基于5G的水泥行業(yè)數(shù)字礦山應用場景及網(wǎng)絡建設難點

趙慧杰，張學智，謝東

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209； 2.中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

5G具備更低的時延、更高的速率、更大的接入數(shù)量、更高的穩(wěn)定性，有望成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡基石，解決工業(yè)設備互聯(lián)互通、設備上云的數(shù)字化轉(zhuǎn)型難題。2019年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》，指出到2022年，將突破一批面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特定需求的5G關(guān)鍵技術(shù)，加快垂直領(lǐng)域“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的先導應用，內(nèi)網(wǎng)建設改造覆蓋10個重點行業(yè)。2021年1月13日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021－2023年）》，明確提出到2023年，進一步完善新型基礎(chǔ)設施，在10個重點行業(yè)打造30個5G全連接工廠。

我國是水泥生產(chǎn)和消費大國，水泥產(chǎn)量占世界水泥總產(chǎn)量的60%左右。水泥行業(yè)作為我國建材工業(yè)的最大板塊、基礎(chǔ)建設的重要工業(yè)之一，面臨淘汰落后產(chǎn)能、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推進企業(yè)聯(lián)合重組、化解產(chǎn)能過剩、加快兩化融合、實施智能制造戰(zhàn)略的發(fā)展需求，處于行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，需要應用5G網(wǎng)絡融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對企業(yè)安全生產(chǎn)和精益管理等方面進行整體提升。5G通信網(wǎng)絡結(jié)合人工智能、無人機、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，將加速水泥行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推動其高質(zhì)量發(fā)展。

水泥工廠為節(jié)約運輸成本，就近加工，通常靠近礦山而建，涉及礦區(qū)開采、礦石研磨、生料加工、回轉(zhuǎn)燒結(jié)、熟料加工、成品儲運等環(huán)節(jié)，作業(yè)區(qū)域主要為礦山、廠區(qū)（工廠產(chǎn)線）兩大部分。其中，在空曠的礦區(qū)存在安全問題突出，作業(yè)環(huán)境惡劣、招工難、生產(chǎn)效率低下等問題。水泥行業(yè)石灰石開采屬于典型的露天礦模式。光纖接入困難，傳統(tǒng)4G蜂窩網(wǎng)帶寬不足且穩(wěn)定性安全性欠佳。5G作為新一代無線通信技術(shù)，是礦山網(wǎng)絡覆蓋的理想解決方案。本文分析了礦山5G應用的主要場景及網(wǎng)絡訴求，結(jié)合水泥5G數(shù)字礦山實際部署經(jīng)驗，重點分析了目前網(wǎng)絡建設的難點，并提出了初步解決方案及建議。

2 5G智慧礦山業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求

5G水泥行業(yè)智慧礦山的業(yè)務場景主要有無人機礦山爆破警戒、無人機礦山3D建模、礦車無人駕駛等。

2.1 無人機礦山爆破警戒

水泥生產(chǎn)所需的礦石原料開采需預先對礦區(qū)進行爆破，以使埋在地下的礦石暴露，因此礦區(qū)的爆破是礦石原料開采的一個重要環(huán)節(jié)。水泥原料石灰石礦山大多處于半開放狀態(tài)，覆蓋范圍幾千米，周圍難以完全封閉，時常有村民誤入。在礦坑爆破前，需要拉警戒線避免人員闖入被炸傷，傳統(tǒng)通過人工巡檢方式效率低下，且存在巡檢范圍死角，無法完全杜絕人員誤入，目前礦山仍普遍存在爆破引起人員死傷的情況。通過5G無人機航拍巡檢，結(jié)合AI圖像識別和人員定位，可實現(xiàn)智能爆破警戒，無人機加載4K超高清攝像機，通過5G大帶寬、低時延網(wǎng)絡，實時將現(xiàn)場視頻傳到邊緣計算服務器，在邊緣端部署AI算法實時檢測人、動物、礦車等異常情況并實時告警，同時可在無人機加載高音喊話裝置，用于驅(qū)散閑散人員。中國電信通過與客戶合作試點，實現(xiàn)將警戒覆蓋范圍從500 m擴大到2 km，將原來2 h的人工檢查工作量降低至0.5 h，有效地提高了生產(chǎn)效率，減小了安全事故發(fā)生系數(shù)。

5G無人機AI爆破警戒的主要業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求見表1。

表1 5G無人機AI爆破警戒主要業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求

2.2 無人機礦山3D建模

礦山開采后需及時更新地形地表信息，傳統(tǒng)方式為通過軟件手工輸入采礦點、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，再由軟件自動生成數(shù)據(jù)，效率較低，準確性差。通過無人機航拍礦山地表信息，通過5G網(wǎng)絡回傳到地面接收裝置，進行預處理，預處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給3D建模服務器（可部署在本地MEC或云服務器上），實現(xiàn)礦山三維建模，自動完成環(huán)境掃描和地圖刷新，進一步通過行業(yè)軟件，進行土方量測算及挖掘車運輸車的路線及排產(chǎn)規(guī)劃，該系統(tǒng)能有效提高水泥礦山開采生產(chǎn)效率和自動化智能化管理水平。由于基于目前業(yè)界的運算能力，礦山建模運算要一周的時間，在此基礎(chǔ)上還需要人工進行調(diào)整，因而對于該場景實時性要求較低。

