基于5G網(wǎng)絡(luò)的龐龐塔煤礦智能礦山建設(shè)

趙曉明

（霍州煤電集團河津騰暉煤業(yè)有限責任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)煤礦開采過程中的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、智能化操作及監(jiān)控等，形成具有開采效率高、作業(yè)安全性高的智能化礦山是當前煤礦領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢。不斷實現(xiàn)對整個煤礦領(lǐng)域智能化控制系統(tǒng)的升級建設(shè)，實現(xiàn)礦山中開采、挖掘、運輸、通風、洗煤等環(huán)節(jié)集中控制運行，對提高煤礦開采量及作業(yè)安全性顯得尤為重要。

基于上述背景，結(jié)合龐龐塔煤礦特點，開展該煤礦5G 智能礦山的建設(shè)與智能化應用研究，從基礎(chǔ)設(shè)施、全面感知、協(xié)同管控、智能控制等方面開展了該礦山的智能化建設(shè)，這對提高礦山的智能化水平具有重要支撐作用。

1 智能化系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

智能化系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)一般為金字塔形6 層架構(gòu)，自底層向上分別為設(shè)備層、基礎(chǔ)層、控制層、執(zhí)行層、管理層、決策層[1]。龐龐塔智能化建設(shè)中對系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)進行歸類、簡化，提出了4 層模型，包括設(shè)備感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應用層，如圖1所示。

2 網(wǎng)絡(luò)信息化升級建設(shè)

2.1 現(xiàn)狀和問題

當前，龐龐塔煤礦已經(jīng)建設(shè)了井下4G 專網(wǎng)，主要應用于通信。目前應用數(shù)據(jù)還依賴于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，4G 網(wǎng)絡(luò)在龐龐塔煤礦尚未應用到數(shù)據(jù)傳輸方面。礦區(qū)在用的工業(yè)環(huán)網(wǎng)為千兆以太工業(yè)環(huán)網(wǎng)，隨著智能化進程的推進，千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)帶寬不足以支撐相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，當前以太網(wǎng)交換機已無法實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)信令的傳輸，同時也無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片功能，不能滿足數(shù)據(jù)隔離傳輸[2]。為此，為提高礦山的開采效率及智能化程度，保證現(xiàn)場作業(yè)的安全，將5G 網(wǎng)絡(luò)集成到礦山的智能化建設(shè)中顯得十分必要。

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)架構(gòu)

龐龐塔煤礦5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)決定采用萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由萬兆IPRAN 環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)管服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度系統(tǒng)、接入層網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)及相關(guān)配套設(shè)備組成[3]，用于實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)以及工業(yè)環(huán)網(wǎng)中設(shè)備的接入和承載。通過統(tǒng)一建設(shè)的IPRAN 環(huán)網(wǎng)同時承載移動環(huán)網(wǎng)和工業(yè)環(huán)網(wǎng)，真正實現(xiàn)井下 “一張網(wǎng)”，5G 網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)

龐龐塔煤礦5G 組網(wǎng)特點如下：

（1）龐龐塔煤礦園區(qū)建設(shè)獨立核心網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，獨立運行，保障了生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全性；

（2）地面搭建5G MEC 邊緣計算，采用切片技術(shù)實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)通道隔離、互不干擾；

（3）IPRAN 環(huán)網(wǎng)代替工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)設(shè)備并聯(lián)連接，單節(jié)點帶寬達到50G，滿足5G 及煤礦井下業(yè)務(wù)的需要；

（4）采用多?；炯夹g(shù)，可在井下同時開通4G、5G、NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，不用更換基站設(shè)備即可將4G 網(wǎng)絡(luò)平滑升級到5G 網(wǎng)絡(luò)。

3 智能化系統(tǒng)建設(shè)

3.1 智能綜采工作面建設(shè)

井下綜采面環(huán)境惡劣、光線暗、粉塵多，且易發(fā)生瓦斯、頂幫垮冒等危險場景，對人身和機械設(shè)備容易造成較大傷害；同時井下戰(zhàn)線長，工作設(shè)備線纜較多、光纖損壞經(jīng)常發(fā)生，工業(yè)WiFi、4G 等無線通信手段，無法保證其可靠性和時延性[4]。工作面需要利用高質(zhì)量無線通信實現(xiàn)井下采煤機、液壓支架、刮板機、機器人等現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制，從而實現(xiàn)無人化作業(yè)。因此，綜采工作面必須實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，進而實現(xiàn)龐龐塔煤礦在智能綜采工作面方面突破性的設(shè)計。

