5G技术赋能下采掘工作面视频+智能化应用

高 强，韩 雷

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

0 引言

煤炭作为我国第一大能源，也是国家能源集团主业，经过多年创新发展，国家能源集团形成了具有核心竞争力的独特的发展模式，长时间引领着行业发展。随着新时代的不断推进，煤炭产业面临着新挑战和新任务，国家能源局下发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，对智能化示范煤矿建设提出了具体要求，神东煤炭集团公司根据《国家能源集团智能矿山建设方案》的指导意见，计划实施智能矿山示范工程项目。围绕公司智能化示范工程规划，根据现场实际情况，针对采掘工作面智能化程度低、环境恶劣、劳动强度大、安全风险高等特点，结合目前采掘工作面生产组织及智能化水平，设计出5G技术赋能下视频+智能化的应用模式。然而，在煤矿巷道掘进中面临着粉尘多、雾气重、光线弱、辨识度差，导致煤机司机视线差、盲区多，存在碰撞设备、挤伤人员等特重大安全隐患。加之巷道掘进过程中地层复杂多变，掘进参数需随地层性质变化实时作出适应性调整，掘进环境智能感知与识别困难，最后设计出基于5G通信技术实现连采机全方位跟机的视频监控系统，便于司机及时准确掌握连采机运行状态，进一步提升采掘工作面的安全高效生产。

1 采掘工作面智能化目标

1.1 采掘工作面智能化现状

采掘工作面环境影响一直是煤巷掘进制约其安全、高效、集约化生产的共性关键问题，加之掘、支、运不能平行作业，掘进快而支护慢，所以实现采掘工作面智能化，首先应将工作面工作人员从掘进头恶劣的工作环境中解放出来，在集控中心实现对工作面设备的远程控制及自动化割煤，免受煤尘、噪声等职业病的侵害，远离煤矿“五大”灾害。近年来，随着智能化示范煤矿的建设，煤炭开采正由传统向智能转变，矿井各系统在自动化、智能化方面也取得了新的进展，已实现以下功能。

区域中央自动化控制系统：控制范围已达621.8 km2，涵盖5座煤矿的综合自动化系统，形成亿吨级的生产控制平台，实现了各生产系统的集中显示、数据监测存储、远程控制、智能报警、智能分析等功能，集中体现了矿井管理的信息化、自动化和智能化。

采掘工作面自动化：采掘工作面自动化系统主要对象指综合机械化采掘工作面的连采机、掘锚机、转载机、可伸缩皮带输送机，其中掘锚机配套电控系统。通过组态图和列表组合的方式监控采掘工作面系统的设备状态和实时监测数据，平台接入系统对掘进面各种设备和工况进行监测，集成展示采掘工作面监测系统的数据，实现对掘进面的集中调度与指挥。

掘进胶带机无人值守系统：通过对胶带机进行远程集中控制改造，并在胶带机机头安装高清摄像头，实现了多部胶带机远程集中监控、故障信息查看、远程修改控制器参数的功能。

破碎机与梭车联动控制：利用先进的UWB超宽带技术[1-3]，实现给料破碎机自启停功能；梭车驶进给料破碎机7 m范围时(范围根据实际情况在5～20 m内可调)，给料破碎机的运输机和破碎滚筒自动开启，当梭车卸完煤离开给料破碎机后，给料破碎机的运输机和破碎滚筒延时3 min自动停机(时间可根据实际情况调整)，确保给料破碎机将料斗内的煤运完。

自动锚索钻机：锚索支护方面多采用单体式液压锚索钻机或两臂锚索钻车进行作业。单体式液压锚索钻机结构简单，需3人配合作业，一人操作钻机、一人装拆钻杆、一人备料和驾驶防爆车，操作人员长时间与污水和粉尘接触，对身体健康造成严重影响，工作效率低。为了提升锚索支护机械化水平，部分矿井采用两臂锚索钻车进行锚索支护，整机需3人协同作业，2人操作钻臂，1人地面辅助上锚索及操作锚索钻车行走，与单体锚索钻机相比，支护效率有了极大提升。虽然采用两臂锚索钻车进行支护，但操作人员依然需长时间与污水和粉尘接触。

