5G通信在采礦裝備的應用實踐

朱志興

（江西銅業集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦作為江銅集團首家智能化礦山建設試點單位，按照集團公司統一安排，圍繞互聯網+物聯網+礦山的發展方向，積極推進智能化帶動傳統礦業的轉型和升級，目標是實現資源開采與環境數字化、技術裝備智能化、生產過程控制可視化、信息傳輸網絡化、生產管理與決策科學化的新型生產經營與管理模式［1］。

2019年隨著國內5G通信技術與產業融合快速發展，城門山銅礦圍繞互聯網+礦山，聚焦“5G+”創新應用，融合轉型和升級。基于5G通信高帶寬、高可靠、低延時特性，通過對礦區的110t礦用卡車及SD52-5推土機進行智能化配套改造，在+30排土區域實現了智能駕駛示范區。實現了礦用卡車智能駕駛，推土機遠程遙控作業場景。使遙控作業和無人工作面等已成為現實，智能駕駛和集中控制的采礦設備已進入實踐應用階段，改變了傳統礦業的生產工藝和組織管理模式，不斷豐富了智慧礦山的內涵。

2 采礦裝備智能化配套

2.1 采礦裝備智能化建設目標

采礦裝備智能化建設目標是實現智能采礦，采礦裝備智能化是指不需要人工直接干預情況下，通過采礦環境的智能感知、采礦裝備的智能調控、采礦作業的自主巡航，由采礦裝備獨立完成的作業過程。智能化開采是在采礦裝備機械化、自動化基礎上，利用先進5G通信技術與工業化深度融合的礦山開采技術。因此，智能化開采具有采礦設備智能化作業能力、實時獲取和更新采掘工藝數據、能根據作業環境條件變化自動調控作業過程［2］。當智能化采礦裝備與自動調度決策為一體時，減少人為因素干擾，即形成無人化作業工作面。

2.2 采礦裝備智能化建設內容

露天采礦裝備智能化建設主要內容有智能潛孔鉆機、智能牙輪鉆機、智能裝藥車、智能挖掘機、智能卡車、智能推土機及道路養護設備等［3］，形成采礦全流程協同的作業集群。智能裝備支持遠程遙控作業功能，智能卡車具備自主行駛、自主卸載等功能。由于有色金屬礦山開采環境復雜、作業地點分散、生產流程不連續等實際情況，在鑿巖、裝載、運輸、道路養護等采礦重點作業環節，設備分散、動態性強、作業環境不好、存在安全隱患，利用自動控制、人工智能等多種手段，實現自動控制與自主運行，減少操作過程人為因素的干擾，提升生產安全性、優化生產效率。

2.3 采礦裝備智能化系統

采礦裝備智化需要的控制系統配套和支撐。

（1）智能運維系統：通過對設備ECU的數據進行實時采集并解析，實時掌控設備運行狀態、故障診斷，還可以實現設備安全狀態的監管及生產數據統計和分析。

（2）智能駕駛系統：智能駕駛包含遠程操控和無人駕駛。通過網絡通訊設備、遠程遙控臺、車載控制器、數控執行機構等，實現特定作業區內遠程遙控，礦用卡車無人駕駛系統。

（3）卡車調度系統：通過車載終端、通訊設備、調度軟件等實現數據驅動和信息交互，實現車輛實時定位、行為管理、配礦、車輛調度和統計報表等［4］。

3 5G通信技術

2019年5G通信技術開啟了在全球范圍內的商業化步伐，其高傳輸速度、低延時、高可靠性等技術特征得到了迅猛發展。城門山銅礦加快了智能化礦山建設與5G 通信技術融合發展，在采礦作業區、排土作業區域架設了5G基站，信號覆蓋穩定，為采礦裝備智能化的應用提供了無限的場景。

3.1 5G通信技術特性

5G 通信可提供eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC(海量機器類通信)、uRLLC（超可靠、低時延通信）的三大應用場景。系統設計目標達到體驗速率100Mbit/s，峰值速率20Gbit/s，時延1ms。5G網絡是數字蜂窩網絡［5］，容量大，進一步提高頻率的利用效率，頻率可以復用。

3.2 5G通信與采礦裝備智能化的融合

智能駕駛需要低延時、高帶寬、大容量及高可靠性通信網絡。遠程遙控操作的感知體驗需要高清圖像的支持，使得系統帶寬要求不斷提升。5GeMBB業務能夠保證100Mbit/s的下載速率，滿足遠程操控業務需求。5G采用蜂窩移動通訊作為通信子系統大大擴展操作的范圍，能夠保證信號不受干擾，只要有無線信號即可操作。操作時延低，智能駕駛時需要把操控指令低時延下達到設備執行層，嚴格的實時性和準確性，5G通信系統設計最小時延可到1ms，完全滿足實時操控的要求。基于5G的智能駕駛是利用最新的傳感器感知技術、網絡通信技術、數據處理技術、自動控制技術等有機地融合整個交通運輸管理體系中而形成地一種低延遲、精準、高效率綜合管理和控制系統。是智能駕駛地技術基礎［6］。

單車智能化是設備依托傳感設備，包括攝像頭、激光雷達、超聲波等傳感器收集周圍信息，通過車載智能駕駛系統的人工智能算法完成駕駛行為判斷，進而實現智能駕駛操作。網聯化是指基于4G通信技術設計的車聯網無線通信技術（LTEV2X）和5G通信技術設計的車聯網無線通信技術（5G-V2X）構建的通信和計算相結合的車聯網體系架構。實現車內網、車際網和車載移動互聯網三網融合。

