5G技術(shù)在礦山安全生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

岳 明，白 燁

(1.三門峽市工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)執(zhí)法監(jiān)察支隊(duì)，河南 三門峽 472000；2.三門峽綠源環(huán)保科技有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引 言

我國(guó)礦產(chǎn)資源種類豐富，伴隨工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，礦山機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)不斷提高，但礦山生產(chǎn)安全事故仍時(shí)有發(fā)生，究其原因主要是礦山還未實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)，未達(dá)到本質(zhì)安全水平。如今，以5G技術(shù)為載體，將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等新一代信息技術(shù)與現(xiàn)代礦山開采技術(shù)深度融合[1]，構(gòu)建全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、協(xié)同控制的智能采礦系統(tǒng)[2]，將實(shí)現(xiàn)礦山開采全過程高效、安全、智能運(yùn)行[3]。進(jìn)一步提高礦山企業(yè)的整體安全發(fā)展水平，向著礦山無人化作業(yè)和本質(zhì)安全水平不斷邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)礦山行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 5G技術(shù)在礦山安全生產(chǎn)中應(yīng)用的必要性

5G技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳播速度快、通信帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r(shí)延、可靠性高、安全性好等特性。目前5G技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能交通等領(lǐng)域，國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告多次提出“發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“加大5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)力度”。2020年2月，國(guó)家發(fā)展改革委等八部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確了煤礦智能化的發(fā)展方向[4]。2020年5月，采礦行業(yè)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”工作會(huì)議發(fā)布了第一批重點(diǎn)行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景，指出采礦業(yè)要以生產(chǎn)機(jī)械化、設(shè)備智能化、作業(yè)無人化、管理一體化為目標(biāo)，打造本質(zhì)安全的智慧礦山[5]。5G技術(shù)與礦山行業(yè)進(jìn)行深度融合是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

礦山行業(yè)包含露天礦和井工礦2種環(huán)境，安全生產(chǎn)是紅線和底線[6]。在露天礦環(huán)境中，爆破、邊坡失穩(wěn)、礦石墜落等因素易引起開采人員傷亡；在井工礦環(huán)境中，存在火災(zāi)、透水、冒頂片幫、瓦斯與煤塵爆炸、沖擊地壓等事故風(fēng)險(xiǎn)，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；與此同時(shí)，高溫、高濕、粉塵等惡劣復(fù)雜的工作環(huán)境，對(duì)工人健康也產(chǎn)生較大危害。因此，將5G技術(shù)與礦山安全生產(chǎn)深度融合，推動(dòng)礦山企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高端化轉(zhuǎn)型升級(jí)，向著少人化、無人化、現(xiàn)代化方向發(fā)展顯得尤為必要，可大大改善礦山工作環(huán)境，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員傷亡事故，把員工從危險(xiǎn)有害作業(yè)環(huán)境中解放出來。如榆家梁煤礦、新元煤礦、龐龐塔煤礦、鮑店煤礦、紫金山金銅礦、普朗銅礦、安慶銅礦等利用5G技術(shù)積極開展自主智能割煤、自動(dòng)跟機(jī)移架、無人智能巡檢、遠(yuǎn)程設(shè)備操控、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、設(shè)備協(xié)同作業(yè)等典型應(yīng)用場(chǎng)景，成效顯著。

2 5G技術(shù)在礦山行業(yè)的典型應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸和處理

5G技術(shù)具有更加穩(wěn)定和可靠的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)采集完善的數(shù)據(jù)信息，通過各類傳感器搭載5G技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、排、安”等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能分析處理，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自診斷與智能決策。礦山企業(yè)管理人員可通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)移動(dòng)終端獲取和傳輸各類礦山系統(tǒng)信息，如人員位置，設(shè)備參數(shù)(電壓、電流、轉(zhuǎn)速、設(shè)備溫度等運(yùn)行工況)，瓦斯?jié)舛龋敯鍫顟B(tài)，應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)，通風(fēng)環(huán)境參數(shù)(風(fēng)量、風(fēng)速、粉塵及有毒有害氣體濃度等)，風(fēng)險(xiǎn)隱患分布等，從而全面了解礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，排查安全隱患，保障礦井安全生產(chǎn)，預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生。

