5G+智能矿山建设实践

冯晓斌

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

国家煤炭行业标准《安全高效现代化矿井技术规范》(MT/T 1167—2019)要求“应建设有线通信系统、无线通信系统、广播通信系统等，并实现矿井通信、调度、信息管理、安全保障、应急避险等功能的集中统一调度”。

大柳塔煤矿现已实现井下4G无线信号覆盖，且运行稳定，考虑到煤矿井下智能化建设需求，现对大柳塔煤矿井下规划5G专网无线通信系统，包括5-2煤辅运大巷、大井及活井综采工作面、综掘工作面、连掘工作面、掘锚工作面等重要场所5G信号覆盖，并与现有4G系统完成对接，实现互联互通。在经历了信息化、自动化、数字化和智能化的发展变革，大柳塔煤矿在智能化开采、掘进、智能装备作业、机器人巡检和智能综合管控中心等关键技术领域取得重要突破。基于纯国产软件自主研发了安全可控的智能一体化生产管控平台。在行业探索出了一条多设备、多接口、多参数统一融合的新途径；建成行业首个煤炭生产大数据仓库，形成一套煤矿设备数据通信标准，对海量数据进行大数据分析，实现智能决策分析，彻底解决了信息孤岛问题。基于5G网络的高级智能综采工作面在大柳塔煤矿建设成功。通过在工作面部署5G通信网络，借助当前先进的智能巡检、红外热成像、惯性导航技术，构建精确三维地质模型，实现工作面“视频跟机、有人巡视、自主割煤和远程干预”的采煤模式。工作面机器人搭载三维激光扫描仪，生成工作面溜槽位置曲线，指导液压支架实现自动找直；刮板机、转载机结合煤机位置、割煤工艺、运行电流和视频画面等数据，实现自适应调速等功能。智能连掘系统，集成5G技术，利用惯性导航+激光导引+光学测量等手段，配备自动卷缆装置，连采机实现“自主行走、自动截割、视频监控和远程干预控制”的掘进模式，将工人从高粉尘、高噪声、高风险等恶劣的工作环境中解放出来，提高了岗位幸福指数，填补了煤矿掘进设备自动化技术的行业空白。钻锚、喷浆等作业类机器人的应用在部分区域实现了无人支护、喷浆作业；管路抓举、开槽等辅助作业类机器人的应用，使作业人员劳动强度大幅降低，工效提升2倍以上；变电所、水泵房、主运输系统等巡检类机器人的应用，实现代人巡检，全面提升变电所、水泵房、主运输系统无人值守后的可靠性。

根据国务院、国家能源集团公司智能化建设指南，按照神东煤炭集团公司“0587”建设目标，大柳塔煤矿紧紧围绕2个矿井不同生产地质条件，提出“1024”智能化建设理念，以建设国家首批智能化示范矿井为主线，追求无人化生产为目标，在智能化开采、安全保障、经营决策和清洁环保等4大板块，全力打造万物互联、数据驱动、人机交互、专家决策于一体的全智能化矿井。

1 矿用5G网络系统

1.1 5G网络系统构成

矿用5G移动通信网络由地面的核心网(CN)、IP RAN环网、基带控制单元(BBU)、远端数据汇聚单元(RHUB)、微型射频拉远单元(pRRU)等系统构成。

核心网(CN)：主要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。

IP RAN设备：主要作用是形成高速可靠的万兆工业环网，能够满足5G大带宽应用的需要。IP RAN向上连接地面的核心交换网，向下连接井下的基带控制单元(BBU)。

基带控制单元(BBU)：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。

基站由基带控制单元(BBU)、远端数据汇聚单元(RHUB)、微型射频拉远单元(pRRU)组成，主要功能和作用是提供井下5G无线信号覆盖。

系统的拓扑结构示意图如图1所示。

图1 5G通信系统拓扑结构示意

1.2 5G网络与井下工业环网

根据煤安规程、全国安全生产信息化规划，煤矿应当在井下建设工业环网，包括安全环、控制环、视频环等，使各类业务独立传输通信，满足安全生产和自动化控制的需要。各类环网的带宽根据业务需要进行规划设计和建设。目前工业环网的最大带宽能够达到1万兆(10G)。

5G移动通信技术由于其“大带宽、低时延、广连接”的特征，对每个移动终端提供的带宽最大可达1G(1 000 M)。因此，5G移动通信需要低延时、高可靠、高带宽的承载环网。

