4G-LTE的智能化矿山系统设计与实现研究

2021-01-06邱志顺

中国金属通报 2020年15期

邱志顺

（中色大冶有色金属集团控股有限公司，湖北黄石 435101）

运输车、挖掘机等均是露天矿山开采作业活动中的常用重要工具类型，长期沿用着人工操作的传统模式，矿区地质条件多变，不可预测因素偏多，很可能对驾驶及作业人员生命安全构成威胁，还会面对采空区这一特殊作业面，采区边坡在长期裸露、爆破震动等多种因素的作用下，方位及界限会出现不同程度变化，规模逐渐拓展，对人车安全性构成的威胁也相应增加。加大远程无人式操控智能化系统，结合现有技术手术探查采空区相关信息，在此基础上拟定更适宜的开采方案，将采区片帮等事故发生率降至最低，维护作业过程的安全性，协助矿业企业获取更高的经济效益。

1 研究背景

矿山行业属于我国的传统基础产业之一，高危险、高强度、劳动密集性等是该行业运作的主要特征，安全生产始终是矿山行业业务运营阶段必须遵照的基础原则，在国际、国内社会等多方压力的作用下，国内矿山企业转型发展一定要持续推进，积极扭转过往生产模式，树立与时俱进的发展理念，以最前端的信息通信技术为支撑，最大限度的提升矿区生产现场指挥调度的多元化、智能化水平，降低露天作业用工数目、减轻劳动强度及压力、最大限度的提升开采作业的安全保障水平，最后打造出矿区高产高效生产的大格局，以上是从根本上扭转矿山传统生产方式与行业发展状态的有效方式之一。

当下，国内矿山行业内广泛应用的安全监控系统尽管在应对矿区安全生产问题方面体现出一定效能，但面对矿区日益复杂的生产条件，传统系统运行阶段暴露出实时性差、节点传导距离过长、高电磁环境下稳定性偏差等问题，以上问题若长期不被解除，将会对矿山安全监控技术水平提升过程起到较明显的制约作用[1]。开发智能化安全监控系统是近些年业内众多学者的共同追求，为应对如上问题而做出建设4G-LTE网络系统的提议。

4G-LTE专网运行阶段具备较高的安稳性与先进，其把调控指令经4G无线网络整合至控制系统内，协助矿区安全管理人员更全面、直观的获取露天矿区生产信息，从最基础环节保障矿山安全生产能效，在系统内配置安装的上位机软件有操作流程简易、应用便捷等许多优势，能产出画质优良的图像、保证了视频资源的传导效率，且有预测或预警矿区危险事故的功能。

2 系统分析

2.1 主要结构规划设计

智能化矿山生产系统大体上由如下几部分构成[2]：

（1）应用层：应用服务器、图像调整软件、操控平台、视频服务器、矿区机械设备生产状态呈现等。

（2）网络层：一体式4G-LTE专网基站、调度机及和外界环境互联互通的界互联的PSTN网络等是该层次的主要构成。

（3）终端：由运送、钻孔、挖掘等诸多设备设施构成。

2.2 功能分析

（1）视频调度。分别利用车载摄像头、采场360球机监测矿区移动与固定监控点运转状态，以4G-LTE网络为支撑，把矿区车辆周遭及各个作业面视频信息动态化的传导至操控中心内。调度系统能提供一TD-LTE多媒体为基础的业务功能，迎合矿区内语音对讲多媒体调度、系统部署便捷、操作界面友好、稳固性高、拓展性强等优势。

（2）远程式操控。具体是操控人员远距离操作远程控制台上的手柄，结合远程无人驾驶设备传导反馈的数据信息，借助4G-LTE智能专网远程遥控挖掘机、钻孔机以及运输车的运转状态。

（3）安全防护。远程无人驾驶设备投用矿区生产阶段，能智能化检测网络通信状态，若感知通信信号出现异常时，便会智能化的实施相关安全防护策略，暂停生产作业。

（4）移动基站。室外覆盖基站建设阶段以移动式箱型结构规划为支撑并联合使用了脱钩支撑车架，可以把金属矿区现场布设的基础设备、电源设施等安置于可移动基站内，迎合矿区现场安全施工的现实要求。

3 设计与实现

该智能化系统主要由4G-LTE基站（1套）、运输车、挖掘机和钻孔机操控台（各1套）构成。

将室外基站和天线设施安置在露天矿区最高处的适宜部位，射频线缆用做衔接设施，功能以覆盖露天矿山信号为主。网线衔接室外基站与三层交换机，在各层网络相互连通、合理调配设备运行参数后，运输车上配置的摄像机便能采集图像与数据信心，将其整合至操作中心[3]。在以上过程中，图像调度软件通过预设程序处理图像信息后，将其清洗的呈现在显示器上，这样操作人员便能更直观、整体的观测到矿区中各台运输车辆周遭信息。关于车辆运行状态信息，其被8口串口服务器处置以后，还会被准确无误的传导至运输车辆操作台上，运输车操作台的触摸屏是呈现运输车辆即时运行状态的主要载体。另外，合理应用触摸屏能够选择车辆编号，快速落实8辆运输车的切换任务。本文如下主要探究4G-LTE专网有关业务形态。

