5G通信在采礦裝備的應(yīng)用實(shí)踐

朱志興

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦作為江銅集團(tuán)首家智能化礦山建設(shè)試點(diǎn)單位，按照集團(tuán)公司統(tǒng)一安排，圍繞互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)+礦山的發(fā)展方向，積極推進(jìn)智能化帶動(dòng)傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)資源開采與環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化的新型生產(chǎn)經(jīng)營與管理模式［1］。

2019年隨著國內(nèi)5G通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)融合快速發(fā)展，城門山銅礦圍繞互聯(lián)網(wǎng)+礦山，聚焦“5G+”創(chuàng)新應(yīng)用，融合轉(zhuǎn)型和升級?；?G通信高帶寬、高可靠、低延時(shí)特性，通過對礦區(qū)的110t礦用卡車及SD52-5推土機(jī)進(jìn)行智能化配套改造，在+30排土區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了智能駕駛示范區(qū)。實(shí)現(xiàn)了礦用卡車智能駕駛，推土機(jī)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)場景。使遙控作業(yè)和無人工作面等已成為現(xiàn)實(shí)，智能駕駛和集中控制的采礦設(shè)備已進(jìn)入實(shí)踐應(yīng)用階段，改變了傳統(tǒng)礦業(yè)的生產(chǎn)工藝和組織管理模式，不斷豐富了智慧礦山的內(nèi)涵。

2 采礦裝備智能化配套

2.1 采礦裝備智能化建設(shè)目標(biāo)

采礦裝備智能化建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能采礦，采礦裝備智能化是指不需要人工直接干預(yù)情況下，通過采礦環(huán)境的智能感知、采礦裝備的智能調(diào)控、采礦作業(yè)的自主巡航，由采礦裝備獨(dú)立完成的作業(yè)過程。智能化開采是在采礦裝備機(jī)械化、自動(dòng)化基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)5G通信技術(shù)與工業(yè)化深度融合的礦山開采技術(shù)。因此，智能化開采具有采礦設(shè)備智能化作業(yè)能力、實(shí)時(shí)獲取和更新采掘工藝數(shù)據(jù)、能根據(jù)作業(yè)環(huán)境條件變化自動(dòng)調(diào)控作業(yè)過程［2］。當(dāng)智能化采礦裝備與自動(dòng)調(diào)度決策為一體時(shí)，減少人為因素干擾，即形成無人化作業(yè)工作面。

2.2 采礦裝備智能化建設(shè)內(nèi)容

露天采礦裝備智能化建設(shè)主要內(nèi)容有智能潛孔鉆機(jī)、智能牙輪鉆機(jī)、智能裝藥車、智能挖掘機(jī)、智能卡車、智能推土機(jī)及道路養(yǎng)護(hù)設(shè)備等［3］，形成采礦全流程協(xié)同的作業(yè)集群。智能裝備支持遠(yuǎn)程遙控作業(yè)功能，智能卡車具備自主行駛、自主卸載等功能。由于有色金屬礦山開采環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)地點(diǎn)分散、生產(chǎn)流程不連續(xù)等實(shí)際情況，在鑿巖、裝載、運(yùn)輸、道路養(yǎng)護(hù)等采礦重點(diǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，設(shè)備分散、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、作業(yè)環(huán)境不好、存在安全隱患，利用自動(dòng)控制、人工智能等多種手段，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與自主運(yùn)行，減少操作過程人為因素的干擾，提升生產(chǎn)安全性、優(yōu)化生產(chǎn)效率。

2.3 采礦裝備智能化系統(tǒng)

采礦裝備智化需要的控制系統(tǒng)配套和支撐。

（1）智能運(yùn)維系統(tǒng)：通過對設(shè)備ECU的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并解析，實(shí)時(shí)掌控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全狀態(tài)的監(jiān)管及生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

（2）智能駕駛系統(tǒng)：智能駕駛包含遠(yuǎn)程操控和無人駕駛。通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、遠(yuǎn)程遙控臺、車載控制器、數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)特定作業(yè)區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)程遙控，礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)。

（3）卡車調(diào)度系統(tǒng)：通過車載終端、通訊設(shè)備、調(diào)度軟件等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和信息交互，實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)定位、行為管理、配礦、車輛調(diào)度和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等［4］。

3 5G通信技術(shù)

2019年5G通信技術(shù)開啟了在全球范圍內(nèi)的商業(yè)化步伐，其高傳輸速度、低延時(shí)、高可靠性等技術(shù)特征得到了迅猛發(fā)展。城門山銅礦加快了智能化礦山建設(shè)與5G 通信技術(shù)融合發(fā)展，在采礦作業(yè)區(qū)、排土作業(yè)區(qū)域架設(shè)了5G基站，信號覆蓋穩(wěn)定，為采礦裝備智能化的應(yīng)用提供了無限的場景。

