“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化頂層設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用研究

(太極計算機股份有限公司，北京 100012)

0 引言

我國采礦行業(yè)工作環(huán)境復(fù)雜，既有露天礦，又有井下礦。在露天礦經(jīng)常有山石墜落、作業(yè)區(qū)塌方滑坡、瓦斯爆炸等事故風(fēng)險。井下多是高溫高濕和混合粉塵的惡劣工作環(huán)境。以“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的智能制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和數(shù)字孿生等技術(shù)模式對于改造采礦行業(yè)提升智能化潛力巨大。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化應(yīng)用的宗旨是將5G通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)智能裝備和數(shù)字孿生等技術(shù)與礦山工作場景深度融合，突破重點在建設(shè)采礦綜合管控平臺上，在智能綜采、快速掘進、主輔運輸、安全監(jiān)控以及機器人等系列裝備實現(xiàn)自動化基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)智能化。本文將針對井工礦和露天礦智能化改造提出頂層設(shè)計，并對基于數(shù)字孿生的人-機協(xié)同控制以及基礎(chǔ)支撐數(shù)智中臺技術(shù)進行詳細介紹，利用遠程操控設(shè)備、設(shè)備協(xié)同運作等典型場景實施效果進行說明，同時展望了采礦業(yè)智能化技術(shù)的應(yīng)用前景，具有參考意義。

1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化技術(shù)分析

1.1 采礦智能化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和目標

根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施情況，我國井工礦可分為3類：基礎(chǔ)設(shè)施較好的大型礦、基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱的中小型礦和偏遠山區(qū)的礦山。要根據(jù)具體實際加強安全監(jiān)測、機械化、自動化、信息化和智能化水平提高，智能化更注重提升效能、安全預(yù)警、減人提效、遠程控制、無人值守和巡檢，形成智能一體化綜合管控；對于露天礦，首先要提升基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和信息傳輸能力，建立感知系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心，增加智能裝備和機器人，重點建設(shè)綜合管控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的場景應(yīng)用[1]。

礦山的智能化路徑依賴工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，當前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要以“設(shè)備物聯(lián)+分析”或“業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)+分析”的簡單應(yīng)用為主[2]。本文分析了礦山實際情況，首先提出頂層設(shè)計，將包括兩條主線：應(yīng)用場景的廣度覆蓋設(shè)備、工藝、產(chǎn)品、管理、流程等；數(shù)據(jù)分析的深度覆蓋基于規(guī)則和建模的故障診斷、預(yù)警、輔助決策。目前5G技術(shù)賦能礦山智慧生產(chǎn)已經(jīng)開始實施，如在露天礦利用連采機全方位跟蹤視頻監(jiān)控生產(chǎn)過程，實現(xiàn)了操作者全方位、零死角、高清晰監(jiān)控[3]，有身臨其境的感覺，形成采掘工作面視頻+智能化應(yīng)用場景。本文在此應(yīng)用基礎(chǔ)上進一步提出結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對單斗-卡車間斷工藝的生產(chǎn)環(huán)境進行整體模擬，同時結(jié)合數(shù)智中臺通用技術(shù)實現(xiàn)綜合指揮調(diào)度的人機協(xié)同控制系統(tǒng)。

1.2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化頂層設(shè)計

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化把采礦企業(yè)、采礦行業(yè)、采礦供銷鏈條整體連接起來[3]，其中5G是連接器，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐ǖ?，?shù)智中臺是數(shù)據(jù)處理的引擎，三者結(jié)合提升全產(chǎn)業(yè)鏈價值。采礦互聯(lián)網(wǎng)的實施總體情況如圖1所示。

圖1 采礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施總體視圖

該視圖可以概括為“3、2、1”體系，從下向上分別是邊緣和設(shè)備層、企業(yè)層和產(chǎn)業(yè)層共3層[4]，覆蓋研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等協(xié)同合作的各個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)。“2”是工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)，“1”是“一套安全”體系，含國家級、省和行業(yè)級、企業(yè)級以及邊緣安全防護。

邏輯架構(gòu)圖(見圖2)橫向劃分成邊緣和設(shè)備層、采礦IaaS、平臺層(采礦PaaS)、應(yīng)用層(采礦SaaS)以及工業(yè)安全防護共5部分。

邊緣和設(shè)備層包括設(shè)備自動化改造、協(xié)議解析和邊緣智能計算等；IaaS主要是云基礎(chǔ)設(shè)施；平臺層包括通用基礎(chǔ)支撐、采礦大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、礦山視頻結(jié)構(gòu)化和模式識別、采礦數(shù)據(jù)建模和分析、數(shù)字孿生場景平臺、采礦微服務(wù)組件庫和開發(fā)支撐工具；應(yīng)用層是企業(yè)內(nèi)部在設(shè)計、生產(chǎn)、管理及服務(wù)方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用及智能化場景應(yīng)用；安全體系建設(shè)保障企業(yè)和商業(yè)信息的絕對安全[5-6]。