4 應用與實踐

2019年城門山銅礦聯合國內大型知名企業聯合研發，攻克了多項技術難題，成功打造出國內有色金屬礦山智能駕駛“中國版”。與山推股份聯合開發全球首臺520大馬力推土機遠程操控系統。與航天重工、江西移動、華為、青島慧拓等成功實現了110t級礦用卡車無人駕駛。成功實現了江西省首例5G網絡點對點連接的目標，解決了無人駕駛卡車并入車聯網平臺技術壁壘，為后續實現無人駕駛智能調度提供了技術支撐。在2019年10月南昌世界VR/AR產業大會上城銅的“5G+VR智慧礦山”展覽受到國內各行業廣泛關注。

利用5G通信網絡特性，通過優化第三代礦用車聯網平臺的智能駕駛系統，已經在+30作業區特定區域實現了遙控推土機和無人駕駛礦用卡車聯合作業，提升了作業高效化，生產安全化。

4.1 SD52-5推土機遠程操控

城門山銅礦聯合山推股份開發了大馬力SD52-5推土機遠程操控，利用了礦區現場建立全覆蓋的5G通信網絡，滿足遠程控制技術對無線傳輸的需求。

在SD52-5大馬力推土機標準配置的基礎上有效融合了智能控制技術和5G通訊技術［7］，整車功能可實現遠程遙控端和車載端均可以操作，通過按鍵可實現功能切換，并提供遠程操控車載硬件及通訊接口、通訊協議，利用遠程操臺將推土機發動機、液壓系統、行走、轉向、工作裝置操縱等指令通過CAN總線信息轉以太網為網絡信號［5］，通過設備端與遙控臺的5GCPE“點對點”連接互通和信息交互（如圖1所示），實現超遠距離操控功能。

圖1 遠程遙控裝置工作原理

為進一步感知推土機周邊影像、視野和聲音情況，增強操作人員真實感，加裝影像采集和聲音采集在操控臺端模擬設備現場作業情況。在推土機駕駛室四周配備4臺網絡攝像機，分別采集鏟刀左右側、車體后端左后側，機頂主視角一臺網絡攝像機，采集的視頻影像通過交換機接入5G CPE設備，將視頻信號傳輸到操控臺。推土機周邊的聲音進行采集與傳輸，可以實現現場遠程操控的仿真感知。車載端數據以5G專網數據管理平臺為依托，可以將礦山推土機的健康度數據：發動機系統、液壓系統、電氣系統等多維度檢測數據把CAN總線信息轉以太網轉換器接入5G CPE，第一時間對設備的故障進行診斷和預警（如圖2所示）。

圖2 遠程操控通信圖

4.2 HT3110電動輪智能駕駛

城門山銅礦聯合航天重型工程裝備有限公司、青島慧拓智能機器有限公司、中國移動通信集團江西有限公司九江分公司、華為技術有限公司等國內知名企業共同研制出5G網絡技術實現HT3110電動輪智能駕駛。在礦區+30排土場打造了無人駕駛工業應用示范區。

該礦用卡車包含一體化直接線控改造，在其上加裝各類傳感器，包括激光雷達、毫米波雷達、慣導、計算單元等，輔以4D光場智能、圖像處理、無線通訊、人工智能系統，應用了礦山高精度地圖控制算法、高精度定位技術、車輛動力學模型搭建等多項關鍵技術，通過先進的自動駕駛控制算法實現系統的整體集成。車體上配備三路攝像機，駕駛室、車前及車斗三路視頻，通過5G CPE實時傳輸視頻到遠端平臺，實現車輛的實時監控。無人駕駛指令通過遠程電腦動態監控和下達。視頻信號與指令信號通過礦卡終端5G CPE與控制終端5G CPE實現信息的互通（如圖3所示）。

圖3 無人駕駛通信圖

礦卡智能駕駛系統首次實現了與礦卡調度系統進行通信（如圖4所示），利用礦山4G專網通信實現數據交互與共享。實現了卡調系統數據驅動礦卡無人駕駛模式，打通了調度系統與智能系統的信息交互與共享［8］。系統可以與有人作業模式的卡調系統進行協議與功能的對接，從而保障了系統的銜接，互相補充，通過海量作業數據的分析自學習提升調度算法的優化，最優化調度策略，卡調在調度指揮下完成裝載-運輸-卸載的典型作業。

礦用卡車的感知駕駛是基于5G通信的車聯網自動控制中實踐的具體體現。其一，感知技術可以通過移動通信技術的信息傳導，實現卡車感知、決策、以及執行三個環節的信息互動；其二，5G技術下車聯網自動駕駛控制時，程序可以依據卡車駕駛操作提供操控規劃。

圖4 智能駕駛自動調度

5 應用實踐體驗

（1）智能駕駛并不等于無人駕駛，基于移動5G網絡的礦區智能駕駛，是5G移動通信技術在礦業最前沿的應用。無人駕駛是智能駕駛的一種，主要依靠車內的以計算機控制系統為主的智能駕駛的目的。智能駕駛則是網絡導航、自主駕駛、人工干預和智能運維有機地結合。無人駕駛是智能駕駛的一個種類。

（2）隨著智能化發展，到無線通訊技術迅猛發展，采礦設備在開發和應用方面也逐步開始了自動化和智能化進程，而自動化和智能化成為無人化開采奠定了基礎。需要加快采礦裝備智能運維系統開發與應用。加速建立采礦設備智能化體系與機制，結合和運用網絡、軟件、采礦數據和模型以及調度優化和全球定位系統技術，構成礦山生產智能化采礦系統。

6 結語

隨著城門山銅礦智能化建設的不斷推進，積極利用5G+智慧礦山深入融合發展，智能采礦賦予將更加豐富，助推礦山高質量發展。礦山智能化與生產管理的深度融合，通過先進的技術和設備引進，實現生產作業無人化、少人化的目標，提高設備運行效率，為有色金屬礦山智能化建設提供城銅智慧。