基于5G的智能礦山系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：智能礦山；5G；綜合管控平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5；TD67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）04-0029-06

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.04.007

Construction and Application of Intelligent Mine System Based on 5G

LUFuqiang，WANGRonglin，ZHU Wenlong，DAI Wenliang （Magang MiningResources Group Gushan Mining Co.，Ltd.，Ma'anshan 2431OO，China）

Abstract：Intellgenceistheguaranteeforthehigh-qualitydevelopmentofthemining industry.Intheprocessofintellgent mining in domestic mines，there are problems suchas dificulty in perception，unreliable synchronous transmission of multipletypesofdata，poorreal-timeremotecontrol，andlowefciencyofintelligentdecision-making through the integrationofbigdata.5G，which hasthecharacteristicsofhigh speed，largecapacity，andlowlatency，providesan opportunity to solve theseproblems.Thispaper combines theconstructionand applicationoftheintellgentmining system in ZhongjiuIronMine，proposes theconstructionofaminingbasicinformationwebsitebasedon5G，exploresthenewmodel of“5G+intelligent mining，andpromotes thesafe，effcient，greenand intellgentdevelopmentandconstructionofmines. Keywords：intelligent mine; 5G; comprehensive management and control platform

隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化已經(jīng)成為傳統(tǒng)礦山行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)[]。為全面提升我國(guó)礦山行業(yè)的智能化生產(chǎn)水平，加快礦山智能化進(jìn)程，我國(guó)在2015年頒布了《中國(guó)制造2025》白皮書(shū)，在礦山智能化關(guān)鍵技術(shù)專題中，提出了礦山采選智能感知控制環(huán)節(jié)。隨后，我國(guó)相繼出臺(tái)《“十三五”資源領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)政策文件，對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)礦山生產(chǎn)制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)提出了發(fā)展思路與技術(shù)支持[2]。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)礦山智能化水平有待提高。礦山行業(yè)面臨資源深度開(kāi)采、作業(yè)環(huán)境惡劣、人力成本攀升等挑戰(zhàn)，且存在較多安全風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。智能化礦山的建設(shè)可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低企業(yè)成本，減少礦山安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)礦山安全高效、綠色生產(chǎn)，是當(dāng)前礦山企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑[。

鑒于礦山智能化建設(shè)過(guò)程中可能出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)傳輸不暢[、缺少智能裝備等問(wèn)題[8，如何做到開(kāi)采業(yè)務(wù)和綜合管控協(xié)同辦理，各個(gè)智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，資源共享，解決信息孤島問(wèn)題，形成統(tǒng)全面、綜合的智能礦山系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)局部到整體不同層級(jí)智能，局部無(wú)人化到整體少人化，是建設(shè)智能礦山亟待解決的難題[9-14]

本研究以鐘九鐵礦為例，在構(gòu)建智能礦山系統(tǒng)時(shí)，基于5G，遵循建設(shè)“安全高效、綠色智能”礦山的理念，結(jié)合鐘九鐵礦實(shí)際生產(chǎn)情況，提出一套“123”智能礦山建設(shè)新模型，即以三維礦業(yè)軟件深度應(yīng)用、裝備智能化、無(wú)人化作業(yè)、生產(chǎn)協(xié)同管控與實(shí)時(shí)調(diào)度為核心，借助“工業(yè)以太環(huán)網(wǎng) + 5 G ”通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)礦山基礎(chǔ)信息化的網(wǎng)站，融合三維可視化綜合管控、生產(chǎn)安全綜合管控兩大平臺(tái)，包含固定設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)、采礦裝備智能化系統(tǒng)、智慧選廠系統(tǒng)三大系統(tǒng)，有助于實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采環(huán)境數(shù)字化、采掘設(shè)備智能化、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化及經(jīng)營(yíng)管理信息化，為建設(shè)新型智能礦山提供參考。

