露天礦山場景下5G專網及應用賦能的探討

王忠新，趙晨陽，劉中國（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

1 智慧礦山推進歷程

近年來，國家陸續出臺多部政策推進智慧化礦山進程，2016 年國土資源部發布的《全國礦產資源規劃（2016—2020年）》，明確提出未來5年要大力推進礦業領域科技創新，加快建設數字化、智能化、自動化礦山?！秶夷茉窗踩珣鹇孕袆佑媱潱?013—2020）》明確提出“節約、清潔、安全”，建成集約、安全、高效、綠色的現代先進高效的智慧礦山，促使礦山企業生產效率大幅提升?！吨袊圃?025》《“互聯網+”行動的指導意見》（2015—2018 年）行動計劃的出臺，契合了十八大會議精神，打造了創新型智慧礦山，推動了傳統礦山企業轉型升級。

另一方面，5G 以全新的網絡架構和高帶寬、低時延、海量連接的能力，成為各垂直行業智能化轉型的關鍵。將5G技術應用于智慧礦山，可以實現礦山生產運營環節的智能感知、泛在連接、精準控制，催生多個智慧礦山成熟應用場景，比如智能開采、智能掘進、智能巡檢、無人礦卡等。5G 與智慧礦山的深度融合將促進礦山數字化、少人化、無人化的轉型，提升企業的安全生產水平，降低生產成本，提高經濟效益。

某露天礦山是中國境內的特大型露天鉬礦田，為實現礦山智能感知、智能決策、智能控制要求，滿足透明礦山可視化、各要素實時互聯、海量感知數據精準實時采集傳輸、智能控制無線化等需求，結合鉬礦行業特點、智慧礦山應用與發展趨勢，設計了基于5G 專網+應用賦能的整體方案，進而實現智慧礦山多專業、多部門的協同應用作業。

2 礦山場景5G專網建設方案

2.1 露天礦山對5G網絡的需求

露天礦開采具有開采規模大、基建時間短、機械化程度高和作業條件復雜等特點，生產過程中無線網絡的不穩定性與機械設備的移動性會影響信息傳輸的時效性和穩定性。對露天礦山而言，5G網絡可解決4G/Wi-Fi 網絡傳輸信息延時大、丟包多、成本高的問題，讓礦山的遠程操作、無人駕駛、無人機巡檢視頻傳輸實現真正的實時傳輸，將礦山打造成為數字化、矢量化、可視化、智慧化的生產運維管理平臺，更快更好地實現露天礦山建設和開采目標。

2.2 露天礦山5G專網方案

整體方案：露天礦山的5G專網整體網絡架構如圖1 所示，礦區生產設備終端通過CPE、DTU 接入或直接接入廠區5G基站，UPF分流網關下沉至部署在廠區機房的MEC，MEC 平臺提供共享云化資源部署礦區智慧應用，對遠程駕駛、無人駕駛、無人機巡檢等業務流量進行本地處理，在礦區機房部署防火墻做好平臺與內網的隔離，通過防火墻設置可信資源和非可信資源，防御病毒入侵，并由運維人員為終端分配園區專網的IP 地址段，通過防火墻策略僅允許特定終端接入，礦區至中國聯通核心機房通過專線進行數據傳輸，可滿足客戶訪問公網的需求。

圖1 整體網絡方案拓撲圖

核心網組網方案：露天礦5G 專網采用SA 組網方案，MEC 節點部署在礦區本地機房，采用“網絡+平臺”的ICT 融合模式，網絡側提供分流及配置能力、平臺采用中國聯通自主研發的CUC-MEC 平臺，并在平臺上部署礦區的應用。專網采用分流專享+平臺專享部署模式，分流網元UPF/GW-U 及平臺均部署在礦區接入機房，分流網元和平臺均為礦區專享。對于礦區業務，分流網元將流量分流至本地平臺，為礦區提供服務，適用于無人駕駛等對時延要求比較高的5G應用。

無線組網方案：根據5G 智能化礦山的整體需求，考慮露天礦山實際使用場景，礦區的無線網方案中共規劃建設4 個5G 基站，其中采礦區3 個，采礦辦公區1個，實現采礦區、采礦辦公區5G 信號全覆蓋。采礦區南北長約1 200 m，東西寬約800 m，根據網絡覆蓋現狀及無線環境，新建的3個站點采用12 m高H桿，可全覆蓋采礦區。采礦區1號基站位于采礦區西側道路半坡處，覆蓋采礦區西北區域；采礦區2號基站位于采礦區進口道路西側坡頂，覆蓋采礦區東南區域；采礦區3號基站位于采礦區礦坑中部道路斜坡上，覆蓋采礦區中東北區域。辦公樓以北約60 m 山坡上有1 個基站，為山頂拉線塔，為實現辦公區域的5G 信號覆蓋，計劃在原有基站（利舊）上增加1套5G設備。

傳輸網方案：前傳是由距離最近的中國聯通某支局新建一條72芯架空光纜至礦區機房，從機房接一條3 km 48 芯架空光纜至采礦區，采礦區內新建24 芯架空/直埋光纜至各個基站；回傳線路為礦區5G 專網新建接入環路，新建3 套華為ATN-980C 傳輸接入設備和3架綜合柜。

