煤矿5G智能化应用实践关键技术研究

王海钢

(山西新元煤炭有限责任公司,山西 晋中 045400)

面对能源行业的高质量发展要求,积极探索煤炭工业智能化转型升级,推动智能绿色现代煤炭工业体系建设势在必行[1-3]。当前,互联网技术已成为传统行业转型升级的“加速器”,尤其以5G为代表的新一代信息技术在煤炭行业创新应用,助力实现了煤矿开拓、采掘、运输、通风及安全、经营管理等过程的智能化运行,大大推进了煤炭领域信息化、智能化建设[4-6]。这对于保障煤炭能源供应稳定、带动煤炭工业转型升级意义重大。

为满足煤矿智能化对无线通信的需求,我国煤矿领域先后推行了CDMA、WiFi、3G、4G等信息系统[7]。目前,比较通用的是WiFi和4G通信技术,主要应用于地面调度系统、无线接入设备及用户终端系统搭建,基本能满足煤炭主要生产环节的数据通信要求,也可实现语音、图像和视频的有效传输,通信质量较为可靠。

随着信息化的发展,煤炭行业对信息技术的需求也不断增加,衍生出了适应信息化潮流的“智能矿山”这一概念。智能矿山建设是一项复杂的系统工程,仍存在诸多的技术问题。一方面,现阶段随着智能化的建设包括5G等新兴技术的井下应用,煤炭资源开采过程中“采、掘、机、运、通、排”六大系统的“人—机—环”各类数据日趋规模化和复杂化,同时受限于井下开采的复杂恶劣工作环境与特定作业流程,煤矿通信系统各项性能指标尚不能满足智能化发展的需求[8-10];另一方面,复杂的环境、多变的需求对通信系统的稳定性提出了更高的要求——具备传输速率高、可靠性高和时延短,同时对其安全防爆、抗干扰能力也有一定特殊需求[11-13]。针对煤矿井下煤尘多、巷道长、设备多和干扰大等诸多不利条件,以5G通信技术为代表的各类先进通信技术在煤矿井下的成功应用,是实现煤矿智能化建设的必由之路。

以山西省新元煤矿为工程背景,基于5G通信技术(以下简称“5G”)开展智能矿山应用实践研究。围绕5G在煤矿井下的四大应用场景,着重分析了煤矿智能矿山建设与5G技术应用的内涵,并根据应用实际提出了5G组网架构。该实践的成功可为5G在煤矿应用提供参考依据。

1 煤矿智能化与矿用5G网络技术

矿山智能化建设指将5G、云计算、大数据等技术与生产过程深度融合,以实现对矿山设计、掘进、开采、运输等生产环节的自主规划、感知与分析决策[14-17]。通过智能综合管控与决策分析,对生产过程进行实时动态监测与综合管控,使煤矿保持最佳的安全生产经营状态,真正实现生产经营环节的科学管理,达到安全绿色、智能高效、低能耗生产的目的。

为实现矿山智能决策分析,从顶层设计出发建立一套完整的智能矿山体系。基于工业互联网组织架构分析,搭建智能矿山物联网技术体系,包括应用层(集成监控指挥系统、大数据存储分析系统、基础系统、智能决策系统、过程自动化控制系统)、网络层(交换机、5G网络、WiFi)、感知层(传感器、摄像头、感应器、GPS定位),如图1所示。

图1 智慧矿山物联网组织架构

5G作为第五代移动通信技术,其传输速度快、通信带宽大、数据传输延迟小,优势显著。因此,5G与各行各业深度融合应用是未来的发展趋势。将5G网络技术应用于煤矿工程建设,是推动智能矿山建设、实现智能化无人开采的重要技术支撑[18-21]。5G网络部署架构见图2。

图2 5G网络部署架构

相比目前广泛使用的4G网络,5G突破传输带宽、时延等方面的瓶颈,具有传输速度更快、响应延迟低等优势,为智能化开采、物联网建设等方面提供了可靠的通信保障。5G通信技术特点如下:

