基于5G技術(shù)的臺車遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用

施升濤

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司 三山島金礦， 山東 萊州 261400)

0 項目背景

全球礦業(yè)向著安全、綠色、高效、智能、智慧方向快速發(fā)展，對礦業(yè)裝備的要求也越來越高，三山島金礦逐漸從機(jī)械化換人、自動化減人向著智能化無人方向快速邁進(jìn)，目前已實現(xiàn)選礦自動化、電機(jī)車無人駕駛、提升系統(tǒng)集中控制、配電室及水泵房無人值守、固定破碎機(jī)地表遠(yuǎn)程遙控等，整個礦石流中，采礦環(huán)節(jié)仍處于傳統(tǒng)的現(xiàn)場鑿巖模式。

當(dāng)前開采深度接近千米以深，作業(yè)區(qū)域集中在-735 m至-960 m，已探明資源多賦存于千米以下。隨著開采深度的延伸，面臨高地溫、高地應(yīng)力、高巖溶水壓、強(qiáng)烈的開采擾動等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，嚴(yán)重制約礦山生產(chǎn)作業(yè)效率，增加鑿巖臺車作業(yè)人員的安全隱患。

1 系統(tǒng)方案及具體內(nèi)容

1.1 5G核心網(wǎng)建設(shè)

礦山中心機(jī)房安裝5G核心設(shè)備BBU5900；地表控制室安裝5G室分設(shè)備和5G CPE，實現(xiàn)滴灌式覆蓋，該覆蓋系統(tǒng)由BBU、RHUB、pRRU組成，使5G信號覆蓋整個控制室；5G CPE接收5G信號，通過工業(yè)路由器連接電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程操控臺；井下采場搭建5G基站(如圖1所示)，包含RRU、AAU和OPM，實現(xiàn)5G信號全向覆蓋采場；地表遠(yuǎn)程操控臺和電動鑿巖臺車均安裝5G CPE設(shè)備和工業(yè)路由器，用于上傳和下達(dá)5G信號，工業(yè)路由器分別與電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程控制單元和地表遠(yuǎn)程操控臺的控制單元連接；礦山中心機(jī)房至井下工作采場敷設(shè)光纖，實現(xiàn)地表5G核心設(shè)備與采場5G基站設(shè)備的連接。5G核心網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 5G基站采場安裝圖

圖2 5G核心網(wǎng)架構(gòu)圖

1.2 DD311電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)建設(shè)

1.2.1 系統(tǒng)簡介

DD311電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)(如圖3所示)基于無線通訊、視頻傳輸、自動化控制等最新技術(shù)，大臂多路閥和鑿巖、快退液控系統(tǒng)改裝升級為電液驅(qū)動，操作人員在集控室，通過專業(yè)的遙控操作平臺，利用5G專網(wǎng)連接現(xiàn)場設(shè)備上的車載控制系統(tǒng)及云臺高清變焦攝像頭，監(jiān)視臺車并進(jìn)行遠(yuǎn)程無線鑿巖作業(yè)。集控室的遠(yuǎn)程遙控操作平臺通過5G專網(wǎng)與電動鑿巖臺車上的車載控制系統(tǒng)相互通信。

圖3 DD311鑿巖臺車遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)示意圖

工作區(qū)域，電動鑿巖臺車通過車載CPE將視頻、車輛狀態(tài)信息發(fā)射出去，經(jīng)5G基站接收傳輸?shù)降乇砑厥遥煌?，集控室的控制信號由光纖傳輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)域的5G基站，并經(jīng)車載無線CPE接收送達(dá)車載控制系統(tǒng)[2]。操作人員通過集控室遠(yuǎn)程遙控操作平臺的顯示器和操控面板(如圖4所示)操控設(shè)備作業(yè)，電動鑿巖臺車前端裝有云臺變焦攝像頭(如圖5所示)，將現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境實時反饋給集控室操作人員，輔助遠(yuǎn)程鑿巖作業(yè)。

