芯耀
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歷經(jīng)2年的發(fā)展，5G逐漸從青澀走向成熟，助推智聯(lián)網(wǎng)AIoT時代的加速到來。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵節(jié)點，我們對重點行業(yè)企業(yè)進行深度訪談，撰寫一系列5G & AIoT應用案例，制作行業(yè)經(jīng)典案例集，這是其中的第六篇——《5G & AIoT應用案例集之智能采礦篇》。
作為人類世界使用的主要能源之一，煤炭素來被譽為“黑色的金子”、“工業(yè)的食糧”。我國是煤炭消費大國，也是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用煤炭的國家之一，對于煤炭開采已有幾千年的歷史。
傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)方式存在礦難事件頻發(fā)、人工成本居高不下、礦工作業(yè)艱苦危險、開采效率難以提升等問題。隨著信息技術的發(fā)展，煤礦開采已經(jīng)從最初簡單的人工挖礦發(fā)展為機械化采礦，并進一步向數(shù)字化、智能化發(fā)展。
煤礦井下場景
2020年3月，國家發(fā)改委等8部委聯(lián)合發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，提出煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術支撐。順應大勢，各大礦業(yè)集團近年來也正積極推動智能礦山建設，實現(xiàn)煤礦井下“少人化、無人化”的作業(yè)流程。而以5G 為代表的新一代通信技術，則從根本上解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術難以滿足井下環(huán)境惡劣、移動生產(chǎn)、設備及傳感器數(shù)量龐大等生產(chǎn)特點的問題。
智能采礦向“無人化、少人化”轉(zhuǎn)型
某種意義上，煤礦井下就像一個微型的地下城市，里面的巷道錯綜復雜，包括掘進機、采煤機、皮帶機、液壓支架在內(nèi)的大量機械設備不知疲倦地執(zhí)行著采掘、運輸、洗選、提升以及生產(chǎn)輔助等日常作業(yè)，其中的很多設備都需要人工來進行操控。
人工井下作業(yè)存在的問題顯而易見。一方面，對操作員們而言，煤礦采掘工作面環(huán)境復雜，危險因素多，地質(zhì)條件相對比較惡劣，水、瓦斯、粉塵等自然災害的潛在威脅普遍存在，而且日常勞動強度極大，操作不當時還易發(fā)生危險事故。根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2020年我國煤礦發(fā)生死亡事故122起、死亡225人，雖然相比往年人員傷亡數(shù)量持續(xù)降低，但畢竟生命無價，安全問題始終都是煤礦生產(chǎn)的頭等大事。另一方面，對礦業(yè)企業(yè)來說，隨著人口紅利的消失以及人們對井下作業(yè)危險性的擔憂，越來越多的人不愿意從事井下工作，煤礦招工難、用工難的問題日益凸顯。
在此背景下，采掘工作面的“少人化、無人化”一直是礦山智能化轉(zhuǎn)型的一個重要方向。國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布的《國家能源技術革命創(chuàng)新行動計劃 (2016–2030 年 )》中就明確指出，要在2020 年基本實現(xiàn)智能開采，重點煤礦區(qū)采煤工作面人數(shù)減少 50% 以上，2030 年實現(xiàn)煤炭安全開采，重點煤礦區(qū)基本實現(xiàn)工作面無人化。
通過在作業(yè)現(xiàn)場部署多個高清攝像頭，將現(xiàn)場環(huán)境信息完整地傳送到管理中心，再結(jié)合采礦設備本身的各種傳感器信息上報，工作人員就可以在管理中心遠程操控各類設備，從而達到作業(yè)現(xiàn)場“少人化、無人化”的目標。這個過程涉及大量設備的接入、海量數(shù)據(jù)的傳輸以及低時延的控制操作，都對網(wǎng)絡傳輸?shù)馁|(zhì)量和能力提出了前所未有的要求。
傳統(tǒng)有線傳輸?shù)姆绞诫m然信號穩(wěn)定，但井下地形復雜，設備繁多，給布線造成了很大的困難。更重要的是，由于液壓支架、采煤機、掘進機經(jīng)常需要移動，信號傳輸線纜經(jīng)過多次折疊后較易發(fā)生斷裂，很可能造成數(shù)據(jù)傳輸中斷，從而影響采礦作業(yè)。WiFi無線網(wǎng)絡縱使能夠解決布線難題，但卻存在信號抗干擾能力弱、覆蓋面積有限、穿透力弱、以及跨AP區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸時有明顯延遲等劣勢。同樣，4G也不能有效支持低時延要求的各種控制信號的傳輸。
如今，憑借易部署、廣連接、大帶寬、超低時延等優(yōu)勢，5G能夠滿足煤礦井下通信網(wǎng)絡對安全與性能的要求，為煤礦行業(yè)的智能化提供了加速度。
5G大帶寬為遠程管理奠定基礎
煤礦井下的日常作業(yè)過程會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)：包括空氣溫度、空氣濕度、巷道壓力等環(huán)境數(shù)據(jù)，采煤工作面、掘進工作面、運輸轉(zhuǎn)載點等視頻數(shù)據(jù)，井下重要崗位工作人員的通信對講數(shù)據(jù)，以及液壓支架和泵站遠程集中控制等控制類數(shù)據(jù)。5G的大帶寬特性，為這些關鍵數(shù)據(jù)的遠程管理奠定了基礎。
