4G-LTE的智能化礦山系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

邱志順

（中色大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司，湖北 黃石 435101）

運(yùn)輸車、挖掘機(jī)等均是露天礦山開采作業(yè)活動(dòng)中的常用重要工具類型，長期沿用著人工操作的傳統(tǒng)模式，礦區(qū)地質(zhì)條件多變，不可預(yù)測(cè)因素偏多，很可能對(duì)駕駛及作業(yè)人員生命安全構(gòu)成威脅，還會(huì)面對(duì)采空區(qū)這一特殊作業(yè)面，采區(qū)邊坡在長期裸露、爆破震動(dòng)等多種因素的作用下，方位及界限會(huì)出現(xiàn)不同程度變化，規(guī)模逐漸拓展，對(duì)人車安全性構(gòu)成的威脅也相應(yīng)增加。加大遠(yuǎn)程無人式操控智能化系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)手術(shù)探查采空區(qū)相關(guān)信息，在此基礎(chǔ)上擬定更適宜的開采方案，將采區(qū)片幫等事故發(fā)生率降至最低，維護(hù)作業(yè)過程的安全性，協(xié)助礦業(yè)企業(yè)獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究背景

礦山行業(yè)屬于我國的傳統(tǒng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，高危險(xiǎn)、高強(qiáng)度、勞動(dòng)密集性等是該行業(yè)運(yùn)作的主要特征，安全生產(chǎn)始終是礦山行業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)營階段必須遵照的基礎(chǔ)原則，在國際、國內(nèi)社會(huì)等多方壓力的作用下，國內(nèi)礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展一定要持續(xù)推進(jìn)，積極扭轉(zhuǎn)過往生產(chǎn)模式，樹立與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展理念，以最前端的信息通信技術(shù)為支撐，最大限度的提升礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度的多元化、智能化水平，降低露天作業(yè)用工數(shù)目、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度及壓力、最大限度的提升開采作業(yè)的安全保障水平，最后打造出礦區(qū)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的大格局，以上是從根本上扭轉(zhuǎn)礦山傳統(tǒng)生產(chǎn)方式與行業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的有效方式之一。

當(dāng)下，國內(nèi)礦山行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的安全監(jiān)控系統(tǒng)盡管在應(yīng)對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)問題方面體現(xiàn)出一定效能，但面對(duì)礦區(qū)日益復(fù)雜的生產(chǎn)條件，傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行階段暴露出實(shí)時(shí)性差、節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)距離過長、高電磁環(huán)境下穩(wěn)定性偏差等問題，以上問題若長期不被解除，將會(huì)對(duì)礦山安全監(jiān)控技術(shù)水平提升過程起到較明顯的制約作用[1]。開發(fā)智能化安全監(jiān)控系統(tǒng)是近些年業(yè)內(nèi)眾多學(xué)者的共同追求，為應(yīng)對(duì)如上問題而做出建設(shè)4G-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的提議。

4G-LTE專網(wǎng)運(yùn)行階段具備較高的安穩(wěn)性與先進(jìn)，其把調(diào)控指令經(jīng)4G無線網(wǎng)絡(luò)整合至控制系統(tǒng)內(nèi)，協(xié)助礦區(qū)安全管理人員更全面、直觀的獲取露天礦區(qū)生產(chǎn)信息，從最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)保障礦山安全生產(chǎn)能效，在系統(tǒng)內(nèi)配置安裝的上位機(jī)軟件有操作流程簡(jiǎn)易、應(yīng)用便捷等許多優(yōu)勢(shì)，能產(chǎn)出畫質(zhì)優(yōu)良的圖像、保證了視頻資源的傳導(dǎo)效率，且有預(yù)測(cè)或預(yù)警礦區(qū)危險(xiǎn)事故的功能。

2 系統(tǒng)分析

2.1 主要結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)

智能化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)大體上由如下幾部分構(gòu)成[2]：

（1）應(yīng)用層：應(yīng)用服務(wù)器、圖像調(diào)整軟件、操控平臺(tái)、視頻服務(wù)器、礦區(qū)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)呈現(xiàn)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：一體式4G-LTE專網(wǎng)基站、調(diào)度機(jī)及和外界環(huán)境互聯(lián)互通的界互聯(lián)的PSTN網(wǎng)絡(luò)等是該層次的主要構(gòu)成。