（1）液壓支架遠程監(jiān)測控制技術(shù)設(shè)計

實時監(jiān)控液壓支架的工作狀態(tài)對提高綜采工作面的安全性至關(guān)重要。因此，可將液壓支架中電液控制系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)通過RS485 通訊及CAN 總線方式與智慧礦山中的遠程監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)通訊及傳輸，通過監(jiān)控中心來實時對液壓支架進行全程視頻監(jiān)控，根據(jù)井下作業(yè)要求，遠程對綜采工作面液壓支架的移動及高度等姿態(tài)進行調(diào)整控制，以滿足對其智能化遠程監(jiān)測及控制。

（2）采煤機遠程監(jiān)測控制技術(shù)設(shè)計

綜采工作面采煤機與液壓支架的控制功能及邏輯基本相似，需通過所建立的遠程監(jiān)控中心，進行通訊連接及數(shù)據(jù)傳輸，完成采煤機作業(yè)狀態(tài)及故障等數(shù)據(jù)信息向監(jiān)控中心的傳輸； 且針對采煤機出現(xiàn)的故障問題，可通過監(jiān)控中心進行故障類型及位置顯示，并執(zhí)行相應的安全保護措施，實現(xiàn)采煤機在井下綜采工作面復雜環(huán)境下的智能化遠程控制操作。

3.2 煤巷智能掘進工作面建設(shè)

結(jié)合煤礦掘進工作面現(xiàn)狀，以減人提效為目標，研發(fā)了一套智能掘進機、邁步自移式臨時超前支護、智能輔料運輸設(shè)備、快速深孔超前探放水鉆機、 自移式機尾及可伸縮帶式輸送機等相互配合使用的智能掘進成套裝備，融合5G 技術(shù)實現(xiàn)自動定形定向截割、自動錨固及智能遠程遙控等，具有掘進工作面遠程遙控操作，遠程可視監(jiān)控的功能。智能懸臂式掘進機自動截割煤（巖），邁步自移式臨時超前支護始終為掘進機提供臨時支護。智能懸臂式掘進機每割一刀，邁步自移式臨時超前支護向前行進一個步距，邁步自移式臨時超前支護機載的錨桿鉆機和鋪設(shè)鋼帶錨網(wǎng)機構(gòu)完成自動鋪網(wǎng)、自動打頂部錨桿（索）及兩幫錨桿等作業(yè)。

3.3 全面感知平臺

全面感知平臺需通過物聯(lián)網(wǎng)、智能視頻分析、精確定位等技術(shù)以及傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳感器技術(shù)，實現(xiàn)對傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)控、人員定位、水文監(jiān)測、頂板監(jiān)測、供電監(jiān)控、排水控制等系統(tǒng)的擴容、改造和建設(shè)，改變傳統(tǒng)孤立建設(shè)的模式，采用“感知礦山”、“全面感知”的理念，建設(shè)綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測所有的與生產(chǎn)、安全相關(guān)的信息，在同一平臺上集中展現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)態(tài)勢。

利用專家?guī)?、知識庫、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等技術(shù)和手段對“感知礦山”獲取的各種安全生產(chǎn)信息進行建模分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律、發(fā)現(xiàn)趨勢、智能評價、智能預警，以提高礦井的安全生產(chǎn)水平。感知平臺要實現(xiàn)感知信息的采集、處理、分析、展現(xiàn)以及報警預警。智能感知系統(tǒng)的模型如圖3所示。

圖3 智能感知系統(tǒng)的模型

4 結(jié)語

通過升級改造及5G 技術(shù)在龐龐塔煤礦中的應用，打通了煤礦所有子系統(tǒng)信息傳輸通道，實現(xiàn)了智能升級，提高了煤礦生產(chǎn)作業(yè)安全系數(shù)，降低了煤礦風險等級，提高了事故防控能力，實現(xiàn)了煤礦減人增效，成為全國領(lǐng)先的“5G 智能礦山”標桿示范模式。未來將繼續(xù)推進智能礦山建設(shè)，不斷將井上下開采、掘進、運輸、提升、通風、洗煤等重要環(huán)節(jié)進行集中化一體式控制，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的全面快速采集與傳輸，提高相關(guān)煤礦設(shè)備的智能化遠程控制及智能化安全保護，實現(xiàn)綜采工作面和掘進工作面的區(qū)域化智能決策和自動協(xié)同運行，確保煤礦井上、下高效、安全生產(chǎn)。