露天礦山場景下5G專網(wǎng)及應(yīng)用賦能的探討

王忠新，趙晨陽，劉中國（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

1 智慧礦山推進(jìn)歷程

近年來，國家陸續(xù)出臺多部政策推進(jìn)智慧化礦山進(jìn)程，2016 年國土資源部發(fā)布的《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020年）》，明確提出未來5年要大力推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，加快建設(shè)數(shù)字化、智能化、自動化礦山。《國家能源安全戰(zhàn)略行動計(jì)劃（2013—2020）》明確提出“節(jié)約、清潔、安全”，建成集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代先進(jìn)高效的智慧礦山，促使礦山企業(yè)生產(chǎn)效率大幅提升?！吨袊圃?025》《“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》（2015—2018 年）行動計(jì)劃的出臺，契合了十八大會議精神，打造了創(chuàng)新型智慧礦山，推動了傳統(tǒng)礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

另一方面，5G 以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和高帶寬、低時(shí)延、海量連接的能力，成為各垂直行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。將5G技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山，可以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)節(jié)的智能感知、泛在連接、精準(zhǔn)控制，催生多個(gè)智慧礦山成熟應(yīng)用場景，比如智能開采、智能掘進(jìn)、智能巡檢、無人礦卡等。5G 與智慧礦山的深度融合將促進(jìn)礦山數(shù)字化、少人化、無人化的轉(zhuǎn)型，提升企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

某露天礦山是中國境內(nèi)的特大型露天鉬礦田，為實(shí)現(xiàn)礦山智能感知、智能決策、智能控制要求，滿足透明礦山可視化、各要素實(shí)時(shí)互聯(lián)、海量感知數(shù)據(jù)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集傳輸、智能控制無線化等需求，結(jié)合鉬礦行業(yè)特點(diǎn)、智慧礦山應(yīng)用與發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)了基于5G 專網(wǎng)+應(yīng)用賦能的整體方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智慧礦山多專業(yè)、多部門的協(xié)同應(yīng)用作業(yè)。

2 礦山場景5G專網(wǎng)建設(shè)方案

2.1 露天礦山對5G網(wǎng)絡(luò)的需求

露天礦開采具有開采規(guī)模大、基建時(shí)間短、機(jī)械化程度高和作業(yè)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性與機(jī)械設(shè)備的移動性會影響信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和穩(wěn)定性。對露天礦山而言，5G網(wǎng)絡(luò)可解決4G/Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)傳輸信息延時(shí)大、丟包多、成本高的問題，讓礦山的遠(yuǎn)程操作、無人駕駛、無人機(jī)巡檢視頻傳輸實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)傳輸，將礦山打造成為數(shù)字化、矢量化、可視化、智慧化的生產(chǎn)運(yùn)維管理平臺，更快更好地實(shí)現(xiàn)露天礦山建設(shè)和開采目標(biāo)。

2.2 露天礦山5G專網(wǎng)方案

整體方案：露天礦山的5G專網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，礦區(qū)生產(chǎn)設(shè)備終端通過CPE、DTU 接入或直接接入廠區(qū)5G基站，UPF分流網(wǎng)關(guān)下沉至部署在廠區(qū)機(jī)房的MEC，MEC 平臺提供共享云化資源部署礦區(qū)智慧應(yīng)用，對遠(yuǎn)程駕駛、無人駕駛、無人機(jī)巡檢等業(yè)務(wù)流量進(jìn)行本地處理，在礦區(qū)機(jī)房部署防火墻做好平臺與內(nèi)網(wǎng)的隔離，通過防火墻設(shè)置可信資源和非可信資源，防御病毒入侵，并由運(yùn)維人員為終端分配園區(qū)專網(wǎng)的IP 地址段，通過防火墻策略僅允許特定終端接入，礦區(qū)至中國聯(lián)通核心機(jī)房通過專線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可滿足客戶訪問公網(wǎng)的需求。

圖1 整體網(wǎng)絡(luò)方案拓?fù)鋱D

核心網(wǎng)組網(wǎng)方案：露天礦5G 專網(wǎng)采用SA 組網(wǎng)方案，MEC 節(jié)點(diǎn)部署在礦區(qū)本地機(jī)房，采用“網(wǎng)絡(luò)+平臺”的ICT 融合模式，網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供分流及配置能力、平臺采用中國聯(lián)通自主研發(fā)的CUC-MEC 平臺，并在平臺上部署礦區(qū)的應(yīng)用。專網(wǎng)采用分流專享+平臺專享部署模式，分流網(wǎng)元UPF/GW-U 及平臺均部署在礦區(qū)接入機(jī)房，分流網(wǎng)元和平臺均為礦區(qū)專享。對于礦區(qū)業(yè)務(wù)，分流網(wǎng)元將流量分流至本地平臺，為礦區(qū)提供服務(wù)，適用于無人駕駛等對時(shí)延要求比較高的5G應(yīng)用。