鮑店煤礦啟動(dòng)礦用5G專網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，依托5G+視覺識(shí)別等技術(shù)，通過傳感器、視頻采集等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下采掘設(shè)備控制信號(hào)、車輛狀況、通風(fēng)環(huán)境參數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)快速安全傳輸、智能判斷及故障預(yù)警，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況，可做到遠(yuǎn)程迅速處置，提升了礦山危險(xiǎn)狀況下的安全生產(chǎn)預(yù)測(cè)效率和應(yīng)急管理能力。河鋼集團(tuán)研發(fā)的智能巡檢機(jī)器人在特殊場(chǎng)所代替人工進(jìn)行巡檢，具有5G實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳、自主/手動(dòng)運(yùn)行模式自由切換、故障報(bào)警等功能，運(yùn)用手機(jī)APP和云端智能巡檢管控平臺(tái)完成遠(yuǎn)程全自動(dòng)巡檢[5]。

2.2 無人駕駛及遠(yuǎn)程控制

V2X(車聯(lián)網(wǎng)無線通信系統(tǒng))依托5G技術(shù)的高速率、高可靠性、大帶寬、低時(shí)延等特性，將無人礦車(包括挖掘機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、電機(jī)車等設(shè)備)、礦山道路(井下巷道)和云智能調(diào)度平臺(tái)連接起來，通過礦車—道路—平臺(tái)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)車輛無人駕駛及遠(yuǎn)程控制。采礦工人在地面調(diào)度大廳就能操作井下采礦設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了“少人、無人”的安全生產(chǎn)，從而改善工人勞動(dòng)環(huán)境，降低了礦山運(yùn)行成本和事故發(fā)生概率。5G在無人駕駛中的應(yīng)用見圖1，其中T-Box表示遠(yuǎn)控信息處理器，RSU表示路側(cè)單元。

圖1 5G技術(shù)在無人駕駛中的應(yīng)用Fig.1 Application of 5G technology in self-driving

紫金山金銅礦研發(fā)了基于5G技術(shù)的井下電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)，11臺(tái)無人機(jī)車在溜井、卸礦站等不同地點(diǎn)有序運(yùn)輸，日運(yùn)輸?shù)V量達(dá)到4萬t以上[7]。普朗銅礦由遠(yuǎn)程控制5G鏟運(yùn)機(jī)代替現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，節(jié)省了井下爆破作業(yè)前后人員安全撤離及通風(fēng)的時(shí)間，進(jìn)而增加4小時(shí)的礦石開采時(shí)間，采礦效率提升了18 %。

2.3 目標(biāo)跟蹤和動(dòng)態(tài)管控

應(yīng)用5G技術(shù)對(duì)礦山生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)目標(biāo)跟蹤和動(dòng)態(tài)化管控，實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)與控制中心的信息互通、集成和共享，便于管理人員了解礦山生產(chǎn)情況。5G技術(shù)在目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用見圖2。設(shè)置若干固定監(jiān)控設(shè)備，依托5G網(wǎng)絡(luò)接收信息并傳至控制中心，調(diào)度人員可實(shí)時(shí)監(jiān)督各采礦車輛的作業(yè)情況并落實(shí)管理工作。

圖2 5G技術(shù)在目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用Fig.2 Application of 5G technology in target tracking

