)融合,建立智能化選廠數(shù)字孿生管控一體化平臺(tái)。

3)智能安環(huán)

礦山行業(yè)的特殊性和復(fù)雜性,致使礦山的危險(xiǎn)有害因素和安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)較高,利用5G 技術(shù)圍繞露天及地下礦安全態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)預(yù)警、設(shè)備智能感知預(yù)警、智能視頻監(jiān)控、人員定位與培訓(xùn)等系統(tǒng)建立安全云平臺(tái),搭建政企聯(lián)動(dòng)互動(dòng)工作平臺(tái)和資源調(diào)動(dòng)平臺(tái),對(duì)礦山的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析和預(yù)警,確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,減少礦山企業(yè)和作業(yè)人員的財(cái)產(chǎn)以及生命受到的損失和傷害,建立本質(zhì)安全、綠色生態(tài)的礦山。

3.2 露天礦典型應(yīng)用

1)礦車無人駕駛

露天礦的車輛以無軌為主,包括礦卡、電鏟、鉆機(jī)、油氣補(bǔ)給車、清掃車、調(diào)度指揮車等,礦山智能化的推進(jìn)會(huì)將車輛運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)字化,監(jiān)測(cè)設(shè)備的活動(dòng)軌跡和健康狀態(tài),通過智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度確保采取最佳路線,最小的待機(jī)時(shí)間和排隊(duì)時(shí)間,提高設(shè)備有效作業(yè)率,同時(shí)更高級(jí)的無人駕駛則會(huì)需要智能行駛、自動(dòng)避障、自動(dòng)卸載、智能作業(yè)等功能。 要實(shí)現(xiàn)上述的信息化乃至無人化的車輛管理,則需對(duì)各類車輛加裝視覺傳感器、雷達(dá)傳感器、車載終端、車輛信息采集傳感器等眾多的車載設(shè)備,對(duì)車輛本身狀況及車身周邊環(huán)境等提前采集,并對(duì)車輛下一步動(dòng)作提出實(shí)時(shí)指揮。 這個(gè)過程中會(huì)對(duì)大量的視頻、音頻以及其他類型數(shù)據(jù)上傳并下發(fā),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)要求極高,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)顯然不能滿足上述需求,借助5G 網(wǎng)絡(luò)的特性,可以為車輛無人駕駛提供實(shí)時(shí)迅捷的數(shù)據(jù)通道。

2)礦山三維建模

露天礦三維模型的及時(shí)更新對(duì)礦山排產(chǎn)、爆破、邊坡治理等具有重要作用。 露天礦傳統(tǒng)的建模方式為技術(shù)員人工輸入鉆孔數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)等,存在效率低、精確度難以保證等問題。 依托5G 技術(shù)的超大帶寬、超高速率、超高可靠性、超低時(shí)延等特性,可以結(jié)合無人機(jī)對(duì)露天境界定期掃描,測(cè)量數(shù)據(jù)通過5G 網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)傳輸至對(duì)應(yīng)服務(wù)器,經(jīng)過處理后載入三維礦業(yè)軟件,用于露天礦的三維模型更新及開采設(shè)計(jì),以提升三維模型構(gòu)建流程的效率及模型的準(zhǔn)確性。

3.3 地下礦典型應(yīng)用

1)生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

對(duì)地下礦山開采全流程生產(chǎn)作業(yè)低時(shí)延、高效率的遠(yuǎn)程管控及任務(wù)的上傳及下發(fā)是能否實(shí)現(xiàn)礦山智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)要求,也是最為核心的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于傳統(tǒng)礦山而言,因受制于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的冗雜、傳輸協(xié)議的多樣化、網(wǎng)絡(luò)的高時(shí)延等因素,使得地表的智控中心只能對(duì)一些非核心作業(yè)流程、不要求實(shí)時(shí)管控的設(shè)備進(jìn)行控制。 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的特性,建立以5G+有線+WiFi 的多網(wǎng)融合系統(tǒng),可為地下礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)及管控提供技術(shù)支撐。

