雙5G網絡下露天智能礦山系統構建與應用

葛虎勝 宮福會 孫炎炎 況鍋明 彭南竹 梁 超 胡建華

(1.洛陽有色礦業集團嵩縣礦業有限公司,河南 嵩縣 471000;2.欒川龍宇鉬業有限公司,河南 欒川 471000;3.洛陽有色礦業集團公司,河南 洛陽 417000;4.長沙迪邁數碼科技股份有限公司,湖南 長沙 410083;5.福州大學紫金地質與礦業學院,福建 福州 350108)

隨著新一代信息技術與智能化技術加速融合,智能化已成為各行業的發展新趨勢[1]。全國產業轉型發展攻堅全面展開,“新三大改造”即智能化改造、綠色化改造和技術改造深入推進,智能化發展的步伐得到了明顯加速,呈現出巨大的發展潛力。加之《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》《新一代人工智能發展規劃》《智能制造工程實施指南(2016—2020)》等相關政策文件的出臺,對智能化發展給予了支持和指導[2]。有色金屬露天礦山作為傳統和基礎產業載體,整體智能化水平較低,較多崗位還是采用人工操作,員工不僅勞動強度大、工作效率不高,還存在較多安全風險。礦山智能化建設在降低勞動強度、提升安全管理、減人增效方面的優勢日益突出,是礦山企業提升核心競爭力的有效手段[3-6]。智能化建設不僅是礦山企業深化改革的迫切需求,也是生產安全發展的必然選擇。現階段,在礦山智能化建設中普遍存在開采生產設備多、開采管控難度大、生產流程不連續、安全管理難度大、轉型升級壓力大等技術難點。露天礦山智能化改造方面主要存在網絡滯后、阻滯及傳輸時延等問題,造成智能調度的不連續、不穩定及不實時,無法實現對現場采礦作業實時查看、實時管控,影響了礦山安全生產[7-9]。露天礦山在設備、采礦、安全及數據管理中,存在多部門、多人員等數據分散和失真等問題,易造成數據的不安全性。如露天礦山配礦工作是由人工取樣后送至檢測中心利用化學方法進行化驗;檢測中心報送化驗結果以后,地質技術人員根據化驗數據計算各爆堆的礦石品位,人工確定配礦比例,鏟裝運輸按該比例出礦,但人工編制配礦比例時存在半車或1/3車的現象,現場實際中無法操作,導致單班出礦品位與配礦不一致,造成單班品位波動。特別是大型露天礦山調度指令、稱重及采礦等數據多樣,紛繁復雜,如何將數據歸類、統一且容易調取和利用,解決數據“孤島”問題,實現數據流共享互通、相互流轉,是大型露天礦山亟待解決的難題[10-12]。

本研究以南泥湖鉬礦為例,結合該礦實際安全生產情況,總結建設經驗,提出了“12341”露天采礦智能化建設新模式,即圍繞“高效開發、安全應急管理、資源合理利用系統建設”為中心,以雙5G通信網絡1個系統,構建即時信息控制和云服務基礎數據2個中心,開發智能采礦管控、綜合生產執行、三維可視化管控三大平臺,融合安全生產監測預警系統、雙重預防機制、可視化監控、電子圍欄及防碰撞系統等四大安全應急裝備系統,探索露天礦山無人鏟裝的一種新模式,實現露天礦山開采全過程的數字化、智能化、本安化目標,并成功應用于露天生產過程與安全管理,促進了礦山的智能化建設與發展。

1 雙5G通信網絡系統與數據中心構建

1.1 雙5G通信網絡

通過在露天礦山引進和建設5GF和5G網絡技術并開展應用,鏈接承載配套5G網絡落地的高帶寬、低時延特性,發揮固定網絡穩定、高帶寬、廣鏈接的性能,實現生產數據快速流轉、企業資源的最佳利用,降低生產經營成本,達到高產高效。F5G即第五代固定網絡技術,與5G一樣都是國際標準組織提出的新一代通信標準。5G與F5G互為補充、相互依賴,在不同的業務場景發揮著不可替代的作用。

通信網絡的高速與實時性,能為生產決策提供簡單、可靠、超高速的數據傳輸網絡,從而可為實現采礦生產的過程可視化、裝備自動化、管控智能化提供數據通信保障。同時,通過建立國家標準機房和數據中心,利用F5G網絡傳輸進行數據交換,將關鍵數據在數據中心和云存儲上實現雙存儲,可確保數據存儲的安全性、穩定性及可靠性。

