5G通信在采矿装备的应用实践

2020-09-22朱志兴

铜业工程 2020年4期

朱志兴

（江西铜业集团有限公司城门山铜矿，江西九江 332100）

1 引言

城门山铜矿作为江铜集团首家智能化矿山建设试点单位，按照集团公司统一安排，围绕互联网+物联网+矿山的发展方向，积极推进智能化带动传统矿业的转型和升级，目标是实现资源开采与环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化的新型生产经营与管理模式［1］。

2019年随着国内5G通信技术与产业融合快速发展，城门山铜矿围绕互联网+矿山，聚焦“5G+”创新应用，融合转型和升级。基于5G通信高带宽、高可靠、低延时特性，通过对矿区的110t矿用卡车及SD52-5推土机进行智能化配套改造，在+30排土区域实现了智能驾驶示范区。实现了矿用卡车智能驾驶，推土机远程遥控作业场景。使遥控作业和无人工作面等已成为现实，智能驾驶和集中控制的采矿设备已进入实践应用阶段，改变了传统矿业的生产工艺和组织管理模式，不断丰富了智慧矿山的内涵。

2 采矿装备智能化配套

2.1 采矿装备智能化建设目标

采矿装备智能化建设目标是实现智能采矿，采矿装备智能化是指不需要人工直接干预情况下，通过采矿环境的智能感知、采矿装备的智能调控、采矿作业的自主巡航，由采矿装备独立完成的作业过程。智能化开采是在采矿装备机械化、自动化基础上，利用先进5G通信技术与工业化深度融合的矿山开采技术。因此，智能化开采具有采矿设备智能化作业能力、实时获取和更新采掘工艺数据、能根据作业环境条件变化自动调控作业过程［2］。当智能化采矿装备与自动调度决策为一体时，减少人为因素干扰，即形成无人化作业工作面。

2.2 采矿装备智能化建设内容

露天采矿装备智能化建设主要内容有智能潜孔钻机、智能牙轮钻机、智能装药车、智能挖掘机、智能卡车、智能推土机及道路养护设备等［3］，形成采矿全流程协同的作业集群。智能装备支持远程遥控作业功能，智能卡车具备自主行驶、自主卸载等功能。由于有色金属矿山开采环境复杂、作业地点分散、生产流程不连续等实际情况，在凿岩、装载、运输、道路养护等采矿重点作业环节，设备分散、动态性强、作业环境不好、存在安全隐患，利用自动控制、人工智能等多种手段，实现自动控制与自主运行，减少操作过程人为因素的干扰，提升生产安全性、优化生产效率。

2.3 采矿装备智能化系统

采矿装备智化需要的控制系统配套和支撑。

（1）智能运维系统：通过对设备ECU的数据进行实时采集并解析，实时掌控设备运行状态、故障诊断，还可以实现设备安全状态的监管及生产数据统计和分析。

（2）智能驾驶系统：智能驾驶包含远程操控和无人驾驶。通过网络通讯设备、远程遥控台、车载控制器、数控执行机构等，实现特定作业区内远程遥控，矿用卡车无人驾驶系统。

（3）卡车调度系统：通过车载终端、通讯设备、调度软件等实现数据驱动和信息交互，实现车辆实时定位、行为管理、配矿、车辆调度和统计报表等［4］。

3 5G通信技术

2019年5G通信技术开启了在全球范围内的商业化步伐，其高传输速度、低延时、高可靠性等技术特征得到了迅猛发展。城门山铜矿加快了智能化矿山建设与5G 通信技术融合发展，在采矿作业区、排土作业区域架设了5G基站，信号覆盖稳定，为采矿装备智能化的应用提供了无限的场景。

3.1 5G通信技术特性

5G 通信可提供eMBB（增强型移动宽带）、mMTC(海量机器类通信)、uRLLC（超可靠、低时延通信）的三大应用场景。系统设计目标达到体验速率100Mbit/s，峰值速率20Gbit/s，时延1ms。5G网络是数字蜂窝网络［5］，容量大，进一步提高频率的利用效率，频率可以复用。

3.2 5G通信与采矿装备智能化的融合

智能驾驶需要低延时、高带宽、大容量及高可靠性通信网络。远程遥控操作的感知体验需要高清图像的支持，使得系统带宽要求不断提升。5GeMBB业务能够保证100Mbit/s的下载速率，满足远程操控业务需求。5G采用蜂窝移动通讯作为通信子系统大大扩展操作的范围，能够保证信号不受干扰，只要有无线信号即可操作。操作时延低，智能驾驶时需要把操控指令低时延下达到设备执行层，严格的实时性和准确性，5G通信系统设计最小时延可到1ms，完全满足实时操控的要求。基于5G的智能驾驶是利用最新的传感器感知技术、网络通信技术、数据处理技术、自动控制技术等有机地融合整个交通运输管理体系中而形成地一种低延迟、精准、高效率综合管理和控制系统。是智能驾驶地技术基础［6］。

单车智能化是设备依托传感设备，包括摄像头、激光雷达、超声波等传感器收集周围信息，通过车载智能驾驶系统的人工智能算法完成驾驶行为判断，进而实现智能驾驶操作。网联化是指基于4G通信技术设计的车联网无线通信技术（LTEV2X）和5G通信技术设计的车联网无线通信技术（5G-V2X）构建的通信和计算相结合的车联网体系架构。实现车内网、车际网和车载移动互联网三网融合。

