5G應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展白皮書-5G重點(diǎn)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(jìn)，應(yīng)用重點(diǎn)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(gè)領(lǐng)域，逐步獲得業(yè)界認(rèn)可，并初步形 成了有望規(guī)模商用的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景及價(jià)值、未來(lái)發(fā)展空間以及面臨的挑戰(zhàn)。
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正文開始：
1、5G典型場(chǎng)景及價(jià)值
2020年3月，由國(guó)家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、煤監(jiān)局、工信部、財(cái)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》。《指導(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(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化；到 2035年， 各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系。5G網(wǎng)絡(luò)的上行大 帶寬，低時(shí)延特性，在煤礦行業(yè)應(yīng)用可以實(shí)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(yuǎn)程智能控制等多種應(yīng)用，進(jìn)一步降低了煤礦企業(yè)綜合維護(hù)成本，極大提高綜采效率，讓無(wú)人化、少人化的井下開采成為可能。近年來(lái)，煤礦行業(yè)加速推進(jìn)信息化、智能化建設(shè)，這個(gè)曾經(jīng)被貼上 “傻大黑粗”標(biāo)簽的行業(yè)，已經(jīng)建成了100多個(gè)智能化采煤工作面，實(shí)現(xiàn)了地面一鍵啟動(dòng)、井下有人巡 視，我國(guó)煤礦企業(yè)處于從勞動(dòng)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(hù)成本高。井下有6大作業(yè)系統(tǒng)，分別是采煤系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、通風(fēng)系 統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)；普遍的情況是每套系統(tǒng)都有獨(dú)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(dòng)造成光衰嚴(yán)重，影響通信質(zhì)量，維護(hù)成本高；現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足移動(dòng)場(chǎng)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(jìn)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(wèn)題，合并了6大獨(dú)立的作業(yè)系統(tǒng)，幫助煤礦實(shí)現(xiàn)“井下 一張網(wǎng)”，同時(shí)可以滿足作業(yè)面、綜采面等移動(dòng)場(chǎng)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(duì)無(wú)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(shí)延、高帶寬”的優(yōu) 點(diǎn)，利用5G+北斗高精度定位、智能作業(yè)、雙向自動(dòng)駕駛運(yùn)輸、中央控制算法，實(shí)現(xiàn)礦山設(shè)備集群的 遠(yuǎn)程遙控、智能自動(dòng)化作業(yè)與協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)露天礦產(chǎn)區(qū)鏟、裝、運(yùn)的全程無(wú)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(yùn)作全面可視 化。井下巷道縱橫交錯(cuò)，長(zhǎng)達(dá)30余公里，地面無(wú)法獲知井下眾多人員和設(shè)備的位置、狀態(tài)，對(duì)煤礦的 安全管理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。5G提供地下實(shí)時(shí)定位服務(wù)（未來(lái)R16版本可定位到米級(jí)，R17可到亞米級(jí)）， 連網(wǎng)人員、設(shè)備可以實(shí)時(shí)上報(bào)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(guò)3倍，實(shí)測(cè)上行達(dá)到1Gbps以上，在240米井下可同 時(shí)滿足30多路4K監(jiān)控畫面的傳輸（Wi-Fi干擾大無(wú)法工作），做到井下綜采面作業(yè)可視可管。同時(shí) 在井下危險(xiǎn)地方通過(guò)高清視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)任何情況都可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和及時(shí)響應(yīng)。5G使能智能 礦井，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率大幅提升。綜采面分布了2000多個(gè)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(dú)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(lái)，實(shí)現(xiàn)感知、監(jiān)控、告 警、操作等數(shù)據(jù)的互通和聯(lián)動(dòng)，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(dòng)調(diào) 節(jié)采煤機(jī)的采煤速度。5G使能無(wú)人礦井，井下安全獲得有效保障。為了識(shí)別設(shè)備潛在風(fēng)險(xiǎn)，保證安全 生產(chǎn)，綜采面每天停工6小時(shí)，進(jìn)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(lái)安全隱患，5G低時(shí)延的特性，可以保證綜采面實(shí)現(xiàn)一邊作業(yè)一邊實(shí)時(shí)上報(bào)工況，使得設(shè) 備狀態(tài)可以被技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握，停機(jī)檢修的時(shí)長(zhǎng)和下井檢修的人員均大幅減少，未來(lái)綜采面可以基 于5G實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，創(chuàng)造價(jià)值，可復(fù)制推廣性強(qiáng)。各地礦山場(chǎng)景 對(duì)無(wú)人化的需求迫切，對(duì)遠(yuǎn)程控制的需求相似，解決方案具有較強(qiáng)的可復(fù)制性，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益前景巨 大。第三屆“綻放杯”大賽獲獎(jiǎng)項(xiàng)目中，焦煤集團(tuán)5G無(wú)人礦山項(xiàng)目在露天礦山開展運(yùn)輸車無(wú)人駕駛、 器械遠(yuǎn)程無(wú)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(wàn)/年，解決事故率高、 招工難、運(yùn)輸效率低等行業(yè)痛點(diǎn)。山西省煤炭資源豐富，陽(yáng)泉煤礦集團(tuán)旗下的新元煤礦，率先開始5G 智慧采礦試點(diǎn)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、巡檢機(jī)器人，未來(lái)可實(shí)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(dòng)化采礦基礎(chǔ)上，利用5G上行大帶寬能力，把井下實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛婵?制室，采用AI對(duì)視頻進(jìn)行分析，識(shí)別采礦時(shí)的巖石并躲避、監(jiān)控皮帶運(yùn)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(shí)別，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理，效率提升30%+。利用5G的低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)地 面對(duì)井下設(shè)備遠(yuǎn)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(xiǎn)。
5G智慧煤礦應(yīng)用示意圖
2、未來(lái)的發(fā)展空間
未來(lái)5年，國(guó)家要求2025年基本實(shí)現(xiàn)礦井智能化，使用開采的新技術(shù)、新工藝、新裝備，實(shí)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(guó)煤礦數(shù)量達(dá)5300座，僅山西省年產(chǎn)200萬(wàn)噸以上煤礦達(dá)568座，占全國(guó)比例10.7%，根據(jù)單個(gè)5G煤礦項(xiàng)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(guó)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(jì)全國(guó)5G智慧煤礦的投 資將超過(guò)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(lái)新一輪的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也面臨著 如下挑戰(zhàn)：
? 煤炭行業(yè)對(duì)井下設(shè)備的本安防爆要求，對(duì)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(dāng)前在上行大帶寬滿負(fù)荷發(fā)送的情況下，模組持續(xù)工作可能會(huì)導(dǎo)致功耗 高。
? 煤礦安全生產(chǎn)要求核心網(wǎng)故障時(shí)，業(yè)務(wù)不中斷，目前5G核心網(wǎng)的方案，還需要進(jìn)一步探索如 何保證生產(chǎn)不間斷及安全等問(wèn)題。
? 井下煤礦的采煤機(jī)、支架等控制系統(tǒng)，大部分采用的是CAN總線，尚未演進(jìn)到EHT技術(shù)，可靠 性要求99.999%。5G當(dāng)前還尚無(wú)法滿足控制系統(tǒng)的通信可靠性要求，需要進(jìn)一步探索提升5G技術(shù)能力。
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