1.2 即時信息控制中心

即時信息控制中心是通過建立語音對講系統、大屏顯示系統、控制臺、音響系統等,接入高清視頻監控系統、挖掘機遠程操控系統、三維可視化管控平臺、邊坡在線監測系統、卡車調度系統、智能采礦平臺、生產執行等生產數據的信息采集系統,通過雙5G通信網絡,實現生產管理人員實時查看和掌握現場生產情況及相關數據,便于調整生產計劃,從而實現生產智能管控[13]。

在語音對講系統與智能調度系統的即時信息傳達方面,通過語音調度系統對在生產過程中的突發狀況、機械故障等及時與信息中心進行溝通協調,便于及時調整生產狀態,確保安全生產。視頻監控系統的工作流程是通過挖機與卡車駕駛室內的攝像頭,實時辨識司機操作行為與工作狀態,通過智能辨別司機的違規操作行為和不佳的工作狀態,并借助語音對話功能對司機進行提醒,可減少生產過程中安全事故的發生;還可以智能辨別地磅、卡調提交的違規或錯誤信息,實現聲光電聯合報警,更有效地監管生產過程,減少違規操作行為。

1.3 數據云服務中心

云服務中心是在機房部署云服務器,同時機房本地服務器也可對數據進行本地存儲[14]。在雙5G通信系統的基礎上,構建“云服務+本地”的分布式文件存儲系統,能保證在一方數據丟失的情況下,可以快速及時地找回備份數據,從而使得數據得到安全可靠地存儲。

2 三大平臺建設

2.1 智能采礦管控平臺

智能采礦管控平臺主要包括三維數字采礦基礎平臺、生產計劃管控系統及智能配礦系統。利用三維數字采礦基礎平臺可以建立準確的礦山資源模型、生產模型、實測模型等,為開采設計、計劃與配礦提供安全生產指導[15]。

三維數字采礦基礎平臺是指礦山地質、工程與采礦生產的三維數據信息平臺,是實現資源模型可視化、資源評價數字化、開采設計合理化、配礦精細化的基礎和載體。

生產計劃管控系統主要實現生產計劃編制和審批功能,可以開展人機交互三維編制礦山日常采剝計劃,模擬計劃開采過程,從中長期角度實現計劃內合理配礦,有利于提高資源利用率和計劃可執行性,指導礦山安全生產[16]。計劃編制完成后,在數字采礦軟件中將其提交到生產執行系統中進行流程審批。

智能配礦系統是一套從穿孔取樣、化驗、配礦、統計及質量反饋全流程的閉環管理系統[17],基于開采現狀和采剝計劃數據,通過地質鉆孔信息、炮孔巖粉化驗數據、爆堆樣品化驗數據對地質品位進行精確補充,由地質統計學估算出的爆堆品位空間分布,按照設定的產量和品位約束條件,在爆堆之間進行優化計算出最優的礦石搭配方案,得到爆堆鏟裝位置、推進方向、出礦量、品位等配礦方案數據,為露天礦山生產優化調度提供科學依據和數據保障。

2.2 綜合生產執行平臺

綜合生產執行平臺通過集成門禁系統、地磅稱重系統、智能調度系統、質檢化驗管理系統、手機APP,實現地磅與門禁無人值守、配礦計劃智能調度、異常預警信息手機推送消息,為異常問題的判斷、處置、反饋提供智能支持[18]。

將門禁和稱重計量兩個獨立的系統進行融合,以接收指令、稱重計量、出門或卸礦為一個閉合循環自動判別車輛合法性,并自動記錄備查。稱重系統自動判別來車身份信息,與配礦指令自動匹配,形成詳細的稱重信息,相關管理人員在后臺能隨時查看生產作業信息,實時指導生產。

智能調度系統是對礦山生產的車輛進行調度組織管理,實現自動優化調度、人工調度、自動調度與人工相結合調度等多種調度方式,如圖1所示。

圖1 智能調度系統工作流程Fig.1 Working flow of the intelligent scheduling system

2.3 三維可視化管控平臺

三維可視化管控平臺以礦山生產和安全監測數據及空間數據庫為基礎,以礦山資源與開采環境三維可視化和虛擬環境為平臺,利用三維GIS、虛擬現實等技術手段,將露天礦山的礦床地質、爆堆、臺階、運輸道路、破碎站、鏟裝運設備等開采環境對象,以及生產工藝過程、環境進行三維數字化建模,實現對礦山生產環境、生產狀況、安全監測和設備狀態的實時三維展示,形成三維可視一體化集成管控系統[19]。平臺支撐企業生產調度和生產運營管控,可以實現車輛位置信息、視頻監控圖像、邊坡監測數據等相關數據在調度大屏上實時顯示和預警預報,便于生產管理人員能全面掌控整個礦區的生產作業情況,實現對礦山開采的全過程管控。