2)井下遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維

隨著礦山逐步向大型機(jī)械化、自動(dòng)化乃至智能化方向推進(jìn),設(shè)備的維修、保養(yǎng)也逐漸超過了礦山傳統(tǒng)維保人員掌握的技術(shù)水平,需要對(duì)應(yīng)廠家的設(shè)計(jì)者、制造者以及專業(yè)維保人員配合完成。 而專業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)往往存在不能及時(shí)到達(dá)的情況,若能借助于5G 網(wǎng)絡(luò),將現(xiàn)場(chǎng)故障設(shè)備的歷史運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)維修人員的語音、視頻溝通信息上傳至遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng),相關(guān)專家通過遠(yuǎn)程診斷對(duì)設(shè)備提出維保建議,甚至通過VR 技術(shù)遠(yuǎn)程投射專家操作,以實(shí)時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)維修人員演示操作并提供指導(dǎo)。

3)井下有軌運(yùn)輸無人駕駛電機(jī)車

5G 網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、廣聯(lián)接等特性給運(yùn)營(yíng)商及行業(yè)生態(tài)伙伴應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 有軌運(yùn)輸中段一般處于礦山最深水平,巷道屬于高溫,高濕、強(qiáng)電、高密度灰塵環(huán)境,且巷道連續(xù)拐彎、道路分叉、有軌運(yùn)輸滿載運(yùn)輸擠壓通道導(dǎo)致環(huán)境更加復(fù)雜。 對(duì)此類特殊環(huán)境下的設(shè)備部署和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進(jìn)行5G 技術(shù)的應(yīng)用研究(包括信號(hào)的雙發(fā)選收、UPF 下沉、基站的冗余部署等手段),能夠保障良好的通訊環(huán)境。 通過建設(shè)井下有軌運(yùn)輸無人駕駛專用5G 網(wǎng)絡(luò),能夠使下行速率保持在800 兆以上,上行速率穩(wěn)定保持在百兆以上,端到端時(shí)延小于20 毫秒,可充分滿足電機(jī)車車載超高清視頻類大數(shù)據(jù)量傳送以及電機(jī)車重要控制工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)和穩(wěn)定性的高需求。

在某礦山無人駕駛建設(shè)中,采用了5G SA 網(wǎng)絡(luò)+UPF為核心架構(gòu),構(gòu)建一張高質(zhì)量5G 無線網(wǎng)絡(luò),充分滿足無人駕駛、后期智能開采通訊、監(jiān)控及安全、可靠性需要。 由終端采集的數(shù)據(jù)通過5G 基站接入無線網(wǎng)絡(luò),通過UPF 截?cái)鄶?shù)據(jù)并進(jìn)行本地分流到本地部署的控制中心,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出場(chǎng)區(qū),保證數(shù)據(jù)生產(chǎn)、使用的全業(yè)務(wù)流程均在園區(qū)內(nèi)完成,保證數(shù)據(jù)的安全。 實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的隔離,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟LA 性能保證(速率保證、時(shí)延保證)。 圖1 所示為5G 在有軌無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖1 5G 在有軌無人駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

4 智能礦山發(fā)展路徑及技術(shù)

4.1 礦山數(shù)字孿生與虛擬化

虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生技術(shù)在礦山主要用于礦山地質(zhì)模型、井巷工程三維模型、選廠三維模型等的可視化展示、作業(yè)人員的崗前安全培訓(xùn)、大型設(shè)備的井上虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備操作培訓(xùn)以及井下復(fù)雜施工作業(yè)流程的模擬及教學(xué)。 借助于井下固定設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)、微震監(jiān)測(cè)傳感器、精準(zhǔn)定位傳感器、移動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)井下作業(yè)環(huán)境指標(biāo)以及各類設(shè)備的運(yùn)行信息,打造實(shí)體礦山全場(chǎng)景、全生產(chǎn)流程、全生產(chǎn)要素仿真平臺(tái)。 以礦山生產(chǎn)流程為主線,構(gòu)建整個(gè)礦山生產(chǎn)全景、全流程、全信息要素展現(xiàn)的智能礦山三維可視化管控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化,最終打造與實(shí)體礦山映射的數(shù)字孿生礦山。 實(shí)現(xiàn)多角度、全方位礦山人員、設(shè)備、安全、生產(chǎn)、環(huán)境可視化管控,繼而對(duì)全礦生產(chǎn)運(yùn)行健康狀態(tài)做出實(shí)時(shí)分析及優(yōu)化決策[10-17]。