5G無人機礦山3D建模的主要業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求見表2。

表2 5G無人機礦山3D建模的主要業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求

2.3 礦車無人駕駛

礦山主要車輛類型有運輸車、挖掘機、加油車等。通過礦山質(zhì)量信息安排排班計劃系統(tǒng)結(jié)合礦卡調(diào)度系統(tǒng)給運輸?shù)V卡車輛下發(fā)駕駛指令，車輛根據(jù)指令要求的行駛路線自動駕駛到目的挖掘地點，并實現(xiàn)倒車入位、精準停靠、自動傾斜等車輛控制行為。通過5G網(wǎng)絡可以實現(xiàn)車輛監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)，除采集車輛實時運行信息、設備油耗數(shù)據(jù)、車輛位置信息等基本運行數(shù)據(jù)外，還可通過多路超高清攝機用于對車內(nèi)駕駛員視野和車外路況的監(jiān)控。單車需要5～7路高清攝像機。4～6路車身攝像機和1路車內(nèi)攝像機，可增加視覺輔助能力，對遠距離和多目標進行實時自動識別。由于石灰石礦山存在大量山坡地形，運載路線通常沿山坡從山上向山下運行，礦車載重約105kg，慣性極大，當?shù)V車行駛出現(xiàn)異常情況，需要遠程干預，接管車輛控制駕駛權(quán)限時，因而需要較大的提前量判斷，單向網(wǎng)絡時延要求較高。以礦車行駛速度為30 km/h測算，1 m制動距離僅有120 ms反應時間，其中扣除機械傳導大約50 ms，軟件運行10 ms，視頻處理30 ms，網(wǎng)絡反應時延僅剩30 ms。

礦車無人駕駛主要業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求見表3。

表3 礦車無人駕駛主要業(yè)務場景及網(wǎng)絡需求

3 5G網(wǎng)絡礦山覆蓋案例分析

水泥石灰石礦山多為地上露天礦，按照地形條件分類又存在山坡露天礦和凹陷露天礦兩種。礦山地形復雜且供電困難，光纖布放受限，礦坑低于地平面，道路、作業(yè)易被山體遮擋，網(wǎng)絡覆蓋差，存在站址選擇難、覆蓋存盲區(qū)、礦山三維建模困難的問題與挑戰(zhàn)。本文選取某客戶礦區(qū)開展了5G網(wǎng)絡覆蓋試點驗證。

3.1 礦山5G網(wǎng)絡覆蓋方案

礦區(qū)采用3.5 GHz 64T64R室外站進行網(wǎng)絡覆蓋，根據(jù)地形條件，確定了位于礦區(qū)周邊3個高點的基站部署位置，基站對礦區(qū)內(nèi)部進行宏基站覆蓋。

3.2 網(wǎng)絡測試結(jié)果

采用路測（drive test，DT）方法，對5G網(wǎng)絡的相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行了測試。通過測試獲得的礦山平均小區(qū)參考信號接收強度（reference signal received power，RSRP）為?87.90 dBm，平均覆蓋率為99.87%，達到了UL 25 Mbit/s、DL 300 Mbit/s、邊緣覆蓋98 dBm的建網(wǎng)標準。為進行對比，表4列出了礦山和廠區(qū)的路測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出，礦山5G信號強度和覆蓋率等性能指標都與廠區(qū)覆蓋的效果存在一定差距。

表4 礦區(qū)5G網(wǎng)絡覆蓋路測數(shù)據(jù)

3.3 覆蓋方案仿真與分析

對5G網(wǎng)絡的RSRP和PDCP下行吞葉量（PDCP throughput downlink，PDCP Thr.D）等相關(guān)網(wǎng)絡性能參數(shù)進行熱力圖仿真，進一步分析網(wǎng)絡覆蓋問題。

在礦山的南面部署了5G基站1、5G基站2，在礦山北面部署了5G基站3，3個基站約呈等腰銳三角形分布。在礦區(qū)范圍內(nèi)，北面的基站3下方大約200 m處出現(xiàn)了夾雜區(qū)域（圓圈標識位置），信號覆蓋較差。5G數(shù)字礦山網(wǎng)絡覆蓋熱力圖如圖1所示。

圖1 5G數(shù)字礦山網(wǎng)絡覆蓋熱力圖

結(jié)合現(xiàn)場地形勘察，基站采用抱桿建設。抱桿架設高度為4～5 m，山體較采掘平面高度為25 m左右。基站3部署所處的山坡垂直角度為70°～80°，由于石灰石礦山由于沿山坡開采，平面呈階梯多層級分布（如圖2所示），就基站3單點情況的平面分析如圖3所示，其中陰影部分即非視距通信區(qū)域，對應信號較差區(qū)域。綜合以上所有分析，可以判斷圖1中圓圈標識區(qū)域信號覆蓋較差的原因為近處的低洼區(qū)域受到山體遮擋。站點高度及天線下傾角受限、山石遮擋環(huán)境形成了穿透損耗場景以及多徑干擾等原因，造成了部分區(qū)域覆蓋率不足以及信號強度弱的問題。

