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★ 智慧矿山 ★

基于5G技术的智能矿山研究及应用

李 艺 刘春平 武晓雪

(联通(山西)产业互联网有限公司,山西省太原市,030032)

摘 要 矿山智能化是煤炭工业高质量发展的重要保障,5G技术的出现,强化融合了人工智能、物联网、边缘计算、大数据等技术,加速了传统行业的转型发展。笔者通过分析矿山智能化发展现状,系统阐述了当前矿山智能化亟需突破的瓶颈及5G技术在矿山应用的必要性,并从性能指标与关键技术的角度探讨了5G技术;提出了矿山5G+高质量网络矿山“一张网”的网络架构,从本地矿用5G核心网、5G IPRAN环网、5G无线接入网开展了深入研究;基于5G传输网络,阐述了搭建全面感知、远程控制及智能调度3个典型应用场景所需的研究重点和方向,并在山西焦煤霍州煤电庞庞塔煤矿取得了良好的实践验证。最后,展望了智能矿山的应用前景,为我国智能矿山建设提供了一种有益探索。

关键词 5G技术 智能矿山 物联网 大数据 人工智能

近年来,我国煤矿智能化建设已经突破了多项关键技术,分别在薄煤层、中厚煤层、大采高及特厚煤层综放智能化开采技术与装备等方面取得了多项成果[1]。煤炭行业高质量发展对煤炭安全生产提出了更高的要求,少人、无人成为煤矿未来的发展趋势[2]。然而由于受到通信技术和井下复杂环境的约束,传输速率、设备互联和带宽一直以来都无法得到质的突破,进而制约着矿山智能化的发展。

5G技术的出现,以其大带宽、低时延、广连接特性,为煤矿生产过程中的核心瓶颈问题提供了解决方案,同时带动人工智能、物联网、边缘计算等技术发展,为煤炭行业核心应用提供了可能。目前,山西焦煤霍州煤电庞庞塔煤矿(以下简称“庞庞塔煤矿”)在智能矿山建设中已积极开展探索5G技术应用,并取得有益尝试和显著成果。为了更好地推动5G技术在智能矿山的应用,对庞庞塔煤矿5G组网及基础应用进行了探讨分析,以此为矿山智能化建设提供有益借鉴。

1 智能矿山概述

煤矿智能化是以安全、高效、绿色为目标,运用物联网、大数据、云计算、移动互联等技术手段,构建具备“人、机、环”信息全面感知、自主融合、动态辨识、有效预警、协同控制的智能系统,实现按需生产和“人、财、物”高效流转。

我国94%的煤矿为井工开采煤矿,属于典型的深部空间作业,呈现出环境高危、恶劣,生产环境、生产现场环境动态多变,作业线长、设备数量庞大、用人多等特点。传统的信息化技术,特别是传统的网络技术难以满足煤炭企业的智能化建设。同时还存在以下几方面问题。

(1)井下工业环网能力不足。煤炭企业普遍采用千兆工业以太网技术建设井下工业环网,而井下工业生产过程需要的带宽远远超过千兆工业环网的承载能力。为了解决传输带宽的问题,普遍采用重复建设多个工业环网的办法,将业务分类、分环网传输,但也带来网络结构复杂、可靠性差等问题。

(2)有线网络难以满足大规模接入的要求。要在井下实现各种设备和传感器的接入,传统的有线接入技术难以实现,会导致井下“蜘蛛网”现象的发生,也会导致建设成本巨大、维护困难、网络可靠性差等问题。

(3)有线通信技术难以实现移动生产设备的控制。煤矿井下是移动生产作业的环境,大量移动设备需要进行地面远程集中和智能控制,有线通信技术难以实现移动设备的控制,难以实现井下无人。

(4)传统的信息化建设模式难以实现信息共享。受传统网络技术限制,煤炭企业的信息化建设由不同的厂商、采用不同的技术、在不同的时期进行各个信息化系统的建设,如瓦斯监控、人员定位、产量监控、视频监控、水文监控、矿震监控等,造成了一个个信息孤岛。