井工礦和露天礦建設(shè)智能綜合管控平臺[7-9]利用工業(yè)生產(chǎn)、安全防控的智能聯(lián)動，并融合經(jīng)營管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分析，達到生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的全鏈條智能化改造，實現(xiàn)監(jiān)測實時化、控制自動化、安全本質(zhì)化、管理信息化、業(yè)務(wù)協(xié)同化、知識模塊化、決策智能化的目標。

1.3 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化重要技術(shù)

5G具有低時延(時延小于1 ms)、高可靠性(可靠性99.9999%)和大連接能力[10-11]，基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首先要求搭建井上井下“超千兆”的采礦5G專用網(wǎng)，實現(xiàn)作業(yè)礦區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)等全覆蓋，并具備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備隔爆性能，保障實時高清4K視頻回傳，融合現(xiàn)有傳輸設(shè)施、無線網(wǎng)關(guān)、北斗高精度定位、融合調(diào)度通信，提升采礦系統(tǒng)的綜合感知能力、融合交互能力[12-13]；其次，在邊緣和設(shè)備層，對現(xiàn)場設(shè)備、傳感器以及所有需要采集數(shù)據(jù)的終端上內(nèi)置5G模組或部署5G網(wǎng)關(guān)，包括遠程控制智控設(shè)備、高清攝像頭、巡檢機器人、無人機、智能化安防設(shè)備。

圖2 采礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施框架的邏輯視圖

為推進基于實時監(jiān)測的高精準工業(yè)自動控制和高精準定位能力物流供應(yīng)管理，下面介紹基于數(shù)字孿生的人機協(xié)同控制和基礎(chǔ)支撐通用技術(shù)數(shù)智中臺，提升資源配置效率和生產(chǎn)效率，降低事故發(fā)生的可能性。

1.3.1 基于數(shù)字孿生的人機協(xié)同控制

露天礦的單斗-卡車間斷工藝流程包含穿孔、爆破、采裝、運輸和排土等工序[14]，每個工序中均有不同材料和能源的消耗。要實現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出。實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場少人甚至無人而整個生產(chǎn)高效協(xié)同進行，需要利用大數(shù)據(jù)和人工智能，結(jié)合北斗高精度定位、防碰撞安全預(yù)警、自動駕駛和數(shù)字孿生等技術(shù)將該工藝系統(tǒng)改造成綜合指揮調(diào)度的人機協(xié)同控制系統(tǒng)，使其具有智能感知和自主決策功能，提供整體可視化實踐、故障診斷的自我學(xué)習(xí)及維護能力、人機共存協(xié)調(diào)合作、相輔相成能力。

數(shù)字孿生可以在信息空間構(gòu)建物理世界的全息映射，同步反映物理系統(tǒng)的實時動態(tài)[15]?？商峁﹥煞N典型可視化場景：高仿真全要素靜態(tài)場景、數(shù)據(jù)驅(qū)動動態(tài)場景。前者通過手工建模把各工序涉及的重點設(shè)備和物料、場地使用情況搭建成高仿真靜態(tài)場景。后者可接入歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動場景，還可以對工作現(xiàn)場環(huán)境、堆料、采裝運輸和排土生產(chǎn)預(yù)演、演練和復(fù)盤?？梢暬Ч茏龅皆贫送瓿射秩竞投嘣迫诤希蛻舳思嫒荻酁g覽器、多終端、多客戶端、同屏互動、支持8K高清晰畫面等。

當前，基于時序數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)品，數(shù)字孿生海量數(shù)據(jù)動態(tài)建模技術(shù)的研究還處于初級階段[16]，但基于場景的建模技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用，單斗-卡車間斷工藝流程是由鏟車、卡車以及輔助設(shè)備、操作人員、加工材料和環(huán)境共同組成的協(xié)同工作場景，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可達到降低溝通成本、提高檢查效率、降低安防風(fēng)險、遠程操作安全、快速支撐決策的效果。邏輯架構(gòu)如圖3所示。