井下工业环网，采用工业以太网交换机设备组成。以太网交换机属于二层交换及组网模式，不能完全满足5G的低延时要求，且有效带宽只有25%，不满足未来带宽需求。因此，井下工业环网不能承载5G移动通信业务，需要选用更加稳定可靠低延时的新型交换设备。IP RAN设备为运营商级主流承载网络设备支持10G向50G的平滑升级(只需更换光模块)。IP RAN设备组成的新型IP RAN环网承载5G移动通信业务同时还可以兼容接入其他传统以太网数据通信类业务的接入。

5G的IP RAN环网既可满足移动通信的需要，又可提供井下工业环网所需的通信协议的接口，因此，IP RAN环网可作为井下工业环网的备用传输网，或将IP RAN环网同时作为工业环网来使用。

在建设移动环网的同时，结合工业环网的规划设计，采用IP RAN技术建设统一的井下环网，既满足工业环网的需要，也满足移动通信的需要。

1.3 5G网络实施设计

地面自建本地核心网，自建5G MEC边缘计算，井下建设IP RAN环网，井下建设BBU用于5G多模基站的接入；基站在直巷覆盖长度应满足半径不小于200 m，能保证辅运、胶运大巷，综采、掘进面、变电所、避难硐室覆盖。

5G无线分站模块在直巷覆盖长度按照半径不小于200 m。能保证有人行走的巷道信号全覆盖，例如：辅运、胶运大巷，综采、掘进面、变电所、避难硐室覆盖等场所。

巷道场景一般可以分为短巷道场景和长巷道场景。巷道场景和其它场景有很多区别，附近基站的信号很难进入，经常出现弯道与坡度，无线信号衰减大。所以在处理巷道场景时要采取灵活的方式，由以上这些特点，可以采取以下2种方式：①在信号的覆盖强度方面，当长度超过覆盖距离时，采取多个5G基站级联的方式进行信号延伸和扩展；②天线布放位置决定巷道内覆盖水平，为了保证良好的覆盖，天线布放位置应满足巷道内天线覆盖边缘场强大于-115 dBm。在直道情况下，天线口功率W>25 dBm时，若保证边缘场强大于-115 dBm，根据计算可覆盖巷道1 200 m，此时即可布放对数周期天线；在弯道情况下，必须考虑弯道对边缘场强的衰减，建议此时把天线放置在弯道的切点处。

由于井下多为狭长型通道，因此基本采用室内分布天馈系统(耦合器、功分器、定向天线)方式。根据巷道走势、天馈系统的覆盖能力，井下规划若干台分站。以下通过图示来展示室内以分布天馈系统覆盖模式对主巷道、井下临时、永久避难硐室等区域进行无缝覆盖。

井下分站设计布点原则为直巷主要采用定向天线覆盖，根据巷道宽度密度在半径200 m以上；巷道交错区域，在交叉路口设立一个分站并采用多个天线进行分别覆盖。具体部署方式与种类如图2所示。

图2 5G通信基站巷道内布置示意

2 智能矿山5G应用场景

2.1 智能开采

综采工作面部署5G大带宽高速数据传输通道，实现采煤机、机器人等移动设备无线快速通信。以设备姿态自感知、截割自适应、人员接近防护、智能巡检机器人等技术，形成“自主割煤+自动跟机+机器人巡检+地面远程干预”采煤模式。巡检机器人实现对设备温度快速点检、工作面液压支架自动找直；集控系统实现供电、供液、运输系统集控。智能开采系统原理图如图3所示。

图3 智能开采系统原理

2.2 智能掘进

连采机利用“惯性导航+激光导引+光学测量+5G”技术，配备自动卷缆车，实现“视频监控+远程控制+自主截割+人工干预”生产模式；六臂组合式智能锚杆钻车工业性试验，实现掘支运平行作业；连采机、梭车与破碎机联锁控制，实现连续破碎运输和智能化远程操控，将工人从高粉尘、高噪声、高风险等恶劣的工作环境中解放出来。

利用“惯性导航+激光雷达+SLAM算法+5G”技术，实现梭车自动运行，将构建“自主掘进协同作业+远程监控”的智能掘进模式，真正做到掘进工作面少人化，运输系统无人化，系统原理如图4所示。