(5)海量的信息需要强大的数据中心。连续不断的管理信息、秒级产生的安全信息、毫秒级产生的控制信息汇聚成了煤炭企业海量的信息资源,传统的以结构化关系数据库技术为主的数据中心将难以满足要求。

随着5G技术生态圈逐渐成熟,可以有效解决数据传输能力不足问题,实现数据融通共享,避免数据孤岛。结合AI和大数据等技术打造智能矿山生态应用,能够助力煤炭行业由劳动密集型向技术密集型迈进,实现全面感知、实时互联、分析决策、自主决策、动态预测、协同控制。

2 5G技术特征

5G(5th Generation Wireless Systems,第五代移动通信技术)是新一代移动通信技术演进升级的重要方向,也是领跑新基建的关键新型基础设施。5G与工业互联网的融合创新发展,将推动制造业从单点、局部的信息技术应用向数字化、网络化和智能化转变,也为5G开辟更为广阔的市场空间,从而有力支撑制造强国、网络强国建设。

2.1 5G性能指标

5G相较于4G,具有大带宽(eMBB)、低时延(uRLLC)、广连接(mMTC)等特点,传输速率提升10~100倍,峰值传输速率达到10 Gbps,端到端时延达到毫秒级,连接设备密度增加100倍,流量密度提升100倍,频谱效率提升3~5倍,能够在500 km/h的速度下保证用户体验。5G与4G关键技术指标对比见表1[3]

表1 5G与4G关键技术指标对比

对比项用户体验速率/Gbps峰值速率/Gbps流量密度/(Tbps·km-2)连接数密度/km2空口时延/ ms移动性/(km·h-1)能效/倍频谱效率/倍支持服务4G参考值0.0110.11051035011VoLTE、高速网络数据5G目标值0.1~1201010615001003~5eMBB/mMTC/uRLLC

2.2 5G关键技术

5G通信性能的提升不能单靠一种技术,需要多种技术相互配合才能实现,关键技术大致分为无线传输技术和网络技术两类[4]。无线传输技术包括大规模天线、毫米波、波束成形、全双工、增强多载波、灵活双工、超密集组网、低时延高可靠、M2M、D2D、频谱共享等;网络技术包括网络切片技术、边缘计算技术、面向服务的网络体系架构等[5]。5G突破技术主要研究以下关键技术。

(1)大规模天线(Massive MIMO)。4G基站只能支持十几根天线,5G基站可支持上百根天线。这些天线通过Massive MIMO技术形成大规模天线阵列,可以同时向更多的用户发送和接收信号,从而将移动网络的容量提升数10倍甚至更大。

(2)毫米波(mmWave)。无线电波频率在30~300 GHz之间,波长范围1~10 mm,大致位于微波与远红外波相交叠的波长范围,兼具2种波谱的特点。5G使用毫米波频段,频谱带宽较4G可翻10倍,传输速率也将更快。

(3)全双工。全双工技术突破了现有的频分双工和时分双工模式下的半双工缺陷,使通信的两端同时在上下行使用相同的频率,这是通信节点实现双向通信的关键之一,确保了5G所需的高吞吐量和低延迟。

(4)设备到设备(D2D)。移动终端设备之间数据传输不经过基站,可降低通信系统核心网络的数据压力,提升频谱利用率和吞吐量,扩大网络容量。

(5)网络切片。基于NFV(Network Function Virtualization网络功能虚拟化)和SDN(Software Defined Network软件定义网络)实现网络切片,将网络切割成满足不同需求的虚拟子网络。每个虚拟子网络的移动性、安全性、时延、可靠性甚至计费方式等都不一样,且相互之间逻辑独立。这对不同用户和不同业务打包提供资源,优化端到端服务体验,具备更好的安全隔离特性。5G端到端网络切片如图1所示。