1工程背景

鐘九鐵礦位于安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣，礦山共圈定54個(gè)鐵礦體，其中，1號(hào)礦體為主礦體，占全礦區(qū)資源儲(chǔ)量的 9 8 . 5 2 % ，賦存于周沖村組灰?guī)r與姑山組變火山碎屑沉積巖接觸部位，產(chǎn)出部位穩(wěn)定，連續(xù)性好，規(guī)模大。該鐵礦由馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司姑山礦業(yè)公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)建設(shè)，資源儲(chǔ)量為6500萬(wàn)t，礦山建設(shè)規(guī)模為200萬(wàn) Δ t / a ，建成后年產(chǎn)80萬(wàn)t鐵精礦。

結(jié)合該礦實(shí)際安全生產(chǎn)情況，總結(jié)智慧礦山系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為充分挖掘和利用礦山從勘探、建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，提升礦山的自動(dòng)化生產(chǎn)和決策水平，實(shí)現(xiàn)資源利用率和效率最大化目標(biāo)，構(gòu)建了基于5G的智能礦山系統(tǒng)，即通過(guò)建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施、綜合管控平臺(tái)、固定設(shè)施自動(dòng)化與采礦裝備智能化系統(tǒng)、智能選廠系統(tǒng)的智能架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)礦山各作業(yè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化執(zhí)行與閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋及智能調(diào)度。

2建立礦山基礎(chǔ)信息化網(wǎng)站與管控平臺(tái)

2.1建立礦山基礎(chǔ)信息化網(wǎng)站

傳輸網(wǎng)絡(luò)是礦山信息化、自動(dòng)化、智能化的信息傳輸高速公路，是建設(shè)智能礦山的重要基礎(chǔ)設(shè)施[15]。5G具有高速率、大容量和低時(shí)延等特點(diǎn)，為智能礦山的超視距可視、全面感知、無(wú)人駕駛和遠(yuǎn)程控制提供了技術(shù)支持[。礦山基礎(chǔ)信息化網(wǎng)站的建設(shè)需基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、5G，利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或自建網(wǎng)絡(luò)，融合智能識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，建立礦井精確定位網(wǎng)，搭建智能礦山神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山所有人員、設(shè)備全部聯(lián)網(wǎng)，將礦山建成一體化的信息化網(wǎng)站[7]。鐘九鐵礦的智能礦山數(shù)據(jù)中心架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備由多臺(tái)服務(wù)器組成，各服務(wù)器通過(guò)虛擬軟件實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，虛擬機(jī)將不同類(lèi)型的客戶操作系統(tǒng)和運(yùn)行器上的數(shù)據(jù)層、服務(wù)層應(yīng)用程序封裝打包，形成一個(gè)集企業(yè)級(jí)ETL（Extract-Transform-Load）、存儲(chǔ)與計(jì)算中心、服務(wù)層、應(yīng)用層于一體的企業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的完整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺(tái)管控。

為避免生產(chǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，礦山基礎(chǔ)信息化網(wǎng)站將數(shù)據(jù)中心作為核心數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2所示。通過(guò)系統(tǒng)基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)同步推送方案，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)人庫(kù)，針對(duì)生產(chǎn)需求，對(duì)數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并預(yù)留對(duì)接接口，提高數(shù)據(jù)利用率，實(shí)現(xiàn)信息傳遞高速化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證數(shù)據(jù)安全可靠、易擴(kuò)充升級(jí)，且多系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。

2.2三維可視化綜合管控平臺(tái)

三維可視化管控平臺(tái)根據(jù)整體生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)，結(jié)合礦山實(shí)際管理需求形成整體生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的數(shù)字化管控體系，通過(guò)對(duì)三維礦業(yè)軟件、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等信息化系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)在平臺(tái)上協(xié)調(diào)一致作業(yè)[18]。生產(chǎn)管控基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

三維可視化管控平臺(tái)用于構(gòu)建以物質(zhì)流和能源流為主線的數(shù)據(jù)流，涵蓋原料、輔料、礦石、產(chǎn)成品與水、電等。該平臺(tái)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)展示及數(shù)據(jù)分析功能，可對(duì)地質(zhì)測(cè)量、資源儲(chǔ)量、采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃、采礦作業(yè)、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、安環(huán)管理、能源管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，進(jìn)行全流程閉環(huán)管理，也可實(shí)時(shí)按需動(dòng)態(tài)調(diào)用各類(lèi)數(shù)據(jù)，促進(jìn)礦山企業(yè)協(xié)同、高效辦公。管控平臺(tái)基礎(chǔ)功能架構(gòu)如圖4所示。