图4 智能掘进系统原理

2.3 固定岗位无人值守

主运系统实现无人值守：主运输胶带机采用自动控制、移动终端监测、钢丝绳芯无损检测、智能除铁、智能调速、集中润滑、钢丝绳牵引智能巡检机器人技术，具有远程监控、高效巡查、快速点检、故障精准定位等功能，实现了主运系统一键逆煤流启动、顺煤流停车和无人值守。

变电所全部实现无人值守：主要变电所实现防越级跳闸系统、电缆高温监测预警系统和智能防灭火系统，变电所高压柜实现操作过程可视化监控，变电所部署轨道式智能巡检机器人，实现智能巡检、人脸识别停送电、环境气体监测及自动化系统联动控制等功能。

矿井加压泵房、排水泵房实现无人值守：加压泵房实现智能恒压供水、主要排水泵房实现智能均衡排水、中转水仓实现远程监控、小型水窝实现就地自动排水。部署灵活性较高的轮式智能巡检机器人，实现排水系统的智能巡检、气体监测、仪器仪表识别诊断和红外热成像等功能。

车辆智能调度及安全辅助驾驶：建成集管理、调度、指挥、监控、通信等为一体的车辆智能调度指挥系统，实现对辅助车辆运行状态和实时位置进行监测，合理调度车辆运营任务。在井下巷道关键区域部署辅助运输应急导引与信息发布系统，综合分析矿井运输巷道占用情况和运输任务配置状态，做出行车路径智能规划与信息发布，合理优化车辆运行路线。应用井下安全辅助驾驶技术，借助激光雷达、视频识别、智能传感等手段，实现驾驶员疲劳监测预警、车辆智能避障、智能限速等功能，规范员工驾驶行为，从技术上杜绝超速驾驶，有效管控井下辅助运输安全。

2.4 基于AI的视频智能识别与分析

应用基于AI的图像识别技术，对无人值守胶带机堆煤、跑偏和异物进行智能识别分析。对作业人员进入危险区域、安全帽规范佩戴等情况实时监控，可快速发现人员违章，车辆违停、逆行等行为。对固定区域巡视岗位进行监督，确保巡视人员履职履责。视频智能识别与分析场景如图5所示。

图5 视频智能识别与分析场景

2.5 综采工作面全景视频

对综采工作面全景视频拼接，形成一副长的“画卷”无死角覆盖，消除视觉盲区，实现工作面全景可视可控，采煤机工作区部署全视角视频，为采煤机司机提供“身临其境”的驾驶感受，精确指导远程操控作业。综采面全景视频拼接+煤机局部全视角视频拼接+视频AI辅助分析，实现远程监控、辅助操控、提前预警和实时联动，支撑综采工作面全景可视、安全可控，实现井下作业少人化。全景视频网络架构及效果分别如图6和图7所示。

图6 全景视频网络架构

图7 全景视频效果

2.6 矿用机器人集群及智能装备

应用5G高速、低延时、大带宽的传输特性，有效支持矿井部署固定场所巡检机器人、固定值守机器人、锚杆支护机器人、喷浆机器人、管路抓举机器人、巷道钻孔机器人、巷道掏槽机等智能装备，代替手工劳动，有效降低工人作业强度，改善员工作业环境。矿用机器人集群应用如图8所示。

图8 矿用机器人集群应用

2.7 智能一体化综合管控中心

构建煤矿主要灾害精准预警平台，以透明地质保障和安全监测监控系统为依托，挖掘矿井海量数据分析与应用，为矿井生产运行提供可靠运行数据，实现主要灾害精准预测、智能通风控制、应急联动响应，为安全管理提供应急救援依据，为经营管理提供重要决策支持。打造矿井工业园区智慧化管控中心，利用物联网、大数据和人工智能等新一代信息技术，构建物与物、人与物、人与人的连接，实现工业园区的可视、可管与可控，达到一体化综合运营与管理的目的。

3 结语

煤矿智能化建设是第4次工业革命的重要组成部分，消除信息孤岛、全面整合煤矿数据、等值统一执行标准是智能矿山建设进程中要解决的主要难题。5G网络在煤矿的推广应用有效解决了煤矿智能化的通信传输问题，在采煤、掘进、运输、供电、供排水、通风、机器人集群运作等多个方面，融合多种信息技术，将煤矿生产安全相关的多个子系统的装备和工艺有机结合起来，构成相互联系的智能化矿山生产管控系统，为全面提高煤矿智能化水平提供技术保障。