例如，內(nèi)蒙古某企業(yè)想要在總部實現(xiàn)對其所屬的全部煤礦點的異地遠程管理，并對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)及平臺進行統(tǒng)一綜合管理，實現(xiàn)煤礦大數(shù)據(jù)可視化及快速推送上屏顯示。基于客戶需求，廈門四信通信科技有限公司（以下簡稱“四信通信”）為其量身定制了“5G智慧礦井系統(tǒng)監(jiān)測方案”，基于該方案打造的煤礦調(diào)度中心，可滿足該企業(yè)日常指揮中心各項數(shù)據(jù)展示、管理和控制的需求，便于日常管理調(diào)度、各級領導參觀視察及綜合匯報等工作開展。
5G+智慧礦山實時管理應用
5G智慧礦井系統(tǒng)監(jiān)測方案的核心是四信通信5G工業(yè)CPE F-NR200，該款5G工業(yè)CPE內(nèi)置基于高通驍龍X55平臺的廣和通5G模組 FM150，支持NSA和SA網(wǎng)絡，兼容各大運營商，支持5G/4G、有線（光纖和WAN）智能切換。得益于高通5G芯片過硬的性能，礦井下的5G網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)安全、獨立、穩(wěn)定的運行，保證無線通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性。
四信通信5G工業(yè)CPEF-NR200
無獨有偶，在山西、陜西的多座礦山，宇祺（山東）智能裝備有限公司（以下簡稱“宇祺智能”）也用其完整的“5G礦用無線通信系統(tǒng)”，助力客戶實現(xiàn)了井下作業(yè)情況的實時管理和控制。
礦用隔爆兼本安型5G CPE
宇祺智能的該套系統(tǒng)分別采用了搭載芯訊通5G模組SIM8200EA-M2和高新興5G模組GM800的5G CPE，都內(nèi)置高通驍龍X55芯片，使得煤礦井下眾多的設備——如煤礦智能巡檢機器人、煤礦機器人、自動駕駛、綜采設備等煤礦裝備系統(tǒng)能獲得高速的5G網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)了井下語音、視頻、數(shù)據(jù)一網(wǎng)承載，各種智能化操作系統(tǒng)信息的一網(wǎng)傳輸。井下作業(yè)的相關數(shù)據(jù)信息可以實時傳回至地面總調(diào)度室，調(diào)度人員通過大屏幕便可以實時觀看深井下的采掘、運輸、檢修等情況，實現(xiàn)井上井下實時通話，有效提高安全性和生產(chǎn)效率。
宇祺智能礦用5G隔爆兼本安型基站
宇祺智能總經(jīng)理張建對高通的解決方案給予了高度評價：“煤礦行業(yè)屬于工業(yè)防爆環(huán)境，系統(tǒng)建設難度大、穩(wěn)定性要求高、生命周期長及兼容性強，所以我們在開發(fā)智能化系統(tǒng)解決方案時，一個重要考量便是方案的穩(wěn)定性和長期性。高通的5G技術具有長期的規(guī)劃和完善的生態(tài)，讓我們的解決方案沒有后顧之憂。”
5G低時延助力礦井設備遠程操控
在遠程管理的基礎上，5G的大帶寬、低時延特性還讓掘進機、鏟運機等設備的遠程操控成為可能。
遠程操控的精髓在于“令行禁止”，即身處操作室的操作員下達指令后，井下的設備可以立即同步做出反應。為了讓操作員可以擁有一副“千里眼”，方案上往往會在設備上布置高清攝像頭，模擬駕駛員駕駛視角，同時在四周的環(huán)境中布置廣角攝像頭，拼接360°全景影像，然后將這些視頻影像通過網(wǎng)絡傳輸至控制室。
試想一下，如果操作員看到的畫面和設備的實際動作之間存在很高的延遲，就會影響開采效率，甚至造成設備的損耗。例如，掘進機在挖掘的過程中可能會碰到硬度極高的巖石。過去，身處現(xiàn)場的操作員看到這類巖石的時候就會立即按下暫停鍵，避免機器去“硬碰硬”。而在遠程操作的場景下，如果采用4G網(wǎng)絡，因為時延較高，等操作員從視頻畫面里察覺到異常再操作時已經(jīng)來不及了，從而有可能導致大型設備的損耗。同理，無極繩絞車等設備的操作時延都要求控制在30ms以內(nèi)，而5G端到端的時延理論上可達1ms，能夠完美滿足遠程控制場景下的通信需求，為礦井無人化綜采的發(fā)展提供技術支撐。
在5G技術的賦能之下，四信通信和宇祺智能已經(jīng)在全國多地的礦井項目中落地了智能化的解決方案，幫助客戶保障礦工人員安全，提升開采作業(yè)效率。
與此同時，四信通信也在積極向全球市場推廣自己的5G CPE產(chǎn)品。廈門四信通信科技有限公司市場總監(jiān)張志坤表示：“高通的5G技術具備業(yè)界領先的高能效和高性能，芯片研發(fā)市場成熟，產(chǎn)業(yè)鏈完善，規(guī)?；慨a(chǎn)能夠幫助我們的產(chǎn)品贏得市場先機。更為重要的是，高通全球化的5G解決方案能夠滿足5G終端在世界各個地區(qū)和國家的設計需求，這對我們開拓海外市場具有重要的戰(zhàn)略意義。”
結(jié)語
總而言之，5G是推動煤礦新一輪智能化發(fā)展的關鍵驅(qū)動力。未來，在5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術進一步成熟的基礎下，礦井作業(yè)將實現(xiàn)開采面無人作業(yè)、掘進面無人作業(yè)、危險場所無人作業(yè)、大型設備無人作業(yè)，直到整座礦山無人作業(yè)，形成真正智慧化的無人礦山。
