历经2年的发展,5G逐渐从青涩走向成熟,助推智联网AIoT时代的加速到来。在产业发展的关键节点,我们对重点行业企业进行深度访谈,撰写一系列5G & AIoT应用案例,制作行业经典案例集,这是其中的第六篇——《5G & AIoT应用案例集之智能采矿篇》。

 

 

作为人类世界使用的主要能源之一,煤炭素来被誉为“黑色的金子”、“工业的食粮”。我国是煤炭消费大国,也是世界上最早发现和利用煤炭的国家之一,对于煤炭开采已有几千年的历史。

 

传统的煤炭生产方式存在矿难事件频发、人工成本居高不下、矿工作业艰苦危险、开采效率难以提升等问题。随着信息技术的发展,煤矿开采已经从最初简单的人工挖矿发展为机械化采矿,并进一步向数字化、智能化发展。

 

煤矿井下场景

 

2020年3月,国家发改委等8部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,提出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。顺应大势,各大矿业集团近年来也正积极推动智能矿山建设,实现煤矿井下“少人化、无人化”的作业流程。而以5G 为代表的新一代通信技术,则从根本上解决了传统网络技术难以满足井下环境恶劣、移动生产、设备及传感器数量庞大等生产特点的问题。

 

智能采矿向“无人化、少人化”转型

某种意义上,煤矿井下就像一个微型的地下城市,里面的巷道错综复杂,包括掘进机、采煤机、皮带机、液压支架在内的大量机械设备不知疲倦地执行着采掘、运输、洗选、提升以及生产辅助等日常作业,其中的很多设备都需要人工来进行操控。

 

人工井下作业存在的问题显而易见。一方面,对操作员们而言,煤矿采掘工作面环境复杂,危险因素多,地质条件相对比较恶劣,水、瓦斯、粉尘等自然灾害的潜在威胁普遍存在,而且日常劳动强度极大,操作不当时还易发生危险事故。根据中国煤炭工业协会的数据,2020年我国煤矿发生死亡事故122起、死亡225人,虽然相比往年人员伤亡数量持续降低,但毕竟生命无价,安全问题始终都是煤矿生产的头等大事。另一方面,对矿业企业来说,随着人口红利的消失以及人们对井下作业危险性的担忧,越来越多的人不愿意从事井下工作,煤矿招工难、用工难的问题日益凸显。

 

在此背景下,采掘工作面的“少人化、无人化”一直是矿山智能化转型的一个重要方向。国家发改委、能源局联合发布的《国家能源技术革命创新行动计划 (2016–2030 年 )》中就明确指出,要在2020 年基本实现智能开采,重点煤矿区采煤工作面人数减少 50% 以上,2030 年实现煤炭安全开采,重点煤矿区基本实现工作面无人化。

 

通过在作业现场部署多个高清摄像头,将现场环境信息完整地传送到管理中心,再结合采矿设备本身的各种传感器信息上报,工作人员就可以在管理中心远程操控各类设备,从而达到作业现场“少人化、无人化”的目标。这个过程涉及大量设备的接入、海量数据的传输以及低时延的控制操作,都对网络传输的质量和能力提出了前所未有的要求。

 

传统有线传输的方式虽然信号稳定,但井下地形复杂,设备繁多,给布线造成了很大的困难。更重要的是,由于液压支架、采煤机、掘进机经常需要移动,信号传输线缆经过多次折叠后较易发生断裂,很可能造成数据传输中断,从而影响采矿作业。WiFi无线网络纵使能够解决布线难题,但却存在信号抗干扰能力弱、覆盖面积有限、穿透力弱、以及跨AP区域数据传输时有明显延迟等劣势。同样,4G也不能有效支持低时延要求的各种控制信号的传输。

 

如今,凭借易部署、广连接、大带宽、超低时延等优势,5G能够满足煤矿井下通信网络对安全与性能的要求,为煤矿行业的智能化提供了加速度。

 

5G大带宽为远程管理奠定基础

煤矿井下的日常作业过程会产生大量的数据:包括空气温度、空气湿度、巷道压力等环境数据,采煤工作面、掘进工作面、运输转载点等视频数据,井下重要岗位工作人员的通信对讲数据,以及液压支架和泵站远程集中控制等控制类数据。5G的大带宽特性,为这些关键数据的远程管理奠定了基础。

 