（3）終端：由運(yùn)送、鉆孔、挖掘等諸多設(shè)備設(shè)施構(gòu)成。

2.2 功能分析

（1）視頻調(diào)度。分別利用車載攝像頭、采場(chǎng)360球機(jī)監(jiān)測(cè)礦區(qū)移動(dòng)與固定監(jiān)控點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以4G-LTE網(wǎng)絡(luò)為支撐，把礦區(qū)車輛周遭及各個(gè)作業(yè)面視頻信息動(dòng)態(tài)化的傳導(dǎo)至操控中心內(nèi)。調(diào)度系統(tǒng)能提供一TD-LTE多媒體為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)功能，迎合礦區(qū)內(nèi)語音對(duì)講多媒體調(diào)度、系統(tǒng)部署便捷、操作界面友好、穩(wěn)固性高、拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

（2）遠(yuǎn)程式操控。具體是操控人員遠(yuǎn)距離操作遠(yuǎn)程控制臺(tái)上的手柄，結(jié)合遠(yuǎn)程無人駕駛設(shè)備傳導(dǎo)反饋的數(shù)據(jù)信息，借助4G-LTE智能專網(wǎng)遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)、鉆孔機(jī)以及運(yùn)輸車的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（3）安全防護(hù)。遠(yuǎn)程無人駕駛設(shè)備投用礦區(qū)生產(chǎn)階段，能智能化檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，若感知通信信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，便會(huì)智能化的實(shí)施相關(guān)安全防護(hù)策略，暫停生產(chǎn)作業(yè)。

（4）移動(dòng)基站。室外覆蓋基站建設(shè)階段以移動(dòng)式箱型結(jié)構(gòu)規(guī)劃為支撐并聯(lián)合使用了脫鉤支撐車架，可以把金屬礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)備、電源設(shè)施等安置于可移動(dòng)基站內(nèi)，迎合礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)安全施工的現(xiàn)實(shí)要求。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該智能化系統(tǒng)主要由4G-LTE基站（1套）、運(yùn)輸車、挖掘機(jī)和鉆孔機(jī)操控臺(tái)（各1套）構(gòu)成。

將室外基站和天線設(shè)施安置在露天礦區(qū)最高處的適宜部位，射頻線纜用做銜接設(shè)施，功能以覆蓋露天礦山信號(hào)為主。網(wǎng)線銜接室外基站與三層交換機(jī)，在各層網(wǎng)絡(luò)相互連通、合理調(diào)配設(shè)備運(yùn)行參數(shù)后，運(yùn)輸車上配置的攝像機(jī)便能采集圖像與數(shù)據(jù)信心，將其整合至操作中心[3]。在以上過程中，圖像調(diào)度軟件通過預(yù)設(shè)程序處理圖像信息后，將其清洗的呈現(xiàn)在顯示器上，這樣操作人員便能更直觀、整體的觀測(cè)到礦區(qū)中各臺(tái)運(yùn)輸車輛周遭信息。關(guān)于車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，其被8口串口服務(wù)器處置以后，還會(huì)被準(zhǔn)確無誤的傳導(dǎo)至運(yùn)輸車輛操作臺(tái)上，運(yùn)輸車操作臺(tái)的觸摸屏是呈現(xiàn)運(yùn)輸車輛即時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的主要載體。另外，合理應(yīng)用觸摸屏能夠選擇車輛編號(hào)，快速落實(shí)8輛運(yùn)輸車的切換任務(wù)。本文如下主要探究4G-LTE專網(wǎng)有關(guān)業(yè)務(wù)形態(tài)。