3.1 5G通信技術(shù)特性

5G 通信可提供eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、mMTC(海量機(jī)器類通信)、uRLLC（超可靠、低時(shí)延通信）的三大應(yīng)用場景。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)到體驗(yàn)速率100Mbit/s，峰值速率20Gbit/s，時(shí)延1ms。5G網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)［5］，容量大，進(jìn)一步提高頻率的利用效率，頻率可以復(fù)用。

3.2 5G通信與采礦裝備智能化的融合

智能駕駛需要低延時(shí)、高帶寬、大容量及高可靠性通信網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程遙控操作的感知體驗(yàn)需要高清圖像的支持，使得系統(tǒng)帶寬要求不斷提升。5GeMBB業(yè)務(wù)能夠保證100Mbit/s的下載速率，滿足遠(yuǎn)程操控業(yè)務(wù)需求。5G采用蜂窩移動(dòng)通訊作為通信子系統(tǒng)大大擴(kuò)展操作的范圍，能夠保證信號不受干擾，只要有無線信號即可操作。操作時(shí)延低，智能駕駛時(shí)需要把操控指令低時(shí)延下達(dá)到設(shè)備執(zhí)行層，嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，5G通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小時(shí)延可到1ms，完全滿足實(shí)時(shí)操控的要求。基于5G的智能駕駛是利用最新的傳感器感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等有機(jī)地融合整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系中而形成地一種低延遲、精準(zhǔn)、高效率綜合管理和控制系統(tǒng)。是智能駕駛地技術(shù)基礎(chǔ)［6］。

單車智能化是設(shè)備依托傳感設(shè)備，包括攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波等傳感器收集周圍信息，通過車載智能駕駛系統(tǒng)的人工智能算法完成駕駛行為判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能駕駛操作。網(wǎng)聯(lián)化是指基于4G通信技術(shù)設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)（LTEV2X）和5G通信技術(shù)設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)（5G-V2X）構(gòu)建的通信和計(jì)算相結(jié)合的車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合。

4 應(yīng)用與實(shí)踐

2019年城門山銅礦聯(lián)合國內(nèi)大型知名企業(yè)聯(lián)合研發(fā)，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，成功打造出國內(nèi)有色金屬礦山智能駕駛“中國版”。與山推股份聯(lián)合開發(fā)全球首臺520大馬力推土機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。與航天重工、江西移動(dòng)、華為、青島慧拓等成功實(shí)現(xiàn)了110t級礦用卡車無人駕駛。成功實(shí)現(xiàn)了江西省首例5G網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)連接的目標(biāo)，解決了無人駕駛卡車并入車聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)壁壘，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)無人駕駛智能調(diào)度提供了技術(shù)支撐。在2019年10月南昌世界VR/AR產(chǎn)業(yè)大會上城銅的“5G+VR智慧礦山”展覽受到國內(nèi)各行業(yè)廣泛關(guān)注。

利用5G通信網(wǎng)絡(luò)特性，通過優(yōu)化第三代礦用車聯(lián)網(wǎng)平臺的智能駕駛系統(tǒng)，已經(jīng)在+30作業(yè)區(qū)特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了遙控推土機(jī)和無人駕駛礦用卡車聯(lián)合作業(yè)，提升了作業(yè)高效化，生產(chǎn)安全化。

4.1 SD52-5推土機(jī)遠(yuǎn)程操控

城門山銅礦聯(lián)合山推股份開發(fā)了大馬力SD52-5推土機(jī)遠(yuǎn)程操控，利用了礦區(qū)現(xiàn)場建立全覆蓋的5G通信網(wǎng)絡(luò)，滿足遠(yuǎn)程控制技術(shù)對無線傳輸?shù)男枨蟆?/p>

在SD52-5大馬力推土機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的基礎(chǔ)上有效融合了智能控制技術(shù)和5G通訊技術(shù)［7］，整車功能可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控端和車載端均可以操作，通過按鍵可實(shí)現(xiàn)功能切換，并提供遠(yuǎn)程操控車載硬件及通訊接口、通訊協(xié)議，利用遠(yuǎn)程操臺將推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、行走、轉(zhuǎn)向、工作裝置操縱等指令通過CAN總線信息轉(zhuǎn)以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)信號［5］，通過設(shè)備端與遙控臺的5GCPE“點(diǎn)對點(diǎn)”連接互通和信息交互（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離操控功能。

圖1 遠(yuǎn)程遙控裝置工作原理

為進(jìn)一步感知推土機(jī)周邊影像、視野和聲音情況，增強(qiáng)操作人員真實(shí)感，加裝影像采集和聲音采集在操控臺端模擬設(shè)備現(xiàn)場作業(yè)情況。在推土機(jī)駕駛室四周配備4臺網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，分別采集鏟刀左右側(cè)、車體后端左后側(cè)，機(jī)頂主視角一臺網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采集的視頻影像通過交換機(jī)接入5G CPE設(shè)備，將視頻信號傳輸?shù)讲倏嘏_。推土機(jī)周邊的聲音進(jìn)行采集與傳輸，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場遠(yuǎn)程操控的仿真感知。車載端數(shù)據(jù)以5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺為依托，可以將礦山推土機(jī)的健康度數(shù)據(jù)：發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等多維度檢測數(shù)據(jù)把CAN總線信息轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器接入5G CPE，第一時(shí)間對設(shè)備的故障進(jìn)行診斷和預(yù)警（如圖2所示）。