實現(xiàn)卡車防碰撞和安全運行需要實時監(jiān)測挖掘機斗齒磨損狀態(tài)，卡車輪胎胎壓、溫度，卡車燃油消耗狀況和卡車周圍障礙物，并能及時提示操作司機；采裝運輸?shù)仍O(shè)備都具有單機狀態(tài)監(jiān)測，將設(shè)備狀態(tài)實時匯聚給綜合監(jiān)測系統(tǒng)，可協(xié)調(diào)各種信號交互和進行連鎖控制；可以利用邊緣層的設(shè)備故障診斷知識庫和數(shù)據(jù)樣本，通過邊緣計算實現(xiàn)設(shè)備故障自診斷；將北斗的高精度定位技術(shù)應(yīng)用于挖掘機、卡車和人員進行精確定位，實現(xiàn)設(shè)備和人員之間相對位置的精確監(jiān)測、人員警報和安全防護；將自動駕駛技術(shù)應(yīng)用在卡車上，其運行數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，在裝車過程中為挖掘機、卡車提供協(xié)同信號，通過卡車的智能調(diào)度管理實現(xiàn)安全可靠的遠程操控設(shè)備和自動駕駛，協(xié)同完成采裝工作；在鏟車、卡車前方和駕駛室內(nèi)安裝具備人、車、物識別功能和視頻增強功能的高清攝像儀，利用邊緣層的人工智能技術(shù)進行智能識別并處理突發(fā)事件，以實現(xiàn)安全預(yù)警；在采裝工作面環(huán)境加裝環(huán)境監(jiān)測傳感器，邊坡地形等視頻識別，結(jié)合以上各種感知設(shè)備的聲音、圖像、參數(shù)運行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位信息、人員信息，利用數(shù)字孿生技術(shù)，呈現(xiàn)采裝工作面的真實場景。

圖3 基于數(shù)字孿生的人機協(xié)同控制系統(tǒng)的邏輯視圖

首先，在檢驗工序流程的合理性方面，利用數(shù)字孿生技術(shù)協(xié)助模擬和仿真，模擬驗證在露天礦開采過程中的環(huán)境的影響。其次，在生產(chǎn)過程中，可保障鏟車工作、卡車運輸?shù)母咝?、高質(zhì)量、低成本和低資源損耗。第三，基于各種運行參數(shù)的實時獲取和仿真模擬，結(jié)合可視化監(jiān)控分析，可以對出現(xiàn)的問題快速發(fā)現(xiàn)、快速記錄、快速處理和快速調(diào)整。第四，通過設(shè)備自診斷功能的運用，及時發(fā)現(xiàn)異常工作狀態(tài)，并進行應(yīng)急處理，防止故障的進一步發(fā)生；最后，通過可視操控單機和協(xié)同機制，“一鍵啟停”關(guān)聯(lián)設(shè)備和多機協(xié)同工作，達到人機協(xié)同效果。

1.3.2 數(shù)智中臺

以大數(shù)據(jù)和人工智能為核心的數(shù)智中臺是采礦工業(yè)PaaS平臺的子平臺，主要為綜合指揮調(diào)度的人機協(xié)同控制系統(tǒng)提供通用的數(shù)據(jù)治理、算法分析和可視化支撐。

(1)采礦大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和建模分析

采礦智能化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)采集、治理、存儲和訪問接口標準。其中數(shù)據(jù)采集要包容跨網(wǎng)段的實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫的高效快速處理和管理，數(shù)據(jù)治理要符合礦山統(tǒng)一的數(shù)據(jù)口徑和要求。數(shù)據(jù)融合涉及地質(zhì)勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風(fēng)排水、供液供電、安全防控等生產(chǎn)系統(tǒng)。通過采礦數(shù)據(jù)治理體系，將礦山行業(yè)沉淀的設(shè)備、工藝、安全信息和行業(yè)專家知識，提煉成模型庫和知識庫。如單斗-卡車間斷工藝流程就涉及多數(shù)據(jù)源融合問題，不只包括滿足生產(chǎn)需要的數(shù)據(jù)，還包括環(huán)境、人員、設(shè)備自身壽命、監(jiān)控視頻圖像識別、人車定位等角度的數(shù)據(jù)信息[17]，這是人機協(xié)調(diào)工作場景必須的。

利用圖像識別、深度學(xué)習(xí)等智能算法，對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)進行分析。如對生產(chǎn)現(xiàn)場采集的環(huán)境狀況、人員動作行為、設(shè)備運行參數(shù)等經(jīng)過機器監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的分析，用于快速識別曠工異常行為、判斷活動軌跡偏離安全區(qū)域并預(yù)警。將挖掘工作面上的掘進、錨護、運輸?shù)仍O(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合故障自診斷知識，建立設(shè)備故障圖譜，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對設(shè)備運行趨勢進行動態(tài)分析預(yù)測和保養(yǎng)預(yù)期，對發(fā)生故障的設(shè)備進行診斷和定位以及智能推送告知。