2.3生產(chǎn)安全綜合管控平臺(tái)

礦山生產(chǎn)安全綜合管控平臺(tái)包括安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)（監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)）、雙重預(yù)防體系系統(tǒng)、微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、基于 5 G+ 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）的安全培訓(xùn)等系統(tǒng)。構(gòu)建生產(chǎn)安全綜合管控平臺(tái)時(shí)，在獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用5G、計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代管理理念，集風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、監(jiān)控預(yù)警及閉環(huán)管理于一體，以提高礦山企業(yè)安全預(yù)警能力、降低安全風(fēng)險(xiǎn)[19]。

礦山生產(chǎn)安全綜合管控平臺(tái)有效整合了井下通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)及緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)等信息化平臺(tái)，如圖5所示。通過(guò)構(gòu)建安全隱患辨識(shí)與事故演化分析模型，將大數(shù)據(jù)分析算法內(nèi)嵌至平臺(tái)；利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析礦山安全數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隱患時(shí)間、地點(diǎn)、安全等級(jí)評(píng)價(jià)及隱患信息的可視化展示，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析服務(wù)功能的實(shí)體化與系統(tǒng)化。現(xiàn)場(chǎng)操作人員借助遠(yuǎn)程運(yùn)維功能，可實(shí)時(shí)與技術(shù)專家進(jìn)行互動(dòng)交流，專家可提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)，幫助運(yùn)維人員及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)，并在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)給出處理方案，確保安全生產(chǎn)。

3三大系統(tǒng)建設(shè)

3.1固定設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)

固定設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)建包括變配電、供風(fēng)、通風(fēng)、排水、供水、破運(yùn)、充填及提升等方面。變配電自動(dòng)化系統(tǒng)可對(duì)電氣保護(hù)裝置及電表等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備告警、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)保存，實(shí)現(xiàn)礦山電力的自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動(dòng)。供風(fēng)自動(dòng)化系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控空壓機(jī)的工作參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)變頻器在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)排氣量和氣壓，實(shí)現(xiàn)“按需供風(fēng)、精細(xì)計(jì)量”，有利于節(jié)能降耗、節(jié)約成本。通風(fēng)自動(dòng)化系統(tǒng)可根據(jù)傳感器檢測(cè)參數(shù)分析井下風(fēng)量需求，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率，降低生產(chǎn)成本，并在井下參數(shù)異常時(shí)及時(shí)聲光報(bào)警，確保井下生產(chǎn)人員安全。排、供水自動(dòng)化系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與顯示水位，根據(jù)涌水量和用電“避峰就谷”原則，自動(dòng)控制投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)，保證生產(chǎn)作業(yè)安全。提升無(wú)人值守系統(tǒng)通過(guò)在各主井建立提升機(jī)集控平臺(tái)，將提升數(shù)據(jù)上傳到集控平臺(tái)，利于實(shí)現(xiàn)箕斗并裝礦、放礦、自動(dòng)計(jì)量的智能化控制，強(qiáng)化提升系統(tǒng)與溜破系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)的協(xié)同性，充分發(fā)揮礦井的提升能力。破運(yùn)無(wú)人值守系統(tǒng)的構(gòu)建包括自動(dòng)化控制系統(tǒng)、語(yǔ)音調(diào)度指揮系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)破碎機(jī)、料倉(cāng)及輸送皮帶等附屬設(shè)備的集中控制與監(jiān)測(cè)，提升礦山的自動(dòng)化、智能化水平。充填無(wú)人值守系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物料精準(zhǔn)充填、臨界流態(tài)濃度智能控制、充填作業(yè)智能調(diào)度、設(shè)備智能巡檢與自控優(yōu)化，提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度，降低充填成本。

3.2采礦裝備智能化系統(tǒng)