图1 5G端到端网络切片

(6)边缘计算。在网络边缘提供电信级的运算和存储资源,业务处理本地化,降低回传链路负荷,减小业务传输时延。

3 5G在智能矿山中的应用

3.1 5G+高质量网络

庞庞塔煤矿网络采用星形布局,线缆出现单点故障时,容易造成部分设备离线。此外,矿区井下无线网、工业以太网等多网并存,多通讯协议共存,造成互联互通障碍且网络承载能力差。南区、北区通过1条20 MB的专线连接,未实现高速连接。

通过构建企业办公万兆+工业环网万兆+无线(4G、5G、NB)+专线网络的“一张网”网络架构体系,满足了煤矿、选煤厂等内部相关部门及下属单位的数据共享和互联互通,为各类应用系统提供了安全、稳定、可靠的工作环境,以保证各种智能化设备数据传输的需求。庞庞塔煤矿井下5G通信组网如图2所示。

3.1.1 本地矿用5G核心网

煤矿园区内部署本地矿用5G核心网,承载基站运行和管理信令,实现园区基站独立运行。通过一体化设计,实现与公网的合理协同。针对煤矿低时延应用要求,井下部署UPF/MEC,实现应用数据分流,承载自动化应用实现就近运算。未来可以进一步在井下节点布局微型核心网,实现与园区核心网的主备应用,主核心掉线后由微型核心接管基站服务。本地矿用5G核心网架构如图3所示。

图2 庞庞塔煤矿井下5G通信组网

图3 本地矿用5G核心网架构

3.1.2 5G IPRAN环网

为了解决单点故障问题,采用环形组网方式解决通信问题。以IPRAN交换机构建新型井下万兆环网,总体性能可平滑向5万兆过渡。井下的每台IPRAN环网设备占用独立的2芯光纤与地面的IPRAN环网设备之间实现连接,实现井下环网设备之间的相互独立。本设计采用多余纤芯预留和过路纤芯直熔的方式,可以增强环网系统抗灾能力。IPRAN环网可承载通信信息以及传统工业环网的各类协议,实现“一张网”传输。

3.1.3 5G无线接入网

矿区采用已通过防爆认证的双模基站设备,实现4G/5G同时支持,选择性开通5G。常规通信服务区域以4G覆盖为主,需要大带宽、低时延应用的工作面、掘进面等场所使用5G信号覆盖。5G无线接入网架构如图4所示。

设计BBU+RHUB+pRRU三级结构,以RHUB作为信息汇聚点,向外延伸出不同支线的pRRU(射频单元),这不仅更适用于井下巷道交错的特点,而且能够降低BBU端口压力。采用低功耗的pRRU(射频单元),巷道内无线信号覆盖半径大于300 m,带宽大于700 M,时延小于20 ms。

3.2 基于5G典型应用场景

3.2.1 全面感知

煤矿智能开采需要感知大量传感数据,采用传统有线传输的方式难以适应井下传输距离长、监测范围广的要求。井下采用5G网络,同步开通NB物联网,通过传感器和视频感知技术,实现对井下“人、机、环”监测信息的全面感知分析,可全方位掌握各生产单位的生产情况。智能感知系统感知内容如图5所示。

图4 5G无线接入网架构

图5 智能感知系统感知内容

(1)5G+超高清视频。安全生产是煤矿现场管理的生命线,庞庞塔煤矿现有井下作业大部分还是采取“人盯人”的巡查方式,人力成本高且效率低下,无法满足全天候、全覆盖安全管理模式。采用视频监控是一种有效方式,然而当前视频监控质量不高,尚需依靠人工进行判断。企业采集井下高清视频数据,利用5G无线和工业环网组成的高速网络,实时传输高清视频到边缘平台,可实现对带式输送机运输环节、探放水环节、工作人员活动行为等重点信息的自动识别,通过分析视频图像,及时发现现场灾害(透水、火光、浓烟雾、大粉尘、冒顶等)、人员违章、人员违规、人员受伤等情况,解决视频单一事后追忆的不足,提高矿井的安全生产水平。边缘和云端同时引入人工智能技术,云端训练模型,边缘进行智能分析。

(2)关键设备故障预判。利用先进的物联网技术,基于设备附加监测模组完成设备主要运行参数及状态的实时数据采集及监管,实现相关设备运行健康度及运行分析,实现各类故障的提前预警及诊断。