例如,内蒙古某企业想要在总部实现对其所属的全部煤矿点的异地远程管理,并对各种监测数据系统及平台进行统一综合管理,实现煤矿大数据可视化及快速推送上屏显示。基于客户需求,厦门四信通信科技有限公司(以下简称“四信通信”)为其量身定制了“5G智慧矿井系统监测方案”,基于该方案打造的煤矿调度中心,可满足该企业日常指挥中心各项数据展示、管理和控制的需求,便于日常管理调度、各级领导参观视察及综合汇报等工作开展。

 

5G+智慧矿山实时管理应用

 

5G智慧矿井系统监测方案的核心是四信通信5G工业CPE F-NR200,该款5G工业CPE内置基于高通骁龙X55平台的广和通5G模组 FM150,支持NSA和SA网络,兼容各大运营商,支持5G/4G、有线(光纤和WAN)智能切换。得益于高通5G芯片过硬的性能,矿井下的5G网络能够实现安全、独立、稳定的运行,保证无线通信及数据传输的可靠性、稳定性。

 

四信通信5G工业CPEF-NR200

 

无独有偶,在山西、陕西的多座矿山,宇祺(山东)智能装备有限公司(以下简称“宇祺智能”)也用其完整的“5G矿用无线通信系统”,助力客户实现了井下作业情况的实时管理和控制。

 

矿用隔爆兼本安型5G CPE

 

宇祺智能的该套系统分别采用了搭载芯讯通5G模组SIM8200EA-M2和高新兴5G模组GM800的5G CPE,都内置高通骁龙X55芯片,使得煤矿井下众多的设备——如煤矿智能巡检机器人、煤矿机器人、自动驾驶、综采设备等煤矿装备系统能获得高速的5G网络连接,实现了井下语音、视频、数据一网承载,各种智能化操作系统信息的一网传输。井下作业的相关数据信息可以实时传回至地面总调度室,调度人员通过大屏幕便可以实时观看深井下的采掘、运输、检修等情况,实现井上井下实时通话,有效提高安全性和生产效率。

 

宇祺智能矿用5G隔爆兼本安型基站

 

宇祺智能总经理张建对高通的解决方案给予了高度评价:“煤矿行业属于工业防爆环境,系统建设难度大、稳定性要求高、生命周期长及兼容性强,所以我们在开发智能化系统解决方案时,一个重要考量便是方案的稳定性和长期性。高通的5G技术具有长期的规划和完善的生态,让我们的解决方案没有后顾之忧。”

 

5G低时延助力矿井设备远程操控

在远程管理的基础上,5G的大带宽、低时延特性还让掘进机、铲运机等设备的远程操控成为可能。

 

远程操控的精髓在于“令行禁止”,即身处操作室的操作员下达指令后,井下的设备可以立即同步做出反应。为了让操作员可以拥有一副“千里眼”,方案上往往会在设备上布置高清摄像头,模拟驾驶员驾驶视角,同时在四周的环境中布置广角摄像头,拼接360°全景影像,然后将这些视频影像通过网络传输至控制室。

 

试想一下,如果操作员看到的画面和设备的实际动作之间存在很高的延迟,就会影响开采效率,甚至造成设备的损耗。例如,掘进机在挖掘的过程中可能会碰到硬度极高的岩石。过去,身处现场的操作员看到这类岩石的时候就会立即按下暂停键,避免机器去“硬碰硬”。而在远程操作的场景下,如果采用4G网络,因为时延较高,等操作员从视频画面里察觉到异常再操作时已经来不及了,从而有可能导致大型设备的损耗。同理,无极绳绞车等设备的操作时延都要求控制在30ms以内,而5G端到端的时延理论上可达1ms,能够完美满足远程控制场景下的通信需求,为矿井无人化综采的发展提供技术支撑。

 

在5G技术的赋能之下,四信通信和宇祺智能已经在全国多地的矿井项目中落地了智能化的解决方案,帮助客户保障矿工人员安全,提升开采作业效率。

 

与此同时,四信通信也在积极向全球市场推广自己的5G CPE产品。厦门四信通信科技有限公司市场总监张志坤表示:“高通的5G技术具备业界领先的高能效和高性能,芯片研发市场成熟,产业链完善,规模化量产能够帮助我们的产品赢得市场先机。更为重要的是,高通全球化的5G解决方案能够满足5G终端在世界各个地区和国家的设计需求,这对我们开拓海外市场具有重要的战略意义。”

 

结语

总而言之,5G是推动煤矿新一轮智能化发展的关键驱动力。未来,在5G、物联网、大数据技术进一步成熟的基础下,矿井作业将实现开采面无人作业、掘进面无人作业、危险场所无人作业、大型设备无人作业,直到整座矿山无人作业,形成真正智慧化的无人矿山。