3 基于5G的智慧礦山應用賦能

本文針對礦山實際應用場景，基于5G 網絡大帶寬、低延時、廣連接的特點，打造“1+1+N”系統架構，面向礦企集團提供一張網，一個工業互聯網平臺，N個礦井邊緣云節點，通過“5G 網絡云化”，實現3T（IT、OT、CT）融合。該系統架構可拉通“云-邊-網-端”，通過全量數據的采集處理，打造統一的智慧礦山體系。露天礦山可基于此架構，部署遠程駕駛及三維虛擬礦山等應用。

3.1 5G遠程駕駛系統

遠程駕駛系統分為車載終端（無人挖掘機）和控制終端（遠程遙控座艙）2 個模塊。車載終端安裝在挖掘機車體上，接收并執行控制終端的指令，回傳車輛動作信息和狀態信息，并采集上傳作業環境視頻?？刂平K端（遠程遙控座艙）采集發送動作控制指令，接收顯示車輛動作信息和狀態信息。車載終端和控制終端的雙向數據傳輸和單向圖像傳輸通過5G 終端模塊CPE 和5G 網絡相互連通，以形成控制閉環，便于操縱人員在控制臺對挖掘機進行遠程操作。5G 網絡的大帶寬、低延時特點可滿足該方案對網絡實時性、視頻傳輸高帶寬的要求。無人駕駛挖掘機整體架構如圖2所示。

圖2 無人駕駛挖掘機總體方案圖

基于5G 網絡的遠程遙控履帶式挖掘機方案包括無人駕駛挖掘機、遠程遙控座艙或控制室、5G 通信網絡、5G 通信終端CPE、攝像頭及相關控制設備。遠程遙控座艙或控制室可分布在礦區辦公區域或礦區之外，根據礦區工況需求布局場地環境攝像頭、無人駕駛挖掘機或者其他無人設備，在挖掘機的駕駛室、動臂上布置高清攝像頭和VR 全景攝像頭，采集挖掘機作業場景實時圖像，經過視頻處理（影像拼接和編碼壓縮）后，通過5G 網絡傳輸到遠程遙控座艙或控制室。遠程遙控座艙或控制室接收、解碼視頻信號后，在遠程遙控座艙分屏顯示挖掘機作業場景的實時畫面，或在VR 一體化頭盔上顯示全景視頻。多個攝像頭同時采集視頻，操作者可以切換不同視角以觀察現場不同方位的圖像視頻。挖掘機通過加裝的車體傾角傳感器測量車身的姿態角度，監控當前路面的平整度（車輛前進需要保證路面平整）。當檢測到車輛側傾或坡度角超過告警值時，控制器控制電鏟停止行進，并向駕駛員發送告警信號，無人駕駛系統網絡架構如圖3所示。

圖3 無人駕駛挖掘機網絡架構圖

3.2 三維虛擬礦山技術

三維虛擬礦山方案是在低精度場景下，系統平臺通過3D 立體實景建模與GIS 數據實時監控結合，實現360°模擬展示現場環境，立體展示實景礦山，監控生產數據、環境數據和工作車輛狀態，維護設備的正常運營，從而減少值守工作人員，最終實現遠端的無人或少人值守，達到減員增效的目的；涉及高精度應用場景時，系統平臺通過無人機傾斜攝影、Unity3D 技術進行等比例建模，以實現現場工況、車輛狀態的實時高精度呈現。圖4所示為三維虛擬礦山示意圖。

圖4 礦山三維建模圖

無人機傾斜攝影建模系統結合無人機、自動充電、5G、云計算、人工智能、圖像處理等技術，可實現航線獲取、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建等功能。系統可根據地圖上提前設定的航點為無人機自動生成航線，同時系統可為每個航點單獨設置豐富的航點動作，調整航點的飛行高度、飛行速度、飛行航向、云臺俯仰角度等參數。對于精細化飛行任務，系統還可在已建好的二維正射地圖或三維模型上進行航點規劃，規劃效果更直觀。選定目標區域后系統可自動規劃出1 組正射航線和4 組不同朝向的傾斜航線。全面的視角可以構建更高精度的實景三維模型，同時支持設置傾斜云臺角度等參數以滿足不同的場景需求?；谕蕉ㄎ?、地圖構建和影像正射糾正算法，在飛行過程中實時生成二維正射影像，實現邊飛邊出圖。該系統在作業現場就能及時發現問題，靈活采取更具針對性的應對措施；可根據不同角度的拍攝影像，自動生成高精度的實景三維模型。在已建模型上，系統可輕松測量出目標對象的坐標、距離、面積、體積等多種關鍵數據，為進一步分析決策提供數據支撐。

4 結束語

智能礦山是基于物聯網、云計算、大數據、人工智能、5G 等技術，集成各類傳感器、自動控制器、傳輸網絡、組件式軟件等，形成一套智慧體系，能夠主動感知、自動分析，依據深度學習的知識庫，形成最優決策模型并對各環節實施自動調控，實現安全高效的設計、生產和運營管理。“無人”是智慧礦山的最高形式，即開采面、掘進面、危險場所和大型設備均無人作業，所有工作通過機器人和智能設備完成。

預計到2022年初步形成重要環節的信息化傳輸、自動化運行技術體系，基本實現掘進工作面減人提效、綜合機械化回采工作面內少人或無人操作、井下和露天礦固定崗位的無人值守與遠程監控，實現多種類型、不同模式智能化示范礦山。2025 年形成礦山智能化建設技術規范與標準體系，實現智能化決策和自動化協同運行，重點崗位機器人作業，露天礦實現智能連續作業和無人化運輸，大型礦山實現智能化。2035 年構建多產業鏈、多系統集成的礦山智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執行的智能化礦山，實現無人化礦山生產。