(3)AI感知。AI感知是5G智能感知的另一重要应用,庞庞塔煤矿通过人工智能图像识别技术,实时准确抓取带式输送机胶带的损伤,并通过自动定位技术实现每个损伤的位置跟踪和定位,不仅能够提供多条带式输送机胶带损伤整体运行的状态展示,而且能够控制带式输送机动力系统将用户指定的损伤自动停到指定的检修区域。

3.2.2 远程控制

生产实时控制是煤炭实现智能掘进及智能开采的难题,是支撑安全、绿色矿山建设的关键技术手段。实现设备远程控制对网络实时性要求极高,目前由于传统传输技术的局限性,只实现了对时间要求不高的部分功能的远程控制,对时间要求高、移动中的设备等尚未实现远程控制。

5G低时延特性结合边缘计算技术,可将时间敏感型数据分析应用迁移至边缘侧,提高数据访问速度,结合多样化传感器,实现对采掘设备的工况、关键部件进行监测与保护,实现对煤矿井下综采、掘进、排水、通风、运输、变电等方面的集中远程控制管理,对提高矿井的供电安全、集中管理、集中调度、高产高效具有至关重要的作用。远程控制系统控制内容如图6所示。

图6 远程控制系统控制内容

(1)智能综采工作面集中控制。庞庞塔煤矿现有综采工作面液压支架上只有少量几个传感器,若实现真正智能化控制,每架液压支架上要安装20~30个传感器。在采煤机等移动设备上,有线连接方式无法接入,煤岩识别技术无法真正实现。囿于当前技术,通过CPE实现通信方式的转变。将行程传感器、倾角传感器等设备通过有线连接到就近的CPE设备,再由CPE设备通过5G无线网络连接到5G基站。待技术成熟,可由携带5G模组的控制器直接与5G基站井下无线通信,从而实现现场记忆割煤、地面图像监视和远程干预。基于5G网络的智能综采系统架构如图7所示。

图7 基于5G网络的智能综采系统架构

(2)智能掘进工作面集中控制。相对于我国煤矿综采装备的快速发展,智能掘进技术发展相对比较缓慢。融合5G技术生态,建立掘、支、运三位一体高效快速掘进系统,把传统的掘进、支护、运输等分布实施的工序通过新技术和新装备整合,实现掘锚平行作业,多臂同时支护,连续破碎运输,长压短抽通风和远程智能操控,实现真正意义的综合掘进自动化。

(3)无人驾驶。目前,地面的无人驾驶技术趋于成熟,但限于井下环境因素,无人驾驶对矿井无线网络的需求极高。目前只有5G技术才能为井下通信网络提供充足的带宽、较低的时延和准确定位能力。基于5G移动通信系统,结合UWB精确定位系统,实现井下车辆精确定位、安全监测、自主感知、主动避障、自动错车、风门联动等功能,实现井下齿轨车、单轨吊无人驾驶。

3.2.3 智能调度

调度是综合视频、音频等远程传输和数据融合,是5G技术生态的基本属性,5G技术可以延伸调度范围及调度专业性,使调度更系统、更科学,对煤矿安全生产、应急指挥具有重大作用[6]

智能调度可实现井上下人员对电力、监控、人员、机车、通讯和设备等多方面调度。系统可将有线、无线、音频、视频、广播所有设备采用一网承载,各分站之间可以互为备份、相互补充、协同工作,可以支持分级组网,实现从集团到分公司到矿的多部门联动、多级调度,依据各类监测数据,实现灾情的自动识别和预警,结合矿山一张图,按需自动联动广播、视频等,满足煤矿应急要求。