3 安全監測系統融合

安全監測系統融合智慧化礦山體系后,監測大數據的穩定、高效傳輸及保存,實現了操作的輕量化、業務的減量化、信息的智能化。該系統綜合邊坡雷達在線監測數據、爆破振動數據、雨量監測系統的大數據,在進一步融合雙重預防信息化平臺后,通過智能化、數字化平臺中心24 h人員實時監控和集中顯示,可有效確保企業安全生產風險異常預警信息被及時、全面獲取,避免出現安全預警信息漏接或獲取不及時,從而造成安全生產風險處置延誤造成嚴重影響的情況。綜合分析預警實現了露天礦山的安全管控目的。

(1)露天礦采場邊坡在線監測系統。高陡邊坡是南泥湖礦區的監測重點,采用適應性較強的邊坡雷達在線監測系統,對礦山重點監測區域實施監測是確保礦山安全生產的基本措施之一。邊坡變形監測雷達能夠對大范圍內的地面目標實現雷達成像,并精確測量(優于0.1 mm測量精度)被監測目標的位移和變化速度,可實現對被監測目標全天時、全天候、非接觸、高精度地遠程監測。邊坡變形監測雷達能夠達到15～20 min/次的監測頻率,通過對數據量的有效控制,確保從監測結果中識別出相應的真實地形位置和位移變化參數。

(2)排土場邊坡在線監測系統。南泥湖礦區排土場采用GNSS系統對邊坡進行監測,通過衛星信號可自動監測邊坡表面位移的三維數據,采集的定位差分數據上傳至數據處理中心,實現邊坡高精度的自動化監測;監測數據上傳至安全預警平臺,實現邊坡自動健康診斷及安全預警。當位移監測數據與雨量監測數據超出預設閾值時,會提前進行預警提示,便于提前做好災害防范,從而減少人員、財產損失,提升災害防控能力。

(3)雙重預防機制與智能化融合。雙重預防信息化平臺集成了對企業各類作業安全風險的全過程管理模塊,是安全數據處理的“大腦”。其中包含的高大邊坡風險辨識、管控過程管理等模塊與邊坡在線監測系統預警模塊同時在智能化、數字化平臺上集中顯示,實現了企業在高大邊坡等重大安全生產風險監控、預警及異常風險處置過程中的實時高效,并通過兩組模塊數據的直觀對比,判別印證異常風險信息的準確性,為是否采取應急處置措施和實施最佳應急處置決策提供更加可靠的依據。通過雙重預防信息化平臺與智能化信息系統的無縫融合,不僅可以顯著提高企業安全生產風險管控與隱患排查治理工作全過程管理的工作效率,還可以提升企業安全生產風險受控情況和隱患排查治理實施情況的監控、預警工作的可視化辨識程度,從而有力推動企業的本質安全化進程[20]。

(4)電子圍欄與防碰撞預警功能。通過卡調車載終端與調度軟件,在運行地圖上設定一些關鍵區域,通過行車異常監控和車輛防碰撞預警功能指導車輛正確運行,保障車輛行駛安全。例如在運行區域地圖上圈定一些電子圍欄范圍,設定不同區域的性質,如裝載區、卸載區、停車區、維修區、加油區等,以確認設備的裝卸準確性,并輔助設備狀態判斷與更改。當礦車進入不同區域等目標范圍時給司機以提示,發生錯誤時報警提示,指導司機在正確的排卸范圍排卸,防止亂排、亂卸、錯排、錯卸。

4 基于5G網絡的遠程挖掘機控制系統

挖掘機遠程遙控系統基于無線網絡通信技術、基站信號切換技術、視頻處理技術和自動化控制等最新技術開發而成,可將操作人員完全從危險區域隔離出來,使人員可以在更安全的地表通過遠程遙控平臺操作系統。經過專業優化的高帶寬、低延時5G/WLAN網絡連接現場機車上的車載控制單元及安裝在機車上的多路紅外高清攝像頭,操作人員可以實時觀看現場視頻,并可遠程操控設備進行工作,不僅能節約人力資源,而且可顯著提升礦山生產的安全性。

遠程無線遙控系統主要包含遠程遙控操作平臺、車載控制單元、車載視頻系統、通信傳輸系統等4個單元。其中,遠程挖掘機控制平臺主要是利用雙5G網絡高帶寬、低延時的特性實現挖掘機遠程操作控制,可為未來露天礦山少人化、無人化發展探索新模式,積累新經驗。