無線組網(wǎng)方案：根據(jù)5G 智能化礦山的整體需求，考慮露天礦山實(shí)際使用場景，礦區(qū)的無線網(wǎng)方案中共規(guī)劃建設(shè)4 個(gè)5G 基站，其中采礦區(qū)3 個(gè)，采礦辦公區(qū)1個(gè)，實(shí)現(xiàn)采礦區(qū)、采礦辦公區(qū)5G 信號全覆蓋。采礦區(qū)南北長約1 200 m，東西寬約800 m，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)狀及無線環(huán)境，新建的3個(gè)站點(diǎn)采用12 m高H桿，可全覆蓋采礦區(qū)。采礦區(qū)1號基站位于采礦區(qū)西側(cè)道路半坡處，覆蓋采礦區(qū)西北區(qū)域；采礦區(qū)2號基站位于采礦區(qū)進(jìn)口道路西側(cè)坡頂，覆蓋采礦區(qū)東南區(qū)域；采礦區(qū)3號基站位于采礦區(qū)礦坑中部道路斜坡上，覆蓋采礦區(qū)中東北區(qū)域。辦公樓以北約60 m 山坡上有1 個(gè)基站，為山頂拉線塔，為實(shí)現(xiàn)辦公區(qū)域的5G 信號覆蓋，計(jì)劃在原有基站（利舊）上增加1套5G設(shè)備。

傳輸網(wǎng)方案：前傳是由距離最近的中國聯(lián)通某支局新建一條72芯架空光纜至礦區(qū)機(jī)房，從機(jī)房接一條3 km 48 芯架空光纜至采礦區(qū)，采礦區(qū)內(nèi)新建24 芯架空/直埋光纜至各個(gè)基站；回傳線路為礦區(qū)5G 專網(wǎng)新建接入環(huán)路，新建3 套華為ATN-980C 傳輸接入設(shè)備和3架綜合柜。

3 基于5G的智慧礦山應(yīng)用賦能

本文針對礦山實(shí)際應(yīng)用場景，基于5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低延時(shí)、廣連接的特點(diǎn)，打造“1+1+N”系統(tǒng)架構(gòu)，面向礦企集團(tuán)提供一張網(wǎng)，一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，N個(gè)礦井邊緣云節(jié)點(diǎn)，通過“5G 網(wǎng)絡(luò)云化”，實(shí)現(xiàn)3T（IT、OT、CT）融合。該系統(tǒng)架構(gòu)可拉通“云-邊-網(wǎng)-端”，通過全量數(shù)據(jù)的采集處理，打造統(tǒng)一的智慧礦山體系。露天礦山可基于此架構(gòu)，部署遠(yuǎn)程駕駛及三維虛擬礦山等應(yīng)用。

3.1 5G遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng)

遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng)分為車載終端（無人挖掘機(jī)）和控制終端（遠(yuǎn)程遙控座艙）2 個(gè)模塊。車載終端安裝在挖掘機(jī)車體上，接收并執(zhí)行控制終端的指令，回傳車輛動作信息和狀態(tài)信息，并采集上傳作業(yè)環(huán)境視頻。控制終端（遠(yuǎn)程遙控座艙）采集發(fā)送動作控制指令，接收顯示車輛動作信息和狀態(tài)信息。車載終端和控制終端的雙向數(shù)據(jù)傳輸和單向圖像傳輸通過5G 終端模塊CPE 和5G 網(wǎng)絡(luò)相互連通，以形成控制閉環(huán)，便于操縱人員在控制臺對挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。5G 網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低延時(shí)特點(diǎn)可滿足該方案對網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、視頻傳輸高帶寬的要求。無人駕駛挖掘機(jī)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人駕駛挖掘機(jī)總體方案圖