1)高速率。4G/LTE(4G无线宽带技术)最大速率仅为300 MiB/s,而5G最小速率就能达到1 GiB/s。

2)高峰值速率。与4G通信技术相比,5G速率至少提高10倍。

3)容量大。采用大规模MIMO(多天线发送和接收信号技术),系统容量高,达到4G/LTE技术的1 000倍。

4)低延时。3G网络延时为500 ms,4G网络延时为50 ms。5G采用新子帧设计,网络延时5～10 ms,可满足物联网、虚拟现实场景应用需求。

5)可靠性高、安全性高。5G系统相比4G或之前的2G/3G系统,相当于进行了一次重构,其灵活的组网及完整的安全架构设计,可以为现场应用提供更加稳定和安全的通信保证。

2G/3G/4G/5G通信技术性能对比如表1所示。

表1 2G/3G/4G/5G通信技术性能对比

2 煤矿5G网络与应用技术方案

2.1 系统架构

煤矿5G系统由核心网应用平台、地面5G基站、井下pRRU基站、井下HUB(转发器)、井上BBU(基带处理单元)等组成,系统架构见图3。井上采用AAU(有源天线单元)地面覆盖,通过Ir接口(红外线接口)与BBU(室内基带处理单元)相连。井下采用pRRU(射频拉远单元)基站实现无线网络覆盖,与井下HUB相连。

图3 矿用5G无线通信系统架构

围绕煤矿不同应用场景(协同作业、综采智能化工作面、巡检机器人、传感器数据采集回传),研发矿用5G物联网传感器,构建井下5G与应用层的端到端专网。基于5G超大带宽、超低时延等优势,解决煤矿“井下看清难”“精准控制难”“系统多网协同难”等智能化关键技术。

2.2 井上井下协同作业

5G在井下的重要应用场景是远程协同作业。基于5G大带宽特性,可以完成井下作业人员与井上技术人员的随时随地视频沟通,远程协同生产作业等,以实现对井下精准控制,提高生产效率。

基于矿用5G手机、智能头灯等设备,在采掘工作面昏暗作业环境下,实现井下与井上人员的高清视频通话;基于5G和VR(Virtual Reality)虚拟现实技术矿用监测设备,将VR虚拟现实与井下巡检相结合,实现地面对井下工况的多角度巡检;配合5G+矿用AR(Augmented Reality)增强现实眼镜,实现井上井下人员的同步操作、井下精准指挥控制。

2.3 5G+综采智能化工作面

目前,综采工作面通信网络普遍采用有线线路,系统多、结构繁杂、通信线缆维护量大,仅单个工作面支架通信线缆就达2 000根,很难保证常态化运行。

基于5G网络,智能化综采工作面在采煤作业过程中,实现高清视频的同步传输与生产实时监控交互,远程控制综采工作面设备:①配套综采工作面自动化技术装备,主要包括采煤机、液压支架、刮板输送机等设备,结合工业视频监控技术,以实现生产运行过程工作状态智能化监测与集中控制;②通过5G网络将综采工作面关键设备信息参数传输至地面,在地面远程控制中心实现设备远程网络监控、自动化操作和视频集中控制,结合现场工程地质条件,实现工作面现场设备少(无)人化操控。

2.4 传感器数据采集回传

综采工作面工况复杂,可在其两端布置数据采集控制装置、传感单元。基于无线传感器采集工作面各设备工作压力、系统流量等参数,实现数据无线传输,实时判断设备运行状态,集中监控,保障设备安全稳定运行。监测主要设备包括采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机和破碎机等,主要监测参数包括减速器高速轴承温度、设备冷却水流量和压力等。

此外,通过5G无线方式将传感器监测所得数据传输到各无线基站,再由基站内的信号转换器将传感器数据上传至地面控制平台,并显示在监控界面上,由此监控设备运行状态。实时监测综采工作面三机工况数据,掌控运行工况,提高设备可靠性。