(2)礦山視頻結(jié)構(gòu)化和模式識別

采集現(xiàn)場高清攝像頭、工業(yè)3D相機拍攝的高清圖像畫面或者全景高清視頻畫面及設(shè)備運行視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過視頻結(jié)構(gòu)化處理后用于建模和分析。如在掘進工作面的掘進頭和各轉(zhuǎn)載點以及傳輸環(huán)節(jié)的皮帶等設(shè)備安裝帶有視頻增強功能的高清攝像頭，將反映工作狀況結(jié)構(gòu)的化視頻，利用人工智能技術(shù)與預(yù)先設(shè)定的運行設(shè)備路線和正常參數(shù)進行對比，預(yù)測有無跑偏、障礙物阻擋、人員入侵、違規(guī)操作等工作異常情況，提前發(fā)出告警信息。

(3)礦山大數(shù)據(jù)應(yīng)用價值

相對于以產(chǎn)品占領(lǐng)市場的經(jīng)營方式，礦山企業(yè)利用工業(yè)數(shù)據(jù)分析用戶的行為和特征以及預(yù)測企業(yè)未來市場和發(fā)展的分析也很必要，主要是用來改變礦山企業(yè)只注重初級開采，而不重視深度加工帶來企業(yè)附加值的情況；對于生產(chǎn)過程的控制和優(yōu)化，以及安全監(jiān)測和預(yù)警報警則是礦山大數(shù)據(jù)的重點目標，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)能力、優(yōu)化工藝技術(shù)、降低設(shè)備材料損耗和資源損耗、提高質(zhì)量管理效率和安全意識等；未來發(fā)展模式是產(chǎn)品多樣化和用戶定制化逐漸成為主流，利用礦山大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，探索結(jié)合企業(yè)上下游生產(chǎn)力量，構(gòu)建綠色礦山生態(tài)，全方位多角度滿足用戶需求。

2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化技術(shù)應(yīng)用效果

在采礦行業(yè)應(yīng)用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，將加快生產(chǎn)和管理的智能化。下面將從遠程操控設(shè)備、設(shè)備協(xié)同運作、設(shè)備故障診斷、遠程監(jiān)測等方面說明采礦智能化技術(shù)應(yīng)用效果。

2.1 遠程操控設(shè)備

位于生產(chǎn)調(diào)度指揮中心工作人員啟動“開采”按鈕，現(xiàn)場的采掘等設(shè)備相繼啟動。同時通過現(xiàn)場的高清監(jiān)測與控制，操作控制面的工作人員可以適當后退，在一定程度上降低了工人作業(yè)過程中暴露在惡劣環(huán)境下的安全風(fēng)險，也降低了勞動強度。

2.2 設(shè)備協(xié)同運作

位于指揮中心的調(diào)度人員可以通過綜合管控系統(tǒng)將多臺卡車按需要靈活編隊、協(xié)同作業(yè)，達到一人操控多臺卡車，或者預(yù)先編制好預(yù)案實現(xiàn)無人化操作。

2.3 設(shè)備故障診斷

位于指揮中心的運維人員在接收到設(shè)備的診斷信息、運維信息、保養(yǎng)信息以及預(yù)警提示后，可以根據(jù)預(yù)案及時采取必要措施，或者遠程操控設(shè)備，或者按照提示到現(xiàn)場對綜采工作面上的挖掘機、以及運輸設(shè)備進行處理。

2.4 現(xiàn)場遠程監(jiān)測

指揮中心調(diào)度員利用數(shù)字孿生技術(shù)提供的現(xiàn)場畫面模擬，可以及時掌握現(xiàn)場設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，避免或減少人工抄錄數(shù)據(jù)不準、上報不及時和安全隱患等。通過遠程設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，技術(shù)人員在指揮中心對生產(chǎn)現(xiàn)場和特定區(qū)域的現(xiàn)場環(huán)境、粉塵濃度、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)、風(fēng)向和風(fēng)速等進行有效監(jiān)測，以及執(zhí)行監(jiān)控和處理報警預(yù)警。

3 結(jié)束語

本文提出了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”采礦智能化的頂層設(shè)計，基于數(shù)字孿生的人機協(xié)同控制技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)支撐數(shù)智中臺體系，并闡述了該技術(shù)在露天礦單斗-卡車間斷工藝智能化改造應(yīng)用情況，證明5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的采礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于采礦行業(yè)提升智能化水平是可行的，數(shù)字孿生技術(shù)支撐礦山工藝智能化改造是有實際意義的，也為相關(guān)行業(yè)的智能化提升提供了新思路。當前國家礦業(yè)部門正在積極推進煤礦智能化建設(shè)，以“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。