5G應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展白皮書-5G重點應(yīng)用分析-智慧礦山
智慧礦山
隨著5G融合應(yīng)用的不斷發(fā)展和演進，應(yīng)用重點行業(yè)和領(lǐng)域逐步聚焦，尤其是在工廠、礦山、港 口、醫(yī)療、電網(wǎng)、交通、安防、教育、文旅以及智慧城市等10個領(lǐng)域，逐步獲得業(yè)界認可，并初步形 成了有望規(guī)模商用的應(yīng)用場景。本文主要介紹5G在智慧礦山中的典型應(yīng)用分析，主要從5G典型場景及價值、未來發(fā)展空間以及面臨的挑戰(zhàn)。
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5G工業(yè)網(wǎng)關(guān) FCU2302嵌入式控制單元，支持邊緣計算，具有高帶寬、低時延、移動性的優(yōu)勢，更強的運算能力、穩(wěn)定性和可擴展性。集數(shù)據(jù)智能采集、多種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、5G無線通信、VPN虛擬專網(wǎng)、本地存儲、WIFI覆蓋、數(shù)據(jù)多中心傳輸?shù)裙δ苡谝惑w，具有強大的設(shè)備接入能力、聯(lián)動控制能力。
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正文開始：
1、5G典型場景及價值
2020年3月，由國家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、煤監(jiān)局、工信部、財政部、科技部、教育部8 部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》?！吨笇?dǎo)意見》要求到2021年，建成多種類 型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴重煤礦基本實現(xiàn)智能化；到 2035年， 各類煤礦基本實現(xiàn)智能化，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。5G網(wǎng)絡(luò)的上行大 帶寬，低時延特性，在煤礦行業(yè)應(yīng)用可以實現(xiàn)快速上傳安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境視頻，高清音視頻通話， 設(shè)備遠程智能控制等多種應(yīng)用，進一步降低了煤礦企業(yè)綜合維護成本，極大提高綜采效率，讓無人化、少人化的井下開采成為可能。近年來，煤礦行業(yè)加速推進信息化、智能化建設(shè)，這個曾經(jīng)被貼上 “傻大黑粗”標簽的行業(yè)，已經(jīng)建成了100多個智能化采煤工作面，實現(xiàn)了地面一鍵啟動、井下有人巡 視，我國煤礦企業(yè)處于從勞動密集型向人才、技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變的階段。
傳統(tǒng)井下網(wǎng)絡(luò)重復(fù)投資，維護成本高。井下有6大作業(yè)系統(tǒng)，分別是采煤系統(tǒng)、掘進系統(tǒng)、通風(fēng)系 統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、機電系統(tǒng)；普遍的情況是每套系統(tǒng)都有獨立的光纖通信，造成重復(fù)投資。 由于井下環(huán)境，粉塵和震動造成光衰嚴重，影響通信質(zhì)量，維護成本高；現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法滿足移動場景 的需求。作為煤礦最重要的作業(yè)面、綜采面，始終在不斷掘進中，光纖有線的連接方式不能很好地適 配。5G替代光纖解決了井下最后500米連接的問題，合并了6大獨立的作業(yè)系統(tǒng)，幫助煤礦實現(xiàn)“井下 一張網(wǎng)”，同時可以滿足作業(yè)面、綜采面等移動場景，并采用防爆處理，滿足井下安全作業(yè)需求。滿 足露天礦山對無人化的需求。傳統(tǒng)露天礦山作業(yè)環(huán)境惡劣，依托5G通信技術(shù)“低時延、高帶寬”的優(yōu) 點，利用5G+北斗高精度定位、智能作業(yè)、雙向自動駕駛運輸、中央控制算法，實現(xiàn)礦山設(shè)備集群的 遠程遙控、智能自動化作業(yè)與協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)露天礦產(chǎn)區(qū)鏟、裝、運的全程無人操作。
