基于5G網(wǎng)絡(luò)的龐龐塔煤礦智能礦山建設(shè)研究

楊海鵬

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

0 引言

煤礦資源是推動國家快速發(fā)展的重要能源，加大對煤礦資源的開采力度，是政府及企業(yè)重點考慮方向[1]。隨著國家自動化、智能化技術(shù)的不斷提升，為有效提高煤礦的生產(chǎn)效率及井下作業(yè)安全，整個煤礦領(lǐng)域在智能化礦山及智能化煤礦設(shè)備開采等方面紛紛開展了較大程度的智能化升級改造。其中，將當(dāng)前成熟的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到礦山的智能化建設(shè)中，提高整個礦山的智能化程度，已成為當(dāng)前礦山改造的重要方向[2]。

霍州煤電集團呂臨能化有限公司的龐龐塔煤礦礦山是山西焦煤“11236”確立的“六大循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)”之一，集煤炭開采、洗煤加工、綜合發(fā)電為一體，屬零排放、零污染，綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展項目。當(dāng)前我國煤碳生產(chǎn)依然處于智能化程度較低的水平，面臨著生產(chǎn)技術(shù)落后、單班下井人數(shù)多和用工難的問題[3]。為此，通過對龐龐塔煤礦建設(shè)5G無線專網(wǎng)，可實現(xiàn)該礦山的無線覆蓋，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延、高可靠性和海量連接的特性，實現(xiàn)礦山的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合。

因此，開展了龐龐塔煤礦的智能化礦山建設(shè)設(shè)計，并對建設(shè)后的智能化礦山運行情況進行了綜合評價，驗證了此礦山的高效性。此研究為將龐龐塔煤礦打造成“國際一流、國內(nèi)領(lǐng)先”的“安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展”的新型智能化礦井奠定了重要基礎(chǔ)。

1 智能礦山建設(shè)架構(gòu)設(shè)計

龐龐塔煤礦的智能化建設(shè)內(nèi)容可分為智能化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、安全智能化建設(shè)、管理智能化建設(shè)、生產(chǎn)智能化系統(tǒng)建設(shè)4大類。各類智能化系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。龐龐塔礦智能礦山的總體架構(gòu)包括了設(shè)備感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用層等，能有效實現(xiàn)對整個礦山的智能化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析運算及物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺監(jiān)控等功能[4]，具體功能及設(shè)計內(nèi)容見表1。

表1 龐龐塔礦智能化礦山總體架構(gòu)

圖1 龐龐塔煤礦智能化總體框架

2 礦山中5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)架構(gòu)設(shè)計

龐龐塔煤礦中所設(shè)計的5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)采用了萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由萬兆IPRAN環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)管服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度系統(tǒng)、接入層網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)及相關(guān)配套設(shè)備組成，如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)可用于實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)以及工業(yè)環(huán)網(wǎng)中設(shè)備的接入和承載。通過統(tǒng)一建設(shè)的IPRAN環(huán)網(wǎng)同時承載移動環(huán)網(wǎng)和工業(yè)環(huán)網(wǎng)，真正實現(xiàn)井下“一張網(wǎng)”[5]。所設(shè)計的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各模塊的特點如下：

圖2 龐龐塔煤礦中5G組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1）礦用5G移動通信網(wǎng)絡(luò)由地面的核心網(wǎng)元（4G核心網(wǎng)、5GMEC）、基帶控制單元（BBU）、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)匯聚單元（RHUB）、微型射頻拉遠(yuǎn)單元（pRRU）、5GCPE等設(shè)備構(gòu)成。

2）核心網(wǎng)（4G）的功能主要是提供井下無線網(wǎng)絡(luò)的注冊和控制、業(yè)務(wù)的鑒權(quán)、語音和數(shù)據(jù)的交換等功能。

3）5GMEC的功能主要是提供園區(qū)5G業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流，通過MEC使得數(shù)據(jù)流指向本地，不出園區(qū)。

4）基帶控制單元（BBU）的主要作用是完成信號的基帶處理，提供傳輸管理及接口，管理無線資源。

5）基站由基帶控制單元（BBU）、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)匯聚單元（RHUB）、微型射頻拉遠(yuǎn)單元（pRRU）組成，主要功能和作用是提供井下5G無線信號覆蓋。

3 智能礦山綜采工作面設(shè)計

3.1 綜采自動化集中控制技術(shù)分析

構(gòu)建一套高效、便捷的集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對工作面主要設(shè)備單機控制系統(tǒng)的有機整合（包括采煤機、液壓支架、運輸設(shè)備、供電設(shè)備、供液設(shè)備等）；并通過合理的工藝編排，通過5G無線網(wǎng)絡(luò)和IPRAN工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)雙線路系統(tǒng)實現(xiàn)在井下巷道監(jiān)控中心和地面指揮控制中心的集中控制和“一鍵啟停”[6]。綜采自動集控結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 綜采自動集控結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作面防片幫智能控制技術(shù)分析

建立了基于應(yīng)力路徑效應(yīng)的煤壁“拉裂--滑移”力學(xué)模型，對工作面煤壁片幫區(qū)域進行提前預(yù)知，結(jié)合煤機精準(zhǔn)位置分階段調(diào)整煤機滾筒附近液壓支架護幫板收伸狀態(tài)，形成煤壁片幫條件下液壓支架自動跟機工藝。通過護幫板壓力傳感器、行程傳感器和雙向聯(lián)動液壓鎖實現(xiàn)自適應(yīng)精準(zhǔn)控制。工作面防片幫智能控制示意圖如圖4所示。