4 应用与实践

2019年城门山铜矿联合国内大型知名企业联合研发，攻克了多项技术难题，成功打造出国内有色金属矿山智能驾驶“中国版”。与山推股份联合开发全球首台520大马力推土机远程操控系统。与航天重工、江西移动、华为、青岛慧拓等成功实现了110t级矿用卡车无人驾驶。成功实现了江西省首例5G网络点对点连接的目标，解决了无人驾驶卡车并入车联网平台技术壁垒，为后续实现无人驾驶智能调度提供了技术支撑。在2019年10月南昌世界VR/AR产业大会上城铜的“5G+VR智慧矿山”展览受到国内各行业广泛关注。

利用5G通信网络特性，通过优化第三代矿用车联网平台的智能驾驶系统，已经在+30作业区特定区域实现了遥控推土机和无人驾驶矿用卡车联合作业，提升了作业高效化，生产安全化。

4.1 SD52-5推土机远程操控

城门山铜矿联合山推股份开发了大马力SD52-5推土机远程操控，利用了矿区现场建立全覆盖的5G通信网络，满足远程控制技术对无线传输的需求。

在SD52-5大马力推土机标准配置的基础上有效融合了智能控制技术和5G通讯技术［7］，整车功能可实现远程遥控端和车载端均可以操作，通过按键可实现功能切换，并提供远程操控车载硬件及通讯接口、通讯协议，利用远程操台将推土机发动机、液压系统、行走、转向、工作装置操纵等指令通过CAN总线信息转以太网为网络信号［5］，通过设备端与遥控台的5GCPE“点对点”连接互通和信息交互（如图1所示），实现超远距离操控功能。

图1 远程遥控装置工作原理

为进一步感知推土机周边影像、视野和声音情况，增强操作人员真实感，加装影像采集和声音采集在操控台端模拟设备现场作业情况。在推土机驾驶室四周配备4台网络摄像机，分别采集铲刀左右侧、车体后端左后侧，机顶主视角一台网络摄像机，采集的视频影像通过交换机接入5G CPE设备，将视频信号传输到操控台。推土机周边的声音进行采集与传输，可以实现现场远程操控的仿真感知。车载端数据以5G专网数据管理平台为依托，可以将矿山推土机的健康度数据：发动机系统、液压系统、电气系统等多维度检测数据把CAN总线信息转以太网转换器接入5G CPE，第一时间对设备的故障进行诊断和预警（如图2所示）。

图2 远程操控通信图

4.2 HT3110电动轮智能驾驶

城门山铜矿联合航天重型工程装备有限公司、青岛慧拓智能机器有限公司、中国移动通信集团江西有限公司九江分公司、华为技术有限公司等国内知名企业共同研制出5G网络技术实现HT3110电动轮智能驾驶。在矿区+30排土场打造了无人驾驶工业应用示范区。

该矿用卡车包含一体化直接线控改造，在其上加装各类传感器，包括激光雷达、毫米波雷达、惯导、计算单元等，辅以4D光场智能、图像处理、无线通讯、人工智能系统，应用了矿山高精度地图控制算法、高精度定位技术、车辆动力学模型搭建等多项关键技术，通过先进的自动驾驶控制算法实现系统的整体集成。车体上配备三路摄像机，驾驶室、车前及车斗三路视频，通过5G CPE实时传输视频到远端平台，实现车辆的实时监控。无人驾驶指令通过远程电脑动态监控和下达。视频信号与指令信号通过矿卡终端5G CPE与控制终端5G CPE实现信息的互通（如图3所示）。

图3 无人驾驶通信图

矿卡智能驾驶系统首次实现了与矿卡调度系统进行通信（如图4所示），利用矿山4G专网通信实现数据交互与共享。实现了卡调系统数据驱动矿卡无人驾驶模式，打通了调度系统与智能系统的信息交互与共享［8］。系统可以与有人作业模式的卡调系统进行协议与功能的对接，从而保障了系统的衔接，互相补充，通过海量作业数据的分析自学习提升调度算法的优化，最优化调度策略，卡调在调度指挥下完成装载-运输-卸载的典型作业。

矿用卡车的感知驾驶是基于5G通信的车联网自动控制中实践的具体体现。其一，感知技术可以通过移动通信技术的信息传导，实现卡车感知、决策、以及执行三个环节的信息互动；其二，5G技术下车联网自动驾驶控制时，程序可以依据卡车驾驶操作提供操控规划。

图4 智能驾驶自动调度

5 应用实践体验

（1）智能驾驶并不等于无人驾驶，基于移动5G网络的矿区智能驾驶，是5G移动通信技术在矿业最前沿的应用。无人驾驶是智能驾驶的一种，主要依靠车内的以计算机控制系统为主的智能驾驶的目的。智能驾驶则是网络导航、自主驾驶、人工干预和智能运维有机地结合。无人驾驶是智能驾驶的一个种类。

（2）随着智能化发展，到无线通讯技术迅猛发展，采矿设备在开发和应用方面也逐步开始了自动化和智能化进程，而自动化和智能化成为无人化开采奠定了基础。需要加快采矿装备智能运维系统开发与应用。加速建立采矿设备智能化体系与机制，结合和运用网络、软件、采矿数据和模型以及调度优化和全球定位系统技术，构成矿山生产智能化采矿系统。