3.1 GPS卡調(diào)系統(tǒng)對(duì)接組網(wǎng)

GPS卡調(diào)系統(tǒng)的功能可以做出如下闡釋：GPS定位技術(shù)為支撐，線性規(guī)劃算法模型是主要的完善基礎(chǔ)，無線通信用于傳導(dǎo)數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)設(shè)備的協(xié)助下，動(dòng)態(tài)化調(diào)控采礦區(qū)內(nèi)卡車、電鏟等機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。以上是露天礦智能化生產(chǎn)過程的重要一環(huán)，卡調(diào)系統(tǒng)有傳輸信息精確度高、時(shí)效性強(qiáng)等特征，關(guān)系著采礦運(yùn)輸作業(yè)的臺(tái)時(shí)功效。利用4G-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)能達(dá)到快速、準(zhǔn)確的銜接安置在不同方位的卡調(diào)系統(tǒng)，使其演變成一個(gè)高帶寬傳輸通道，從根本上保證卡調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳導(dǎo)的精確度、時(shí)效性，實(shí)時(shí)追蹤露天礦區(qū)內(nèi)卡車、電鏟、鉆機(jī)、推上機(jī)等諸多機(jī)械設(shè)備作業(yè)狀態(tài)。

3.2 礦區(qū)視頻圖像調(diào)度

4G-LTE無線通信系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)階段能有效結(jié)合移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)（例如手持臺(tái)、車載臺(tái)等）與固定監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)時(shí)回傳礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)的視頻圖像資源[4]。

3.3 Tetra系統(tǒng)對(duì)接組網(wǎng)

在設(shè)計(jì)4G-LTE專網(wǎng)階段，通過安置集群網(wǎng)關(guān)，建設(shè)4G-LTE、Tetra數(shù)字集群系統(tǒng)兩者間的互動(dòng)互通關(guān)系，這樣 Tetra用戶便能順利的步入到LTE專網(wǎng)中的群組呼叫體系， Tetra用戶在LTE專網(wǎng)群組內(nèi)持有一定話語權(quán)及自我發(fā)出釋放權(quán)。全球有權(quán)威機(jī)構(gòu)專家指出，加大對(duì)現(xiàn)存TETRA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段資金投入數(shù)額，結(jié)合后續(xù)幾年中的現(xiàn)實(shí)使用需求，最有效的渠道就是以混合網(wǎng)絡(luò)為依托，持續(xù)賦予TETRA語音通信功能，在移動(dòng)寬帶服務(wù)上保證數(shù)據(jù)信息的利用效率等同于打造TETRA+LTE（2+4）寬窄帶通信互通融合模式。

3.4 礦區(qū)彩信業(yè)務(wù)

4G-LTE專網(wǎng)持有對(duì)外提供彩信發(fā)送業(yè)務(wù)的功能，利用各種移動(dòng)終端、調(diào)度臺(tái)，操作人員均能便利的編寫與發(fā)送彩信，該智能網(wǎng)絡(luò)支持“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”，“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”和“點(diǎn)到群組”等諸多彩信傳送形式。

露天礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)中，到現(xiàn)場(chǎng)檢修人員察覺到異常狀況時(shí)，當(dāng)場(chǎng)拍照后快速將圖像傳輸至調(diào)度中心上，而后調(diào)度中心負(fù)責(zé)把編輯好的彩信群發(fā)給有關(guān)工作人員，并且會(huì)帶有闡釋性文字，為有關(guān)作業(yè)人員快捷、精確捕獲與掌握重要信息創(chuàng)造便利，有關(guān)專家會(huì)結(jié)合彩信內(nèi)容，考慮多方面因素，探究相關(guān)應(yīng)對(duì)方法，更為科學(xué)的指導(dǎo)礦區(qū)分檢修人員開展各項(xiàng)維修工作。

3.5 礦區(qū)移動(dòng)式辦公

以4G-LTE專網(wǎng)為支撐，能打造出完善化的礦區(qū)移動(dòng)式辦公隔絕，明顯的提升了辦公效率。 4G-LTE專網(wǎng)持有自主定義電子表單、公文接收與發(fā)送、程序?qū)徟裙δ?，高效率的?yīng)對(duì)了露天礦區(qū)業(yè)務(wù)形態(tài)波動(dòng)性較大的現(xiàn)實(shí)問題。并聯(lián)合push mail功能，確保有任務(wù)或郵件傳達(dá)時(shí)第一時(shí)間對(duì)管理人員發(fā)出提醒信號(hào)，保證了與露天礦自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的高效性，進(jìn)一步提升了礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的安全性，為預(yù)期產(chǎn)能目標(biāo)的達(dá)成奠定基礎(chǔ)[5]。

3.6 數(shù)字化礦山有關(guān)業(yè)務(wù)