自动锚杆钻机：采掘工作面巷道支护设备主要有澳大利亚约翰芬雷四臂锚杆机、山特维克掘锚机配套顶帮锚杆机、太科院四臂锚杆机、景隆重工两臂锚杆机，以上锚杆机均未实现自动运行。为了提高支护自动化水平，联合开发全自动两臂组合式锚杆钻车，于2018年10月16日设备整机完成出厂验收、到货并进行井下工业性试验。实现了自动钻孔功能，钻孔过程可根据进给阻力和扭矩，动态调整进给速度，自动适应顶板煤岩变化，实现智能钻孔，同时有效预防了卡钻和断钻杆的风险；可精确控制钻孔深度，保证后续锚杆锚固效果，实现了自动行走和间排距自动定位功能，行走步进距离可设定，履带部位设置有行走距离传感器，测量行走距离；同时，采用激光测距传感器，测量钻臂离帮距离，锚杆间距可根据要求自由设定；实现了自动瞄准和自动锚固功能，设计瞄准器保证锚杆精准进入钻孔，锚固力根据锚固要求自由设定；采用大数据技术，实时记录钻进阻力、扭矩、锚固力等数据，实现每个锚杆支护质量分析，智能判断顶板煤岩情况，建立钻孔和锚杆支护数字档案。

连采机智能化掘进技术：智能连掘机集成了激光自动跟踪技术，实现了移动实时定位，结合惯性导航定向技术，定位精度可达20 mm[4-7]；截割头视频集成了5G技术，实时传输状态参数和视频画面，滚筒红外视频、掘进远控台，实现自动割煤+远程干预技术。该技术目前处于调试阶段，尚未实现常态化应用。

1.2 智能化目标

采用连采机智能化掘进技术实现连采机的自动控制、设备的定位定姿定向、煤岩分界的辅助识别，实现远程连采机远程控制及自主割煤。连采机电缆收放装置采用拽缆装置、排缆装置相结合的电缆收放形式，避免采用滑环滚筒式结构，实现收放装置以液压为动力，具备手动收放、自动收放、人为干预下自动收放3种模式，电缆收放装置具备收放力自适应控制，防止拉力过大损伤电缆，收放装置结构紧凑，具备防护装置，不影响司机操作视线；利用SLAM技术进行设备感知、激光雷达、惯性导航实现三维地图的巷道建模及轨迹规划，实现梭车自主定位、路径规划，支持自主避障等功能[8-11]；利用UWB技术将采煤机械本体及周围区域进行危险程度评价，根据不同的危险系数划分为操作区域、警告区域、停机区域等。实现人员进入危险区域时移动设备自动停止运动防止设备伤害作业人员；利用5G技术实现采掘工作面数据传输及视频监控。

2 5G无线通信设计

5G无线通信系统主要承载协同调度、AI视频分析、掘进机远程操控和物联感知接入4大类业务。通过智能感知、智能传输、智慧决策、智能分析打造“产业应用5G+物联网”战略目标[12-14]。打造产、学、研、用一体的全流程生态合作模式，以5G网络为基础承载，支撑煤矿行业各类上层应用和设备研发，促进5G煤矿产业链完善与发展。

2.1 系统整体构成与供电设计

系统整体构成：系统主要由地面5G核心网设备、地面操控中心、矿用基站控制器、矿用无线基站、矿用信号转换器、矿用手机和连采机设备产品构成。核心网(5GC)的功能主要是提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权、语音和数据的交换等功能。KT606-K(5G)矿用隔爆型基站控制器的主要作用是完成信号的基带处理，提供传输管理及接口，管理无线资源。KT606-F(5G)矿用隔爆兼本安型无线基站主要功能和作用是提供井下5G无线信号覆盖。KZC127(5G)矿用隔爆兼本安型信号转换器主要实现将井下有线设备转换成5G信号方式承载到5G无线网络下，实现数据交换和远程控制。KT606-S1(5G)矿用本安型手机主要实现语音通信和移动端业务应用。连采机通过RS485协议连接到信号转换器，通过基站连接到地面操控中心。

系统供电设计：5G基站供电设计采用一主一备的方式设计，其中一主是直接取井下AC127V供电电源，一备采用UPS备用电源供电，采掘工作面交接班区域集中布置电源，破碎机处增设电源转换器将660 V转换成127 V供电，连采机处直接取照明灯电源供电。

2.2 核心网与核心网组网设计

核心网设计：5G核心网采用3GPP定义的国际标准5G核心网网络架构和协议标准，集成了标准的AMF、SMF、UPF、AUSF、UDM、NRF、NSSF和PCF等网元。除了N4口，其余网元是标准的服务化架构。AMF(接入和移动管理功能)作为核心控制面节点为5G网络提供用户的注册和连接管理，用户可达性和流动性管理功能，参与鉴权认证和NAS信令保护等安全功能，以及执行边缘安全锚点功能。SMF(会话管理功能)主要负责会话管理相关的功能，包括建立、修改、释放等，具体功能包括会话建立过程中的IP地址分配、选择和控制用户面功能、配置业务路由和UP流量引导、确定SSC模式、配置UPF的QoS策略等。UPF(用户平面功能)作为连接PDN网络的用户面节点，主要提供用户平面的业务处理功能，包括业务路由、包转发、锚定功能、QoS映射和执行、上行链路的标识识别并路由到数据网络、下行包缓存和下行链路数据到达的通知触发、与外部数据网络连接等。AUSF(鉴权服务器功能)实现对用户的鉴权和认证。UDM(统一数据管理功能)主要功能是对各种用户签约数据的管理、用户鉴权数据管理、用户的标识管理等。NRF(NF贮存功能)支持网络功能服务注册登记、状态监测等，实现网络功能服务自动化管理、选择和可扩展。PCF(策略控制功能)PCF支持统一的策略框架来管理网络行为，为控制平面功能提供策略规则，访问统一数据存储库(UDR)与策略决策。