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程遙控履帶式挖掘機(jī)方案包括無人駕駛挖掘機(jī)、遠(yuǎn)程遙控座艙或控制室、5G 通信網(wǎng)絡(luò)、5G 通信終端CPE、攝像頭及相關(guān)控制設(shè)備。遠(yuǎn)程遙控座艙或控制室可分布在礦區(qū)辦公區(qū)域或礦區(qū)之外，根據(jù)礦區(qū)工況需求布局場地環(huán)境攝像頭、無人駕駛挖掘機(jī)或者其他無人設(shè)備，在挖掘機(jī)的駕駛室、動臂上布置高清攝像頭和VR 全景攝像頭，采集挖掘機(jī)作業(yè)場景實(shí)時(shí)圖像，經(jīng)過視頻處理（影像拼接和編碼壓縮）后，通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程遙控座艙或控制室。遠(yuǎn)程遙控座艙或控制室接收、解碼視頻信號后，在遠(yuǎn)程遙控座艙分屏顯示挖掘機(jī)作業(yè)場景的實(shí)時(shí)畫面，或在VR 一體化頭盔上顯示全景視頻。多個(gè)攝像頭同時(shí)采集視頻，操作者可以切換不同視角以觀察現(xiàn)場不同方位的圖像視頻。挖掘機(jī)通過加裝的車體傾角傳感器測量車身的姿態(tài)角度，監(jiān)控當(dāng)前路面的平整度（車輛前進(jìn)需要保證路面平整）。當(dāng)檢測到車輛側(cè)傾或坡度角超過告警值時(shí)，控制器控制電鏟停止行進(jìn)，并向駕駛員發(fā)送告警信號，無人駕駛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 無人駕駛挖掘機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.2 三維虛擬礦山技術(shù)

三維虛擬礦山方案是在低精度場景下，系統(tǒng)平臺通過3D 立體實(shí)景建模與GIS 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)合，實(shí)現(xiàn)360°模擬展示現(xiàn)場環(huán)境，立體展示實(shí)景礦山，監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和工作車輛狀態(tài)，維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)營，從而減少值守工作人員，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的無人或少人值守，達(dá)到減員增效的目的；涉及高精度應(yīng)用場景時(shí)，系統(tǒng)平臺通過無人機(jī)傾斜攝影、Unity3D 技術(shù)進(jìn)行等比例建模，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工況、車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)高精度呈現(xiàn)。圖4所示為三維虛擬礦山示意圖。

圖4 礦山三維建模圖

無人機(jī)傾斜攝影建模系統(tǒng)結(jié)合無人機(jī)、自動充電、5G、云計(jì)算、人工智能、圖像處理等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)航線獲取、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建等功能。系統(tǒng)可根據(jù)地圖上提前設(shè)定的航點(diǎn)為無人機(jī)自動生成航線，同時(shí)系統(tǒng)可為每個(gè)航點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置豐富的航點(diǎn)動作，調(diào)整航點(diǎn)的飛行高度、飛行速度、飛行航向、云臺俯仰角度等參數(shù)。對于精細(xì)化飛行任務(wù)，系統(tǒng)還可在已建好的二維正射地圖或三維模型上進(jìn)行航點(diǎn)規(guī)劃，規(guī)劃效果更直觀。選定目標(biāo)區(qū)域后系統(tǒng)可自動規(guī)劃出1 組正射航線和4 組不同朝向的傾斜航線。全面的視角可以構(gòu)建更高精度的實(shí)景三維模型，同時(shí)支持設(shè)置傾斜云臺角度等參數(shù)以滿足不同的場景需求。基于同步定位、地圖構(gòu)建和影像正射糾正算法，在飛行過程中實(shí)時(shí)生成二維正射影像，實(shí)現(xiàn)邊飛邊出圖。該系統(tǒng)在作業(yè)現(xiàn)場就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，靈活采取更具針對性的應(yīng)對措施；可根據(jù)不同角度的拍攝影像，自動生成高精度的實(shí)景三維模型。在已建模型上，系統(tǒng)可輕松測量出目標(biāo)對象的坐標(biāo)、距離、面積、體積等多種關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步分析決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

智能礦山是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G 等技術(shù)，集成各類傳感器、自動控制器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、組件式軟件等，形成一套智慧體系，能夠主動感知、自動分析，依據(jù)深度學(xué)習(xí)的知識庫，形成最優(yōu)決策模型并對各環(huán)節(jié)實(shí)施自動調(diào)控，實(shí)現(xiàn)安全高效的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)營管理?！盁o人”是智慧礦山的最高形式，即開采面、掘進(jìn)面、危險(xiǎn)場所和大型設(shè)備均無人作業(yè)，所有工作通過機(jī)器人和智能設(shè)備完成。

預(yù)計(jì)到2022年初步形成重要環(huán)節(jié)的信息化傳輸、自動化運(yùn)行技術(shù)體系，基本實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面減人提效、綜合機(jī)械化回采工作面內(nèi)少人或無人操作、井下和露天礦固定崗位的無人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多種類型、不同模式智能化示范礦山。2025 年形成礦山智能化建設(shè)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)智能化決策和自動化協(xié)同運(yùn)行，重點(diǎn)崗位機(jī)器人作業(yè)，露天礦實(shí)現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無人化運(yùn)輸，大型礦山實(shí)現(xiàn)智能化。2035 年構(gòu)建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的礦山智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的智能化礦山，實(shí)現(xiàn)無人化礦山生產(chǎn)。