通過礦山數(shù)字孿生與虛擬化將信息系統(tǒng)整體有機(jī)結(jié)合,在礦山實(shí)際生產(chǎn)操作流程中,將仿真模擬所得的結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備,設(shè)備作業(yè)數(shù)據(jù)又實(shí)時(shí)反饋至仿真平臺(tái)用于指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)操作。 依靠5G 技術(shù)eMBB 的優(yōu)勢(shì),可以將各類設(shè)備、管理等數(shù)據(jù)低時(shí)延的用于生產(chǎn)模型、決策模型的更新,滿足數(shù)字孿生礦山的應(yīng)用需求。 礦山數(shù)字孿生和虛擬化平臺(tái)建設(shè)有利于設(shè)計(jì)優(yōu)化、穩(wěn)定生產(chǎn)指標(biāo)、智能化管控、安全生產(chǎn)管理,并具有節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間、減少危險(xiǎn)崗位人員配置、減少備品備件及產(chǎn)出品的庫存積壓等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 大數(shù)據(jù)處理及人工智能技術(shù)

礦山要實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí),其區(qū)別于傳統(tǒng)自動(dòng)化、信息化之處在于對(duì)礦山生產(chǎn)大數(shù)據(jù)、設(shè)備大數(shù)據(jù)、物資大數(shù)據(jù)、安全大數(shù)據(jù)、能耗大數(shù)據(jù)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行深度挖掘并依靠人工智能技術(shù)建立相應(yīng)的模型及算法,用以指導(dǎo)礦山向智能化決策邁進(jìn)。 而上述海量數(shù)據(jù)的來源主要是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)施、固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備所加裝的各類傳感器,數(shù)據(jù)格式呈現(xiàn)多元化,運(yùn)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等理論和算法,不斷積累生產(chǎn)和管理過程的決策信息,提升系統(tǒng)仿真決策能力,向礦山?jīng)Q策者和管理人員提供及時(shí)有效的生產(chǎn)、成本、效益決策信息,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)雙流程自主決策,助力礦山進(jìn)一步提升生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理水平及能力。

5 結(jié)論

隨著當(dāng)前全球范圍內(nèi)的地緣政治沖突逐漸加劇,世界能源格局正在重塑,保障國家戰(zhàn)略能源安全是當(dāng)前礦業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)。 推進(jìn)我國礦業(yè)與信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的深度融合,是實(shí)現(xiàn)我國礦業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、全面整合礦產(chǎn)資源的關(guān)鍵所在;也是加大關(guān)鍵礦種國際話語權(quán),保障國家戰(zhàn)略資源安全的核心。

智能礦山是新技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用而帶來的未來礦山的目標(biāo),應(yīng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)之上,借助5G 技術(shù)的優(yōu)勢(shì),徹底解決礦山數(shù)據(jù)從采集、傳輸?shù)椒治鰶Q策全流程的數(shù)據(jù)煙囪問題,進(jìn)而逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化和管理流程的重塑。 5G 網(wǎng)絡(luò)與多種新技術(shù)的融合將全面促進(jìn)礦山“礦石流”的信息化管控、無人化開采、智能化運(yùn)營(yíng)。 隨著5G 技術(shù)的不斷研發(fā)及推廣,其技術(shù)逐漸下沉至垂直行業(yè)將會(huì)引發(fā)更多具備通信知識(shí)的多專業(yè)復(fù)合型人才的涌現(xiàn),5G 網(wǎng)絡(luò)在礦山的大范圍落地應(yīng)用將會(huì)把智能礦山推入新的發(fā)展階段。