數(shù)字化礦區(qū)生產(chǎn)管理是當(dāng)下國內(nèi)眾多礦業(yè)企業(yè)運(yùn)營階段迫切想要構(gòu)建的格局，4G-LTE的使用為以上目標(biāo)達(dá)成創(chuàng)造了良機(jī)。4G-LTE專網(wǎng)可以被看成是構(gòu)建數(shù)字化礦山階段一條無線高速公路，有智能化調(diào)控礦山生產(chǎn)、線上監(jiān)控卡車輪胎、自動(dòng)化監(jiān)控鉆孔深度、準(zhǔn)確定位挖掘機(jī)高程、監(jiān)測(cè)車輛燃油耗用、供配電設(shè)備監(jiān)視、動(dòng)態(tài)化采集數(shù)據(jù)信息、管理ERP PM模塊、安全生產(chǎn)技術(shù)調(diào)控、突發(fā)事件應(yīng)對(duì)、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境勘測(cè)與生產(chǎn)規(guī)劃、供配電遠(yuǎn)程式調(diào)控、各崗位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序移動(dòng)端學(xué)習(xí)等諸多功能。

3.7 構(gòu)建無線通信系統(tǒng)基站

立足于某集團(tuán)公司露天礦山4G無線通信系統(tǒng)建設(shè)狀況，結(jié)合露天礦區(qū)現(xiàn)有鐵塔設(shè)備狀況，擬定選用10個(gè)站址開展覆蓋檢測(cè)活動(dòng)，具體方案如下：

（1）頻點(diǎn)方案：頻段區(qū)間780～1800MHz，帶寬、中心頻點(diǎn)依次為20MHz、1790MHz。

（2）站點(diǎn)方案：基站天線高程為30m，選定4T4R定向天線，TDD上/卜行時(shí)隙配置比為3:1。

（3）終端方案：CPE、EP820分別為3m、1.5m，酌情設(shè)定各終端類型的數(shù)目。

（4）站點(diǎn)設(shè)計(jì)：站點(diǎn):10個(gè)，26個(gè)分區(qū)，eRRU（1.8GHz4T4R）：26個(gè)，4path定向天線：26副，eBBU：10個(gè)。

和常規(guī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能作比較，SDN轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的運(yùn)作原理是分離控制平面與數(shù)據(jù)平面，控制器負(fù)責(zé)完成所有數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)工作，并有配置及管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能，借此方式大幅度的提升網(wǎng)絡(luò)管理工作成效。交換設(shè)備僅需落實(shí)管理數(shù)據(jù)信息的單項(xiàng)任務(wù)，有益于強(qiáng)化交換設(shè)備系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性。SDN調(diào)控轉(zhuǎn)發(fā)分離可編程網(wǎng)絡(luò)見圖1[6]。

圖1 SDN調(diào)控轉(zhuǎn)發(fā)分離可編程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

（6）系統(tǒng)功能主要有：①轉(zhuǎn)發(fā)指令：OpenFlow協(xié)議和向南接口相互銜接后，能將既往的網(wǎng)絡(luò)二、三層設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)表取締，形成的流表有解析流與處置動(dòng)態(tài)功能；②背板轉(zhuǎn)發(fā)：SDN使用階段對(duì)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)速率提出了高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，為促進(jìn)數(shù)據(jù)交換過程，配置性能高端的芯片就能達(dá)成；③鏈路調(diào)度：通常情況下，項(xiàng)交換端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息，均需要在端口完成信息分析處理任務(wù)。而本系統(tǒng)內(nèi)配置了QOS的交換機(jī)，有對(duì)部分報(bào)文按照級(jí)別優(yōu)先分類處理的功能，科學(xué)調(diào)整列隊(duì)信息，達(dá)成對(duì)QOS字段相關(guān)鏈路程序的精準(zhǔn)調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文以自動(dòng)化控制及4G-LTE技術(shù)為支撐，建設(shè)一套功能較為完善的智能化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能結(jié)合露天礦區(qū)生產(chǎn)狀況，對(duì)各種采礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行信息化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程式遙控礦區(qū)作業(yè)面的目標(biāo)，構(gòu)建了遠(yuǎn)程調(diào)控鉆孔、挖掘、運(yùn)輸為一體的生產(chǎn)鏈條，提升了網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，推動(dòng)礦區(qū)安全生產(chǎn)過程。