圖4 遠(yuǎn)程遙控操作平臺顯示器和操控面板

圖5 云臺變焦攝像頭

1.2.2 系統(tǒng)組成

DD311電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)主要包含六部分：遠(yuǎn)程遙控操作平臺、車載控制系統(tǒng)、車載監(jiān)測系統(tǒng)、實時視頻系統(tǒng)、遠(yuǎn)程液壓系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電控系統(tǒng)。

(1)遠(yuǎn)程遙控操作平臺

包括操作平臺、嵌入式核心控制器、數(shù)據(jù)匯聚器、曲面液晶顯示屏、視頻處理顯示軟件、狀態(tài)信息處理顯示軟件等。通過通訊模塊將操作信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中[3]，同時對車載控制系統(tǒng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的車輛狀態(tài)信息進(jìn)行接收和處理。遠(yuǎn)程遙控操作平臺如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程遙控操作平臺

(2)車載控制系統(tǒng)

包括車載接收單元、車載狀態(tài)參數(shù)采集處理軟件、電源模塊、車輛監(jiān)測單元、車載數(shù)據(jù)匯聚器、車載接口控制單元組成[4]。車載控制系統(tǒng)的控制箱安裝在DD311電動鑿巖臺車后車體上方，通過接收遠(yuǎn)程遙控操作平臺的控制信號實現(xiàn)對DD311電動鑿巖臺車動作的控制。

(3)車輛監(jiān)控系統(tǒng)

實時監(jiān)測與控制臺車工作，監(jiān)測系統(tǒng)的推進(jìn)壓力、旋轉(zhuǎn)壓力、沖擊壓力、水壓、風(fēng)壓、鑿巖機(jī)小時數(shù)、空壓機(jī)小時數(shù)、推進(jìn)梁延伸壓力(輔助確認(rèn)推進(jìn)梁是否到位)及各種狀態(tài)指示。

(4)實時視頻系統(tǒng)

包括云臺變焦攝像頭、高性能無線網(wǎng)橋及視頻處理顯示軟件等。在DD311電動鑿巖臺車頂棚前方安裝兩個高清云臺變焦攝像頭，將視頻數(shù)據(jù)實時傳到遠(yuǎn)程遙控操作平臺，通過視頻處理顯示軟件處理后，上傳到顯示屏上進(jìn)行顯示。

(5)遠(yuǎn)程液壓系統(tǒng)

將DD311電動鑿巖臺車大臂液控多路閥更換為電液控多路閥(如圖7所示)，增加閥組電控功能，并保留閥組手控功能；在DD311電動鑿巖臺車沖擊、推進(jìn)、旋轉(zhuǎn)及快退液控系統(tǒng)中[5]并裝一套電液控系統(tǒng)，加裝電磁閥(如圖8所示)實現(xiàn)手動和遙控雙操作。

圖7 電液控多路閥

圖8 遙控電磁閥

(6)遠(yuǎn)程電控系統(tǒng)

包括車載控制箱接線，DD311電動鑿巖臺車MP主控箱接線，BOX81分線盒接線和DD311電動鑿巖臺車操控臺接線。遠(yuǎn)程電控系統(tǒng)接線如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程電控系統(tǒng)接線圖

2 系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

(1)搭建的5G專網(wǎng)能降低空口時延、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)時延、重傳概率和丟包概率，引入支持免調(diào)度的新型多址接入和D2D等技術(shù)以減少信令和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，并運(yùn)用更先進(jìn)的調(diào)制編碼和HARQ重傳機(jī)制，提升DD311電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的傳輸可靠性；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，控制云通過優(yōu)化傳輸路徑，控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)靠近轉(zhuǎn)發(fā)云和接入云邊緣，有效降低網(wǎng)絡(luò)側(cè)傳輸時延。

(2)5G CPE做DMZ映射給工業(yè)路由器，兩個工業(yè)路由器間做GRE隧道，實現(xiàn)兩端多個設(shè)備在一個虛擬二層網(wǎng)絡(luò)互訪。

(3)遠(yuǎn)程操作和就地操作兩種模式無擾切換，操作人員既可在危險區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程鑿巖作業(yè)，又可在安全區(qū)域進(jìn)行就地鑿巖作業(yè)。