3.1 GPS卡调系统对接组网

GPS卡调系统的功能可以做出如下阐释：GPS定位技术为支撑，线性规划算法模型是主要的完善基础，无线通信用于传导数据信息，在计算机设备的协助下，动态化调控采矿区内卡车、电铲等机械设备的运行状态。以上是露天矿智能化生产过程的重要一环，卡调系统有传输信息精确度高、时效性强等特征，关系着采矿运输作业的台时功效。利用4G-LTE专网系统能达到快速、准确的衔接安置在不同方位的卡调系统，使其演变成一个高带宽传输通道，从根本上保证卡调系统数据信息传导的精确度、时效性，实时追踪露天矿区内卡车、电铲、钻机、推上机等诸多机械设备作业状态。

3.2 矿区视频图像调度

4G-LTE无线通信系统运转阶段能有效结合移动监控点（例如手持台、车载台等）与固定监控点，实时回传矿区现场生产作业的视频图像资源[4]。

3.3 Tetra系统对接组网

在设计4G-LTE专网阶段，通过安置集群网关，建设4G-LTE、Tetra数字集群系统两者间的互动互通关系，这样 Tetra用户便能顺利的步入到LTE专网中的群组呼叫体系， Tetra用户在LTE专网群组内持有一定话语权及自我发出释放权。全球有权威机构专家指出，加大对现存TETRA网络建设阶段资金投入数额，结合后续几年中的现实使用需求，最有效的渠道就是以混合网络为依托，持续赋予TETRA语音通信功能，在移动宽带服务上保证数据信息的利用效率等同于打造TETRA+LTE（2+4）宽窄带通信互通融合模式。

3.4 矿区彩信业务

4G-LTE专网持有对外提供彩信发送业务的功能，利用各种移动终端、调度台，操作人员均能便利的编写与发送彩信，该智能网络支持“点对点”，“一点对多点”和“点到群组”等诸多彩信传送形式。

露天矿区生产作业中，到现场检修人员察觉到异常状况时，当场拍照后快速将图像传输至调度中心上，而后调度中心负责把编辑好的彩信群发给有关工作人员，并且会带有阐释性文字，为有关作业人员快捷、精确捕获与掌握重要信息创造便利，有关专家会结合彩信内容，考虑多方面因素，探究相关应对方法，更为科学的指导矿区分检修人员开展各项维修工作。

3.5 矿区移动式办公

以4G-LTE专网为支撑，能打造出完善化的矿区移动式办公隔绝，明显的提升了办公效率。 4G-LTE专网持有自主定义电子表单、公文接收与发送、程序审批等功能，高效率的应对了露天矿区业务形态波动性较大的现实问题。并联合push mail功能，确保有任务或邮件传达时第一时间对管理人员发出提醒信号，保证了与露天矿自动化系统数据交互的高效性，进一步提升了矿区生产作业的安全性，为预期产能目标的达成奠定基础[5]。

3.6 数字化矿山有关业务

数字化矿区生产管理是当下国内众多矿业企业运营阶段迫切想要构建的格局，4G-LTE的使用为以上目标达成创造了良机。4G-LTE专网可以被看成是构建数字化矿山阶段一条无线高速公路，有智能化调控矿山生产、线上监控卡车轮胎、自动化监控钻孔深度、准确定位挖掘机高程、监测车辆燃油耗用、供配电设备监视、动态化采集数据信息、管理ERP PM模块、安全生产技术调控、突发事件应对、矿区地质环境勘测与生产规划、供配电远程式调控、各岗位标准作业程序移动端学习等诸多功能。

3.7 构建无线通信系统基站

立足于某集团公司露天矿山4G无线通信系统建设状况，结合露天矿区现有铁塔设备状况，拟定选用10个站址开展覆盖检测活动，具体方案如下：

（1）频点方案：频段区间780～1800MHz，带宽、中心频点依次为20MHz、1790MHz。

（2）站点方案：基站天线高程为30m，选定4T4R定向天线，TDD上/卜行时隙配置比为3:1。

（3）终端方案：CPE、EP820分别为3m、1.5m，酌情设定各终端类型的数目。

（4）站点设计：站点:10个，26个分区，eRRU（1.8GHz4T4R）：26个，4path定向天线：26副，eBBU：10个。

和常规网络信号转发功能作比较，SDN转发设备的运作原理是分离控制平面与数据平面，控制器负责完成所有数据信息的转发工作，并有配置及管理网络系统的功能，借此方式大幅度的提升网络管理工作成效。交换设备仅需落实管理数据信息的单项任务，有益于强化交换设备系统的简洁性。SDN调控转发分离可编程网络见图1[6]。

图1 SDN调控转发分离可编程网络架构图

（6）系统功能主要有：①转发指令：OpenFlow协议和向南接口相互衔接后，能将既往的网络二、三层设备转发表取缔，形成的流表有解析流与处置动态功能；②背板转发：SDN使用阶段对数据信息转发速率提出了高标准、高要求，为促进数据交换过程，配置性能高端的芯片就能达成；③链路调度：通常情况下，项交换端口转发数据信息，均需要在端口完成信息分析处理任务。而本系统内配置了QOS的交换机，有对部分报文按照级别优先分类处理的功能，科学调整列队信息，达成对QOS字段相关链路程序的精准调整。