千業(yè)水泥以5G網(wǎng)絡(luò)為依托，融合GPS及北斗定位、視覺感知、信息傳感等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山穿孔、鏟裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的無人化遠(yuǎn)程操控，完成區(qū)域內(nèi)作業(yè)車輛的集群調(diào)度工作，實(shí)現(xiàn)1人操控多臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)車輛安全、高效駕駛，生產(chǎn)效率提升達(dá)80 %以上。為進(jìn)一步提升目標(biāo)跟蹤和動(dòng)態(tài)管控效果，需做好2點(diǎn)：①在礦區(qū)內(nèi)部增設(shè)智能固定監(jiān)控設(shè)備，確保實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面采集各類生產(chǎn)信息；②構(gòu)建智能監(jiān)控裝置的系統(tǒng)內(nèi)部信息傳輸通道，確保各模塊間有效通信。

2.4 應(yīng)急管理

基于5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建應(yīng)急管理大數(shù)據(jù)綜合管控平臺(tái)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的綜合性評(píng)估[8]，做到智能監(jiān)測(cè)預(yù)警和快速應(yīng)急響應(yīng)。通過5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)采集的各類數(shù)據(jù)信息安全可靠地傳輸至綜合管控平臺(tái)，經(jīng)匯總和深入分析生產(chǎn)安全性，可智能判斷是否需要報(bào)警和應(yīng)急處置，構(gòu)建起具備AI感知、輔助決策、協(xié)同控制、互聯(lián)互通的一鍵式應(yīng)急管理系統(tǒng)?；?G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急管理大數(shù)據(jù)綜合管控平臺(tái)見圖3。

圖3 基于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急管理大數(shù)據(jù)綜合管控平臺(tái)Fig.3 5G network-based integrated big data management platform for emergency

義煤公司建設(shè)“電子封條”聯(lián)網(wǎng)接入礦山智能監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)管”。通過在煤礦關(guān)鍵地點(diǎn)(主副井口、風(fēng)井口、車輛出入口和調(diào)度室等處)安裝攝像機(jī)等設(shè)備，利用智能化視頻識(shí)別、圖像分析等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井出入井人員及作業(yè)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常動(dòng)態(tài)，自動(dòng)生成、推送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。安慶銅礦井下泵房、壓風(fēng)機(jī)房、變電所等場(chǎng)所應(yīng)用5G技術(shù)構(gòu)建生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能診斷、生產(chǎn)流程和經(jīng)營(yíng)決策優(yōu)化[9]。

3 礦山安全生產(chǎn)中5G技術(shù)發(fā)展的建議

(1)提高與安全相關(guān)的人、物、設(shè)備、工藝、環(huán)境、安全管理等數(shù)字化感知程度。智能化分析決策的基礎(chǔ)是精準(zhǔn)的數(shù)字感知信息[10]，“人、機(jī)、環(huán)、管”等安全環(huán)節(jié)通過數(shù)字化感知，實(shí)現(xiàn)安全智能化。

(2)將礦山應(yīng)急管理系統(tǒng)與災(zāi)害精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合，完善礦山安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制和監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，提高礦山災(zāi)害應(yīng)急效率和水平?；谌斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)技術(shù)對(duì)礦山企業(yè)安全感知信息進(jìn)行融合，提升事故災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警、協(xié)同救援等智能化安全監(jiān)管水平。

(3)鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)5G場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)和成果轉(zhuǎn)化，相關(guān)部門研究制定礦山安全智能化體系建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)研制和產(chǎn)業(yè)化協(xié)同發(fā)展，以指導(dǎo)礦山安全智能化建設(shè)。

4 結(jié) 語

5G技術(shù)可確保網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，解決無人駕駛的通信延時(shí)問題，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤及環(huán)境監(jiān)控，從而提升礦山企業(yè)的本質(zhì)安全水平。在“5G+礦山安全生產(chǎn)”應(yīng)用中，應(yīng)重視提高與安全相關(guān)的數(shù)字化感知程度，推動(dòng)礦山應(yīng)急管理系統(tǒng)與災(zāi)害精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合，鼓勵(lì)礦山企業(yè)積極開展5G場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)和成果轉(zhuǎn)化，相關(guān)部門研究制定礦山安全智能化體系建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。