2.5 5G+巡检机器人应用

研发5G工业网关的智能无人巡检技术,促进井下安全巡检和视频识别预警场景化应用,设备参数见表2。①基于5G数据回传与控制功能,改造巡检机器人,代替人工进行日常巡检作业,实现高清视频、红外、瓦斯和烟雾传感器等多元数据智能化监测;②研发固定硐室集成5G模组巡检机器人,配备视频AI识别功能,通过地面平台实现远程实时操控;③部署5G+4K高清摄像头,结合视频分析软件,实现对人员不安全行为、设备不安全运行等场景的识别,实现井下透明可视化。

表2 技术设备参数

3 基于5G技术的智能矿山建设实践

煤矿井下综采工作面切巷设备多且集中,需回传视频信号也多,导致该场景下系统容量受限,因此应优先考虑容量需求。基于此,开启千兆上行方案,即时隙翻转,采用5G NR的无线资源配置,上行多、下行少,满足上行的大容量需求(井下业务对5G网络应用需求)。

矿井业务对上行带宽需求远远大于下行,需要以上行业务定义网络覆盖的边缘。为了保障对网络带宽要求较高的视频类业务正常工作,井下5G小区边缘定义为上行速率20 MiB/s较为合理。以单个300 m综采工作面为例,约需170个液压支架(每3个支架部署1组2 K/4 K摄像仪),上行总容量需求500～1 000 MiB/s。煤矿井下场景业务对网络需求见表3。

表3 煤矿井下场景业务对网络需求

煤矿井下5G覆盖测试结果见表4。可以看出,按照上行速率20 MiB/s为基站小区边缘,巷道内单站可覆盖400～500 m,综采工作面单站覆盖超过180 m。因此,井下大巷按照最大400～500 m站间距布置,综采工作面采用在两侧安装5G基站往中间对打的方式,保障了5G基站信号贯穿整个综采工作面切巷,可以保证该类应用场景20～30 MiB/s的上行带宽速率。

表4 煤矿井下综采面切巷5G覆盖测试结果

基于山西新元煤矿5G架构体系(见图4),围绕井下传感器、视频监控、井下通信、井下远程控制4类通信需求,分别研发了矿用5G物联网传感器、5G高清摄像头、5G手机、5G网关CPE(支持RS485/RS232/RJ45/WIFI)、5G模组(支持RJ45/M.2接口),打通井下5G网络与煤矿应用的端到端链路。

图4 智能煤矿5G专网组网架构

在新元煤矿31004和3411工作面安装10台4K+5G高清摄像头,视频数据通过5G专网上传至地面集控中心,实现地面综采控制台对井下工作面采煤机等三机设备的远程操作,以及工作面监控数据、视频回传,远控延时小于20 ms,验证了5G在综采工作面应用的可行性。

2019年11月,新元煤矿成功开通全国首个5G测试基站,完成井下不同应用场景5G覆盖测试工作,为煤矿井下受限场景和容量受限场景5G网络的覆盖应用规划奠定了基础。

2020年4月,中国移动与华为公司在新元煤矿开通全国首个“超千兆上行”煤矿5G专网,成功构建上行峰值速率1 100 MiB/s、下行峰值速率300 MiB/s、时隙配比为2∶3的典型工业应用5G网络,满足了煤矿井下海量超大上行带宽的特殊业务需求,实现了矿井生产数据可视化。新元煤矿调度集控中心如图5所示。

图5 新元煤矿 5G 实际应用情况(调度集控中心)

4 结束语

1)提出新元煤矿“5G+工业互联网”应用组网架构,包含应用层(如基础系统)、网络层(5G网络)、感知层(如传感器)3层架构,实现“地上、井下”的协同作业、综采智能化工作面、巡检机器人、传感器数据采集回传4类场景化应用。

2)基于煤矿井下综采工作面5G覆盖测试结果,确定基站布设设备参数,巷道单站间距400～500 m,综采工作面单站覆盖范围180 m,采用切巷两端安装5G基站往中间对打方式,保证上行带宽速率为20～30 MiB/s。

3)针对井下应用场景、网络容量受限等特殊需求,基于5G大带宽与低时延特性,研制上/下行峰值速率分别为1 100、300 MiB/s、时隙配比为2∶3的典型5G工业网络,满足煤矿井下信息采集、视频监控、人员通信、远程控制类场景业务及带宽需求。