5 系統工程應用

5.1 工程背景

南泥湖鉬礦區位于河南省欒川縣境內,礦區面積3.98 km2,主礦體東西長2 600 m,南北寬1 000～1 400 m,最大礦體厚度420.12 m。探明鉬保有工業礦石量約7億t,地質品位0.072%,鉬金屬量約50萬t。有用組分除了輝鉬礦外,還伴生有白鎢礦,是以鉬為主的鉬、鎢特大型礦床,是以生產鉬礦為主的有色金屬露天礦山企業。隨著采場臺階逐年推進,采坑逐步深凹,采礦量逐年增大,存在自動化程度低、工作效率低、安全系數低、員工勞動強度大、信息“孤島”嚴重等問題。

5.2 工程應用

為滿足作業設備在下部作業臺階的信號傳輸需求,礦區覆蓋采取兩期工程覆蓋結合露天礦區現場情況和5G網絡覆蓋特性,選取一期覆蓋站點5個、二期覆蓋站點2個,作業臺階下延100 m后實施二期工程覆蓋,基站采取一體化基站和新型H桿建設方式,如圖2所示。

圖2 露天礦區5G網絡覆蓋情況Fig.2 5G network coverage in open-pit mining area

規劃建成后,礦區實現單站覆蓋半徑300 m,與市區密集城區單站基本半徑一致,實現4G與5G共同覆蓋。其中,5G網絡建成后下行帶寬速率不低于100 Mbps,下行寬帶峰值速率不低于1 000 Mbps,上行帶寬速率不低于100 Mbps,上行寬帶峰值速率不低于200 Mbps,時延小于20 ms。

礦區網絡拓撲如圖3所示?；诘V區網絡構建的露天智能礦山建設體系如圖4所示。

圖3 礦區網絡拓撲Fig.3 Network topology of the mining area

圖4 南泥湖露天礦智能礦山建設體系Fig.4 Intelligence mine construction system of Nannihu Open-pit Mine

在智能配礦系統中考慮供礦品位涉及范圍廣、影響因素眾多,且在礦山生產中各環節并不是孤立的,隨著礦山整體智能化水平的提高與發展,將供礦品位中各環節的工作集成于一套系統中,通過綜合取樣、二維碼掃描、化驗數據實時傳遞及智能卡調系統車鏟自動分配,可減少人為干擾、提高工作效率,達到礦石質量控制的目的。

5G網絡建設為南泥湖鉬礦露天采場作業的挖掘機、運輸車輛、卡調等設備采用的5G CPE智能終端調度系統提供網絡支持,實現移動終端高清圖像回傳,視頻高保真、不卡幀,無人鏟裝挖掘機的現場視頻及時回傳至無人挖掘機操控屏幕、信息中心大屏進行顯示,有效確保了現場設備作業畫面被實時查看。低延時保證了操控指令下達到機器執行的實時性和準確性。

F5G的高帶寬、低時延特性為地磅、門禁的無人值守系統提供了有效的網絡保障,使得無人值守系統與卡調系統的數據交互更快捷高效,為過磅數據采集、派車單、過磅單、出入門禁的流程核驗、指令推送與下達的便捷流暢等提供了基礎條件。

通過對系統、業務進行全盤摸底,深入研究生產環節中各業務數據流轉流程,從技術平臺、管理平臺、管控平臺著手,對礦山數字化智能化建設中涉及的海量多源異質信息進行高效組織管理,通過F5G網絡高效、穩定地傳輸到數據中心,由數據中心匯總、歸納、儲存,實現各系統模塊之間實時信息同步共享。

6 結 論

(1)礦山數字智能化開采,實現以礦產資源開發過程的數字化、信息化為基礎,對資源、規劃、設計、生產和管理進行數字化的建模、仿真、評估和優化,并持續應用于礦山生產全過程的新型礦山技術體系和生產組織方式,為礦山由人為決策向智能決策轉型提供了路徑。

(2)智能采礦管控平臺和綜合生產執行平臺的構建,并綜合利用系統工程理論及網絡、自動控制和人工智能等技術,以開采環境數字化和采掘裝備自動化為特質,在雙5G通信網絡的基礎上,構建數字礦山向智能礦山轉型的數據傳輸快速通道,可實現采礦設計、計劃、生產配礦、調度和決策等過程的智能化。

(3)以物聯網、3DGIS、VR技術為核心的三維可視化管控平臺,通過通信、傳感、控制與定位等方法構建智能虛擬礦山模型,通過接入礦山視頻監控、排土場GPS邊坡監測、雷達監測、環境監測等各類數據,結合大數據分析和處理方法,可實現礦山生產與安全的集中管控。