(4)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)采用開放式架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化接口和協(xié)議，具有良好的可擴(kuò)展性和可開發(fā)性，后期可進(jìn)行功能擴(kuò)展和軟件升級；配置了開關(guān)量和比例量控制信號，通過核心控制器增強(qiáng)安全性和可操作性；系統(tǒng)基于加拿大BTI無線遙控系統(tǒng)安全控制策略和理念進(jìn)行設(shè)計。

(5)遠(yuǎn)程遙控操作平臺和車載控制系統(tǒng)有故障記錄和自我診斷功能，方便維護(hù)和修理。

(6)控制程序模塊化設(shè)計，模塊間相互獨(dú)立，獨(dú)自完成各自功能。

3 應(yīng)用情況

投用后，電動鑿巖臺車既可井下本地鑿巖作業(yè)，還可地表遠(yuǎn)程鑿巖作業(yè)，本地和遠(yuǎn)程之間無擾切換。遠(yuǎn)程操控臺的操作界面與臺車本體操作界面相同，便于操作。同時，臺車各種儀表指示燈和傳感數(shù)據(jù)在地表遠(yuǎn)程操控臺上實時顯示，操作人員隨時掌握臺車的工作狀態(tài)，并根據(jù)指示燈和傳感數(shù)據(jù)做出判斷，操控設(shè)備作業(yè)。操作人員從之前井下現(xiàn)場作業(yè)到現(xiàn)在地表遠(yuǎn)程作業(yè)，工作環(huán)境發(fā)生翻天覆地的變化，如今在地表控制室冬暖夏涼，呼吸新鮮空氣，職業(yè)病概率降為零，工作熱情高漲，作業(yè)效率大幅度提高，最關(guān)鍵是將作業(yè)人員從井下惡劣環(huán)境中解放出來，實現(xiàn)人員的本質(zhì)安全，達(dá)到機(jī)械化換人、自動化減人的目的。

4 經(jīng)濟(jì)效益

(1)改造的DD311電動鑿巖臺車運(yùn)行5年多，工作一萬多小時，臺車改造費(fèi)+凈值合計220萬，在此基礎(chǔ)上升級為全電腦自動鉆孔的電動鑿巖臺車，升級改造費(fèi)150萬，單臺進(jìn)口全電腦自動鉆孔的電動鑿巖臺車價格680萬，實現(xiàn)全電腦自動鉆孔的電動鑿巖臺車可節(jié)省費(fèi)用=680-(220+150)=310萬。

(2)傳統(tǒng)鑿巖作業(yè)方式伴有巖爆、塌方及落石等危險，5G+專網(wǎng)的方案實現(xiàn)遠(yuǎn)程鑿巖后，單個操作人員可遠(yuǎn)程操作1～3臺電動鑿巖臺車遠(yuǎn)程作業(yè)，大幅度提高工作效率，減少了作業(yè)人員的數(shù)量和傷亡的概率，同時提高了作業(yè)人員的工作舒適度，避免井下濕熱、煙塵環(huán)境帶來的職業(yè)病患病風(fēng)險。

(3)傳統(tǒng)鑿巖方式下，操作人員上班、下班的空擋時間+爆破后煙塵消散時間，合計浪費(fèi)3～4 h/d，地表遠(yuǎn)程鑿巖作業(yè)后，不再受上述時間影響。

(4)我國工程技術(shù)人員自主創(chuàng)新，實現(xiàn)電動鑿巖臺車鑿巖作業(yè)方式的本質(zhì)改變，打破國外鑿巖技術(shù)的市場壟斷，隨著我國鑿巖技術(shù)的快速發(fā)展，會逐漸拉低鑿巖臺車市場的整體行情。

(5)隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，礦山企業(yè)對降低人力成本和提高生產(chǎn)效率的需求會逐步加碼，對具備自動鉆孔功能的臺車需求量會相繼增加，預(yù)計未來10年，全電腦的電動鑿巖臺車會在國內(nèi)普及，解決生產(chǎn)效率低下、安全風(fēng)險高及人力成本高等方面的問題。項目產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益有限，產(chǎn)生的社會效益、對未來臺車行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)及國外鑿巖市場的沖擊是巨大的。