核心网组网设计：工作面集中控制系统网络接入主要包括无线接入基站、网络交换机、网络控制柜等设备，实现网络通信子系统和集中控制子系统的网络连接。首先设计5G基站安装位置，形成区域性独立的核心网。采掘工作面要想形成区域5G专网，设计在交接班区域安装一台5G基站及无线站，供集控中心控制、视频传输，破碎机处安装一台5G基站及无线站，接收连采机控制及视频传输，连采机机身安装一台5G无线站，接收连采机PLC控制及视频并负责将信号发送给破碎机基站。这样就形成了区域性独立的高速数据传输通道实现数据、视频的传输。

3 5G无线通信+智能连采机视频设计

3.1 摄像仪原理

每个摄像仪内需接4根线，分别为2根127 V电源线和2根信号线。每个摄像仪通过一根四芯屏蔽电缆引到PLC箱，4个摄像仪共用4根四芯屏蔽电缆。在PLC箱内将4根四芯屏蔽电缆其中两芯并在一起接到PLC箱内的127 V电源，另外两芯并在一起再通过一根四芯屏蔽电缆由PLC箱引到驾驶室防爆主机内的网络传输器，防爆主机内的网络传输器通过网线接在主机上。摄像仪内的网络传输器设置为从，主机内的网络传输器设置为主，一主四从模式。

3.2 摄像仪位置

在连采机机身安装4台网络摄像仪，分别在右履带上方安装KBA12B型1台监控铲板，驾驶室顶棚安装KBA12B型一台监控运输机尾，驾驶室顶棚安装1台KBA12B型和1台KBA12(G)型分别监控截割头及截割头红外热成像仪，在连采机驾驶室人员作业左侧安装主机控制机图像显示屏，保证司机实时看到煤机行走期间的路况，以便及时做出反应，确保安全生产，如图1所示。

图1 安装位置及效果

3.3 摄像仪显示设计

利用连采机和梭车身上安装的多路摄像机，实时采集移动设备工作现场关键视角的视频图像和音频信息，通过5G网络传输到工作面的监控中心。连续采煤机上安装多路除尘摄像头，分别采用热成像仪和低照度摄像头，实现工作面上视频的采集，连采机上布置拾音器，将现场声音传输到远控平台。视频显示单元实时显示多个移动设备各个关键点处的视频，对设备的工作状态进行视觉延伸，以达到身临其境的感觉。

3.4 连采机视频与5G无线通信融合设计

考虑到各设备的空间排布及运动特征，利用5G技术建立连采工作面防爆无线信息网络，用于监测信息的传输。单机设备中的以太网有线局域网通过5G无线基站桥接而组成系统局域网。布设3个基站后无线通信距离可达200 m以上，实现了整个快速采掘工作面监测数据的无线传输。采用千兆工业以太网连接掘进机机载控制系统和远程集控系统，通过5G无线实现监控数据和视频流的隔离传输，并可通过煤矿井下环网连接至地面调度中心。智能连采机自动控制系统以有线+无线的传输方式，其中有线采用载波通信，首先更换连采机跟机电缆为带4芯控制线电缆，将4芯控制线接入连采机PLC箱实现煤机与馈电通信，再引用一根控制线将煤机馈电与破碎机5G基站连接，实现煤机PLC控制数据及视频进入千兆工业以太网，进而接入交接班区域5G基站实现远程控制煤机及视频监控。其次，为保证视频质量，在连采机机身安装1台硬盘录像机，将所有摄像仪打包接入，实现视频输出为一条路径，从而解决了视频在传输过程中的卡顿问题。

4 结语

煤矿生产以安全为核心，连采机全方位跟机视频监控系统，实现了煤机司机在生产过程中全方位、零死角、高清晰监控。无论是检修还是生产，可以实时监控连采机周围情况，以达到身临其境的感觉，保证煤机在生产中更智能、更高效、更安全的运行，进一步提升了采掘工作的安全性。其中，热成像摄像头与普通摄像头相比具有可视距离远、能见度高的优点，在恶劣条件下成像清晰，最大程度地避免黑暗、高光、粉尘等因素的影响，煤机司机可实时监控煤机在生产过程中的情况，遇到危险可及时做出反应，确保安全生产。