3.2.4 应用效果

庞庞塔煤矿运用5G技术进行的智能化建设,取得了良好的应用效果。据统计分析,每班下井人数由400多人减少到100多人;生产成本从大约300元/t降低到大约200元/t;通风机、带式输送机等设备通过智能变频,实现了按需负载和智能变速,降低了能耗;工作方式由“2+1”(两班工作,1班检修)变成“2+0”(两班工作,弱化检修);带式输送机故障由原来需要4~5 h进行定位升级到现在直接定位;通过无线传感技术,感知综采、掘进等传统感知盲区,降低了事故发生概率;智能视频分析技术分析人员受伤状态、违章作业行为、环境异常等情况,降低了事故发生率,减少了事故带来的损失。5G技术应用给庞庞塔煤矿带来工作方式变革的同时提升了经济效益,保障了生产安全。

4 结语

目前,5G+智能矿山建设面临前所未有的发展机遇,充分运用云计算、大数据、物联网、人工智能技术,对煤炭生产信息进行智能感知、AI分析与数字孪生、建模和映射,高度融合应用于矿山5G高质量工业互联网和公共服务平台安全生产管控,是当前和未来的发展趋势,有着广阔的应用前景。通过矿山5G高质量工业互联网和公共服务平台安全生产管控一体化建设,可以产生较大的产业集聚效应和项目牵引,可打造产值达千亿级以上的5G工业互联网云平台智慧矿山产业链。5G+智能矿山项目研究具有重大的现实意义和客观的经济价值。

参考文献:

[1] 范京道,闫振国,李川.基于5G技术的煤矿智能化开采关键技术探索[J].煤炭科学技术,2020,48(7): 92-97.

[2] 王国法,任怀伟,庞义辉,等.煤矿智能化(初级阶段)技术体系研究与工程进展[J].煤炭科学技术,2020,48(7):1-27.

[3] 胡丹.4G/5G无线链路及覆盖差异探讨[J].移动通信,2019,43(7):86-90.

[4] 赵国锋,陈婧,韩远兵,等.5G 移动通信网络关键技术综述[J] .重庆邮电大学学报(自然科学版),2015 ,27(4):441-452.

[5] 霍振龙,张袁浩.5G通信技术及其在煤矿的应用构想[J].工矿自动化,2020,46(3):1-5.

[6] 范京道,李川,闫振国.融合5G技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景[J].煤炭学报,2020,45(6):1949-1958.

Research and application of 5G technology in intelligent mine

Li Yi, Liu Chunping, Wu Xiaoxue

(Unicom (Shanxi) Industry Internet Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030032, China)

Abstract Mine intellectualization is an important guarantee for the high-quality development of coal industry. With the emergence of 5G technology, artificial intelligence, Internet of Things, edge computing, big data and other technologies are strengthened to accelerate the transformation and development of traditional industries. By analyzing the current situation of mine intellectualization, the authors systematically expounded the bottleneck of mine intellectualization and the necessity of 5G technology application in mine, discussed 5G technology from the perspectives of performance index and key technology, put forward a mine "One Network" network architecture of mine 5G + high-quality network, studied in depth the local mine 5G core network, 5G IPRAN ring network and 5G wireless access network. On the basis of 5G transmission network, the research focus and direction for building three typical application scenarios of comprehensive perception, remote control and intelligent dispatching were elaborated, and good practice verification was achieved in Pangpangta Coal Mine of Huozhou Coal Electricity Group of Shanxi Coking Coal Group. Finally, the application prospect of intelligent mine in Shanxi was prospected, which provided a kind of beneficial exploration for the construction of intelligent mine in China.

Key words 5G technology, intelligent mine, Internet of Things, big data, artificial intelligence

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引用格式:李艺,刘春平,武晓雪. 基于5G技术的智能矿山研究及应用[J].中国煤炭,2020,45(11):42-48.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.006

Li Yi, Liu Chunping, Wu Xiaoxue. Research and application of 5G technology in intelligent mine [J].China Coal,2020,46(11):42-48.doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2020.11.006

中图分类号 TD67

文献标识码 A

作者简介:李艺(1964-),男,山西汾西县人,高级工程师,现任职于联通(山西)产业互联网有限公司,主要从事智慧城市、智慧能源、智慧党建等领域系统集成及管理工作。E-mail:liyi69@chinaunicom.cn。

(责任编辑 路 强)