圖2 遠(yuǎn)程操控通信圖

4.2 HT3110電動(dòng)輪智能駕駛

城門山銅礦聯(lián)合航天重型工程裝備有限公司、青島慧拓智能機(jī)器有限公司、中國移動(dòng)通信集團(tuán)江西有限公司九江分公司、華為技術(shù)有限公司等國內(nèi)知名企業(yè)共同研制出5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)HT3110電動(dòng)輪智能駕駛。在礦區(qū)+30排土場打造了無人駕駛工業(yè)應(yīng)用示范區(qū)。

該礦用卡車包含一體化直接線控改造，在其上加裝各類傳感器，包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、慣導(dǎo)、計(jì)算單元等，輔以4D光場智能、圖像處理、無線通訊、人工智能系統(tǒng)，應(yīng)用了礦山高精度地圖控制算法、高精度定位技術(shù)、車輛動(dòng)力學(xué)模型搭建等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過先進(jìn)的自動(dòng)駕駛控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體集成。車體上配備三路攝像機(jī)，駕駛室、車前及車斗三路視頻，通過5G CPE實(shí)時(shí)傳輸視頻到遠(yuǎn)端平臺，實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無人駕駛指令通過遠(yuǎn)程電腦動(dòng)態(tài)監(jiān)控和下達(dá)。視頻信號與指令信號通過礦卡終端5G CPE與控制終端5G CPE實(shí)現(xiàn)信息的互通（如圖3所示）。

圖3 無人駕駛通信圖

礦卡智能駕駛系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了與礦卡調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通信（如圖4所示），利用礦山4G專網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與共享。實(shí)現(xiàn)了卡調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)礦卡無人駕駛模式，打通了調(diào)度系統(tǒng)與智能系統(tǒng)的信息交互與共享［8］。系統(tǒng)可以與有人作業(yè)模式的卡調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)議與功能的對接，從而保障了系統(tǒng)的銜接，互相補(bǔ)充，通過海量作業(yè)數(shù)據(jù)的分析自學(xué)習(xí)提升調(diào)度算法的優(yōu)化，最優(yōu)化調(diào)度策略，卡調(diào)在調(diào)度指揮下完成裝載-運(yùn)輸-卸載的典型作業(yè)。

礦用卡車的感知駕駛是基于5G通信的車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)控制中實(shí)踐的具體體現(xiàn)。其一，感知技術(shù)可以通過移動(dòng)通信技術(shù)的信息傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)卡車感知、決策、以及執(zhí)行三個(gè)環(huán)節(jié)的信息互動(dòng)；其二，5G技術(shù)下車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛控制時(shí)，程序可以依據(jù)卡車駕駛操作提供操控規(guī)劃。

圖4 智能駕駛自動(dòng)調(diào)度

5 應(yīng)用實(shí)踐體驗(yàn)

（1）智能駕駛并不等于無人駕駛，基于移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的礦區(qū)智能駕駛，是5G移動(dòng)通信技術(shù)在礦業(yè)最前沿的應(yīng)用。無人駕駛是智能駕駛的一種，主要依靠車內(nèi)的以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為主的智能駕駛的目的。智能駕駛則是網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航、自主駕駛、人工干預(yù)和智能運(yùn)維有機(jī)地結(jié)合。無人駕駛是智能駕駛的一個(gè)種類。

（2）隨著智能化發(fā)展，到無線通訊技術(shù)迅猛發(fā)展，采礦設(shè)備在開發(fā)和應(yīng)用方面也逐步開始了自動(dòng)化和智能化進(jìn)程，而自動(dòng)化和智能化成為無人化開采奠定了基礎(chǔ)。需要加快采礦裝備智能運(yùn)維系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。加速建立采礦設(shè)備智能化體系與機(jī)制，結(jié)合和運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、軟件、采礦數(shù)據(jù)和模型以及調(diào)度優(yōu)化和全球定位系統(tǒng)技術(shù)，構(gòu)成礦山生產(chǎn)智能化采礦系統(tǒng)。

6 結(jié)語

隨著城門山銅礦智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，積極利用5G+智慧礦山深入融合發(fā)展，智能采礦賦予將更加豐富，助推礦山高質(zhì)量發(fā)展。礦山智能化與生產(chǎn)管理的深度融合，通過先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備引進(jìn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)無人化、少人化的目標(biāo)，提高設(shè)備運(yùn)行效率，為有色金屬礦山智能化建設(shè)提供城銅智慧。