采礦裝備智能化系統(tǒng)的構(gòu)建包括鑿巖設(shè)備遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、支護(hù)設(shè)備遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、無(wú)軌鏟裝設(shè)備無(wú)人駕駛系統(tǒng)及電機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)。鑿巖設(shè)備遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)可根據(jù)礦巖狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)鑿巖工作參數(shù)，選擇最優(yōu)鑿巖參數(shù)匹配方法，通過(guò)智能控制鑿巖作業(yè)的動(dòng)作參數(shù)，達(dá)到鑿巖作業(yè)效率最優(yōu)化。支護(hù)設(shè)備遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)、輔助定位技術(shù)與優(yōu)化算法模型，實(shí)現(xiàn)噴漿臺(tái)車(chē)、錨桿臺(tái)車(chē)等設(shè)備的智能支護(hù)作業(yè)，縮短支護(hù)作業(yè)接續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)支護(hù)作業(yè)面無(wú)人化與智能化。無(wú)軌鏟裝設(shè)備無(wú)人駕駛系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程視頻遙控技術(shù)和5G對(duì)鏟運(yùn)機(jī)駕駛系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)及電控系統(tǒng)改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程顯示、智能分析、故障自診斷和安全連鎖報(bào)警停車(chē)，提升鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)效率，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。電機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)通過(guò)改造電機(jī)車(chē)本體，將計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程遙控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車(chē)的無(wú)人駕駛，能夠提升采裝與運(yùn)輸效率，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)輸調(diào)度，降低生產(chǎn)成本，保障作業(yè)人員安全[20]。

3.3智慧選廠系統(tǒng)

智慧選廠系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括專家系統(tǒng)和數(shù)字孿生平臺(tái)。專家系統(tǒng)通過(guò)綜合利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及物料進(jìn)行虛擬建模，采集關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及工藝指標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為虛擬工廠提供設(shè)備模型支撐，實(shí)現(xiàn)選廠設(shè)備工況數(shù)據(jù)智能識(shí)別。搭建選礦數(shù)據(jù)中心，保證選廠生產(chǎn)、能源消耗、安全環(huán)保、基礎(chǔ)自動(dòng)化、移動(dòng)巡檢、化驗(yàn)等數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)娜嫘院蜏?zhǔn)確性。數(shù)字孿生平臺(tái)可利用選礦歷史數(shù)據(jù)，建立物料虛擬模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生選廠實(shí)時(shí)仿真，并對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行分析，對(duì)生產(chǎn)工藝的合理與穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果給出操作建議或控制信號(hào)，通過(guò)改變操作制度，使生產(chǎn)工藝達(dá)到最優(yōu)。

4結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀和智能化需求，本文以鐘九鐵礦為例，建立“ 5 G+ 智能礦山”新模式，從三維礦業(yè)軟件深度應(yīng)用、裝備智能化及無(wú)人化作業(yè)、生產(chǎn)協(xié)同管控與實(shí)時(shí)調(diào)度方面入手，研究固定設(shè)備無(wú)人值守、物流管理智能化、回采工序自動(dòng)化、生產(chǎn)管理全面信息化，有利于礦山的智能化運(yùn)營(yíng)。

基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng) + 5 G 構(gòu)建的三維可視化綜合管控平臺(tái)與生產(chǎn)安全綜合管控平臺(tái)，以數(shù)據(jù)中心、多元融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、綜合調(diào)度管控中心建設(shè)、全方位排查治理隱患、全過(guò)程信息化監(jiān)控管理為核心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)集成、設(shè)備管理、能源管理、報(bào)表管理、質(zhì)量管理、移動(dòng)應(yīng)用、虛擬仿真方面的智能化。

固定設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)和采礦裝備智能化系統(tǒng)可自動(dòng)完成設(shè)備信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和檢測(cè)，通過(guò)礦山智能化生產(chǎn)執(zhí)行平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)固定設(shè)施與采礦裝備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)度、在線分析決策和協(xié)同互動(dòng)，提高生產(chǎn)效率，減少安全事故。智慧選廠系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用專家系統(tǒng)和數(shù)字孿生平臺(tái)，可向礦山企業(yè)提供全方位、立體化的智慧選廠數(shù)據(jù)。

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