圖4 工作面防片幫智能控制示意圖

3.3 大采高工作面底軟智能控制技術(shù)分析

針對工作面底板軟弱區(qū)域進行提前預(yù)知（感知、視頻等手段），運用機器學(xué)習(xí)、通過液壓支架多次降架，完成對工作面底板軟弱條件下的智能化處理，并形成底板軟弱條件下液壓支架自動跟機特殊工藝。大采高工作面底軟智能控制示意圖如圖5所示。

圖5 大采高工作面底軟智能控制示意圖

綜上所述，目前智能綜采面目前較為先的標(biāo)志是指采用具有感知能力、記憶能力、學(xué)習(xí)能力和決策能力的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等綜采裝備，以自動化控制系統(tǒng)為核心，以可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控為手段，實現(xiàn)綜采工作面采煤全過程"無人跟機作業(yè)，有人安全巡視"的安全高效開采技術(shù)。

4 智能礦山全面感知平臺設(shè)計

4.1 智能視頻分析

為礦山智能化應(yīng)用提供通用的視覺感知行業(yè)基礎(chǔ)平臺，在井下IPRAN工業(yè)環(huán)網(wǎng)利用切片通信技術(shù)劃分出獨立的傳輸通道、通過5G的高清視頻監(jiān)測體系，將礦山各類視頻監(jiān)控資源接入視覺感知平臺，在不需要人為干預(yù)的情況下，通過對視頻圖像進行自動分析，實現(xiàn)對礦山工作場景中目標(biāo)的定位、識別和跟蹤，并此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，從而做到既能完成日常管理又可在異常情況發(fā)生時及時做出預(yù)警告警等響應(yīng)、輔助決策，智能視頻分析界面如圖6所示。此視頻界面能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

圖6 智能視頻分析界面

1）監(jiān)控報警：攝像頭總數(shù)、在線數(shù)、離線中的設(shè)備信息及報警數(shù)量、報警模型統(tǒng)計分析。

2）實時監(jiān)控：通過拖拽和選中的形式對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行實時展示。

3）視覺感知：對攝像頭識別到的各類報警模型進行匯聚展示。

4）對采集的圖像進行智能視頻分析。要通過人工智能、機器學(xué)習(xí)等先進的信息化技術(shù)對視頻進行分析，及時發(fā)現(xiàn)人的不安全行為（如人員受傷、人員違章、人員聚集、人員奔跑等）、現(xiàn)場的不安全狀況（如發(fā)生火光、煙霧、出水、粉塵、巷道垮塌、煤壁片邦等）、設(shè)備的不安全狀況（如皮帶打滑、設(shè)備異常等）。

4.2 智能皮帶損傷檢測和定位系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)的功能是通過人工智能圖像識別技術(shù),實時準(zhǔn)確抓取皮帶表面的損傷,并通過自動定位技術(shù)實現(xiàn)每個損傷的位置跟蹤和定位.提供多條皮帶多損傷整體運行的狀態(tài)展示.，而且能夠控制皮帶動力系統(tǒng)將用戶指定的損傷自動停到指定的檢修區(qū)。

通過以上功能來減少皮帶損傷檢測定位和維修的難度,以達到增加皮帶使用壽命和減少人力資源的目的。智能皮帶損傷檢測和定位具有以下特點：①準(zhǔn)確抓取皮帶表面損傷,精確度高；②皮帶表面損傷分級管理,整體展示；③損傷精確定位到米級；④精準(zhǔn)制動,確保指定損傷停機后位于檢修區(qū)；⑤AI深度學(xué)習(xí)，確保損傷不漏檢：⑥減少皮帶維護難度,增加皮帶壽命,節(jié)約人力成本。

5 智能礦山的實際運行評價

為進一步驗證所設(shè)計的智能礦山的各項功能特點，在完成系統(tǒng)設(shè)計及施工建設(shè)后，開展了該智能礦山的實際應(yīng)用測試。在該智能礦山運行過程中，整套系統(tǒng)運行正常，數(shù)據(jù)傳輸速度較快且信號穩(wěn)定，在監(jiān)控平臺上所監(jiān)控的數(shù)據(jù)無干擾信號影響，井下作業(yè)的采煤機、掘進機、液壓支架等設(shè)備均能通過遠(yuǎn)程方式進行設(shè)備的遠(yuǎn)程操作及控制，并將各設(shè)備的運行狀態(tài)通過智能視頻界面進行實時顯示，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障報警時，視頻界面能將設(shè)備的故障類型及故障發(fā)生進行實時顯示，人員只需通過故障提示內(nèi)容快速進行設(shè)備維修。智能礦山運行后，整個龐龐塔煤礦的煤礦開采量及開采效率顯著提高，人員的勞動強度也大大降低，所達到的運行效果較為明顯。

6 結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸、提高信息準(zhǔn)確性及作業(yè)安全性的重要保障。將5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到煤礦的智能礦山建設(shè)中成為一個必然的發(fā)展趨勢。為此，從智能綜采工作面、5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、視頻界面等多方面開展了龐龐塔煤礦的智能礦山建設(shè)設(shè)計，并對建好的智能礦山進行了運行評價，結(jié)果顯示，該智能化礦山運行良好，能實現(xiàn)對礦井設(shè)備的智能化遠(yuǎn)程操作控制及狀態(tài)高清顯示，提高了礦井的開采效率及開采量，故障報警功能及故障排除效率大大提高。此研究對推動龐龐塔煤礦智能化技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新改造起到了重要支撐作用。