圖2 石灰石山坡露天礦山開采地貌

圖3 信號受山體遮擋平面分析

4 5G 數(shù)字化礦山建設難點

通過項目實踐及分析，5G水泥行業(yè)礦山存在較多難點。

（1）網(wǎng)絡配套設施建設難度大，費用高

礦山地處郊區(qū)，沒有直接可用的電源和光纖，且礦山內(nèi)部由于爆破地形隨時變化，無法鋪設管線，需要從山的背面引入電纜和光纖。為了盡可能高地架設基站，采用4～5 m高的雙抱桿形式，為后續(xù)架設4G基站預留點位，單站配套建設成本在60萬～70萬元，耗費人力物力巨大，且后續(xù)維護存在較大困難。

（2）室外網(wǎng)絡規(guī)劃無成型工具，主要依靠經(jīng)驗

目前暫無結(jié)合礦山地形及3D經(jīng)緯度、海拔數(shù)據(jù)的礦山5G網(wǎng)絡仿真成熟產(chǎn)品。實際項目主要根據(jù)現(xiàn)場條件、專家經(jīng)驗靜態(tài)配置選址，實際部署網(wǎng)絡后通過路測獲得網(wǎng)絡性能指標，發(fā)現(xiàn)問題后通過波束成形等方式對天線覆蓋范圍進行調(diào)優(yōu)，部分區(qū)域甚至需要建站補點，建網(wǎng)效率和智能化有待提高。5G相比傳統(tǒng)3G/4G而言，網(wǎng)絡將更加復雜和立體。與低頻無線傳播特性相比，高頻對無線傳播路徑上的建筑物材質(zhì)、植被、雨衰/氧衰等更敏感，LOS和NLOS場景下，高頻相比低頻，鏈路損耗將分別增加16～24 dB和10～18 dB。同時隨著大規(guī)模 MIMO天線、復雜天線成形技術(shù)的出現(xiàn)，多徑建模的重要性凸顯，缺乏多徑小尺度信息，將很難保證網(wǎng)絡規(guī)劃準確性。因此，基于高精度礦山三維坐標地圖和具備多徑建模的射線追蹤傳播模型在5G無線網(wǎng)絡規(guī)劃中具有不可替代的作用和地位。

（3）礦山不斷被開采引起網(wǎng)絡覆蓋動態(tài)變化

由于礦山被不斷開采，礦山地形逐年變化。一座典型的石灰石礦山采掘壽命在30～50年不等。隨著爆破和不斷開采，采掘面逐年降低，形成坑狀地形。目前采用的抱桿掛載AAU的方式，方向角較為固定，由于3.5 GHz 64T64R AAU重量可到40 kg，部署面傾斜角度受限，一般為15°～20°，因此對部署高度和范圍要求較高。由于2B 5G客戶專網(wǎng)通常由某家運營商負責，并不涉及三家共享，鐵塔公司不會介入建塔，因而站點的部署高度條件有限，在某種程度上也對覆蓋造成影響。對于網(wǎng)絡帶寬要求不高的場景，采用RRU+電調(diào)天線的方法解決部署角度變化問題。天線大約15 kg，可以90°垂直部署，能夠解決未來地面下沉后，網(wǎng)絡覆蓋變化的問題。在保障其可靠性與時延的同時，降低單站成本（從設備和配套均能降低）。

5 結(jié)束語

5G水泥行業(yè)數(shù)字礦山網(wǎng)絡建設需結(jié)合實際2B客戶業(yè)務需求規(guī)劃網(wǎng)絡建設，完善室外網(wǎng)絡仿真工具，提高網(wǎng)絡建設智能化水平，進而提升建網(wǎng)效率、降低成本。根據(jù)客戶實際業(yè)務需求，可通過使用機器學習、深度學習等智能化手段，進行3D MIMO天線參數(shù)配置在不同場景下的快速靈活配置，以便適應未來礦山地表形態(tài)的變化，從而完成客戶業(yè)務的最小成本建網(wǎng)，更好地實現(xiàn)項目的商業(yè)邏輯自洽和未來的建網(wǎng)復制。同時，在政策上，鐵塔公司成立后，運營商無法自建鐵塔的規(guī)定在5G 2B場景上是否繼續(xù)適用還有待進一步探討和商榷。抱桿承重和高度有限，這給網(wǎng)絡覆蓋帶來了一定后續(xù)影響。2B網(wǎng)絡主要用于企業(yè)生產(chǎn)，通常由某一運營商承建，企業(yè)單獨所有，基本不存在多運營商共享的問題，建議政策上可以進一步松綁，以釋放5G專網(wǎng)建設的自由度，促進產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。