5G可以為煤礦向智能化發(fā)展提供更有效、更便捷的方案。5G使能透明礦井，井下運作全面可視 化。井下巷道縱橫交錯，長達30余公里，地面無法獲知井下眾多人員和設(shè)備的位置、狀態(tài)，對煤礦的 安全管理帶來巨大挑戰(zhàn)。5G提供地下實時定位服務(wù)（未來R16版本可定位到米級，R17可到亞米級）， 連網(wǎng)人員、設(shè)備可以實時上報位置，生成井下三維地圖，人員、設(shè)備位置狀態(tài)一目了然。井下5G網(wǎng)絡(luò) 采用下行上行1：3配比，同比5G公網(wǎng)上行提升超過3倍，實測上行達到1Gbps以上，在240米井下可同 時滿足30多路4K監(jiān)控畫面的傳輸（Wi-Fi干擾大無法工作），做到井下綜采面作業(yè)可視可管。同時 在井下危險地方通過高清視頻實時監(jiān)控，出現(xiàn)任何情況都可以第一時間發(fā)現(xiàn)和及時響應(yīng)。5G使能智能 礦井，實現(xiàn)生產(chǎn)效率大幅提升。綜采面分布了2000多個傳感器和操作裝置，組成安全、作業(yè)、管理系 統(tǒng)，系統(tǒng)間相互獨立，需要人工協(xié)調(diào)，5G大連接的特性，把這些系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)感知、監(jiān)控、告 警、操作等數(shù)據(jù)的互通和聯(lián)動，比如安全系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng)耦合，根據(jù)井下瓦斯的分布和濃度，自動調(diào) 節(jié)采煤機的采煤速度。5G使能無人礦井，井下安全獲得有效保障。為了識別設(shè)備潛在風(fēng)險，保證安全 生產(chǎn)，綜采面每天停工6小時，進行例行的設(shè)備檢修，例行檢修不僅造成煤炭產(chǎn)量減少，而且檢修人員 聚集井下帶來安全隱患，5G低時延的特性，可以保證綜采面實現(xiàn)一邊作業(yè)一邊實時上報工況，使得設(shè) 備狀態(tài)可以被技術(shù)人員實時掌握，停機檢修的時長和下井檢修的人員均大幅減少，未來綜采面可以基 于5G實現(xiàn)遠程操作，現(xiàn)場的工作人員也將大幅減少，井下圍繞綜采面工作的人員可以由原先的140人減 少到60人。
5G應(yīng)用于智慧礦山領(lǐng)域可以很好的解決行業(yè)痛點，創(chuàng)造價值，可復(fù)制推廣性強。各地礦山場景 對無人化的需求迫切，對遠程控制的需求相似，解決方案具有較強的可復(fù)制性，社會經(jīng)濟效益前景巨 大。第三屆“綻放杯”大賽獲獎項目中，焦煤集團5G無人礦山項目在露天礦山開展運輸車無人駕駛、 器械遠程無人操作等應(yīng)用，人員減少50%，人員傷亡降低為0，直接受益4800萬/年，解決事故率高、 招工難、運輸效率低等行業(yè)痛點。山西省煤炭資源豐富，陽泉煤礦集團旗下的新元煤礦，率先開始5G 智慧采礦試點，目前已經(jīng)實現(xiàn)遠程控制、視頻監(jiān)控、巡檢機器人，未來可實現(xiàn)的應(yīng)用包括傳感器數(shù)據(jù) 采集、定位等。在現(xiàn)有的自動化采礦基礎(chǔ)上，利用5G上行大帶寬能力，把井下實時畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛婵?制室，采用AI對視頻進行分析，識別采礦時的巖石并躲避、監(jiān)控皮帶運輸巷道的煤塊掉落、以及井下 的人員作業(yè)規(guī)范與安全、圖像的AI識別，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理，效率提升30%+。利用5G的低時延，實現(xiàn)地 面對井下設(shè)備遠程操控，極大的改善了礦工的工作環(huán)境，減少人員傷亡風(fēng)險。
5G智慧煤礦應(yīng)用示意圖
2、未來的發(fā)展空間
未來5年，國家要求2025年基本實現(xiàn)礦井智能化，使用開采的新技術(shù)、新工藝、新裝備，實現(xiàn)礦井 的安全、綠色、智能開采。5G智慧煤礦大有可為，目前全國煤礦數(shù)量達5300座，僅山西省年產(chǎn)200萬噸以上煤礦達568座，占全國比例10.7%，根據(jù)單個5G煤礦項目投資平均水平估算，山西在5G煤礦上的投 入有望超50億元。我國除山西礦區(qū)以外，還有平頂山礦區(qū)、六盤水礦區(qū)等，預(yù)計全國5G智慧煤礦的投 資將超過466億元。
3、面臨的挑戰(zhàn)
隨著5G技術(shù)在智慧煤礦應(yīng)用的不斷深入，5G智慧煤礦有望迎來新一輪的發(fā)展機遇，同時也面臨著 如下挑戰(zhàn)：
? 煤炭行業(yè)對井下設(shè)備的本安防爆要求，對5G基站、終端設(shè)備的發(fā)射功率提出挑戰(zhàn)，目前規(guī)范 要求井下基站設(shè)備發(fā)射功率小于6W，導(dǎo)致基站覆蓋范圍小。要求終端設(shè)備總功耗小于20W，分解到5G 模組，要求功耗小于5~10W，當前在上行大帶寬滿負荷發(fā)送的情況下，模組持續(xù)工作可能會導(dǎo)致功耗 高。
? 煤礦安全生產(chǎn)要求核心網(wǎng)故障時，業(yè)務(wù)不中斷，目前5G核心網(wǎng)的方案，還需要進一步探索如 何保證生產(chǎn)不間斷及安全等問題。
? 井下煤礦的采煤機、支架等控制系統(tǒng)，大部分采用的是CAN總線，尚未演進到EHT技術(shù)，可靠 性要求99.999%。5G當前還尚無法滿足控制系統(tǒng)的通信可靠性要求，需要進一步探索提升5G技術(shù)能力。
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