浅谈 5G技术在智慧矿山建设中的应用前景

浅谈 5G技术在智慧矿山建设中的应用前景

张祝亭

安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司 243000

摘要：铁矿产业在我国社会生产活动中是一项极易产生安全事故且生产过程中不确定因素极多的工程体系，如果能将5G技术应用到铁矿，势必会将我国铁矿生产水平提高到一个新的高度。通过建设智慧矿山,让危险因素可知可控，最终实现安全、无人、高效、清洁，是我们一直追寻的目标。随着网络技术的不断发展，第五代移动通信技术即将全面普及，相比较于4G技术，5G建立了更加系统的接收模块和抗干扰模块，如果应用于铁矿，将使我国铁矿由传统开采模式快速转变为智能化模式。

关键词：5G技术；智慧矿山建设；应用前景

1 5G的相关性能

1.1可移动性

移动性是历代移动通信系统重要的性能指标。5G移动通信系统作为将来主要的通信方式同样需要高速移动、低速移动或非移动场景下进行数据采集、工业控制等场景。

1.2高传输性

5G的传输功能方面主要支持超高带宽、高可靠低延时、海量物联、超高可靠性传输,其主要体现5G的高速、可靠、稳定性。其主要参数为:峰值数据速率≥1Gbps,上行稳定带宽不小于100MB,下行稳定带宽不小于200MB,连接数接近1000K每平方公里,空口时延<10ms。

1.3网速快

5G移动通信技术主要特点就是速度高。只有网络速度大大提升,在面对VR/超高清业务时才能不受限制。通过研究,5G网络的理论传输速率可达10Gbps。

1.4故障弱化性

5G智能传输平台除了可以实现5G传输系统的无线化、超高可靠、超高带宽、超低时延外,还能够实现在满足矿山业务需求的情况下,将部分核心网控制业务下移至边缘计算设备,并在核心网断网情况下不中断已有业务的传输,尽可能地对传输故障进行了弱化,提高整个传输平台的安全性和可靠性,降低平台整体建设和运维成本。

2 5G技术在建设智慧矿山中的应用

2.1用于矿区安防系统

基于5G的定位、高速数据传输和端端物联等优势，5G技术将助力实现矿山生产的高效巡检和安防。通过实时定位矿山采掘设备和作业人员，实时传输和共享采掘作业过程中的安全信息，实施可视化、精准化管控，针对目前出现的“检修作业不规范，管理开展不到位”等问题做到有据可循、有理可依。智能终端的主动推送功能自动识别其他移动终端设备并按需推送相关信息，实现采掘、检修等作业信息的泛在感知和共享。相较于传统的数据上传下发的利用方式，5G模式下的数据利用更高效、延时更短、可靠性更高、经济性更好。5G技术相比于4G技术最大的提升优势莫过于网络的传输速率，其理论峰值最高可达到10Gbps，这就意味着人们可以通过搭建5G网络平台进行高清影像的实时传输，全面覆盖矿区，做到“监控系统无盲区，巡查系统无死角”的快速响应安全管理体系。

2.2爆破作业与铁矿机器人应用

在需要频繁爆破的扎哈淖尔露天矿，土方的剥离必须经过穿孔爆破后方可进行采装运输，每天爆破点在3处以上，爆破及警戒区域最大可达2km2，即使操作人员完全按照规章操作也存在较高的危险系数。此时，铁矿机器人来代替操作或实施监控的作用凸显出来，基于灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠的通信网络，未来铁矿开采工作需要更多的机器人来代替人工进行各类作业，通过铁矿机器人的云端控制，将计算的结果即时返回，进而在云端部署行动策略。

5G网络负责将铁矿机器人连接到云端处理器，其低延迟特性满足云端处理和网络传输时间之和不超过100ms的要求，高带宽特性（10Gbit/s以上）能为机器人提供足够的反应速度，通过5G高清云台摄像机的实时监控，定向无死角监控爆破作业现场和炸药运输车辆也能大大提高爆破作业和其他危险作业的可靠性。

2.3VR技术和AR技术进一步在铁矿领域的应用

VR（虚拟现实）技术和AR（增强现实技术）在铁矿领域的成功运用将会彻底改变传统人机交互的模式。

基于VR技术在铁矿领域的研究已经存在较多研究成果，其中运用在三维建模、互动模拟等方面居多，可如果要运用该项技术进行铁矿开采的云端实时渲染、融合实际操控则需要能提供100Mbps～10Gbps带宽、+2ms延时要求的5G技术满足。

AR技术不同于VR技术之处在于AR技术可以将虚拟和现实相结合，能够实现虚拟世界和现实世界的同步，依托于5G技术传输速率高、延时极低、能满足高用户密度的优势，AR技术还可以应用于设备检修，及时的显现设备的安全状态并提供可行性维修方案。

2.4应用于矿山采掘作业定位系统精度改善

漏泄通信、感应通信、透地通信、RFID、WiFi、PHS（小灵通）、ZIGBEE等传统无线通信技术和设备在铁矿开采中的应用，实现了铁矿开采中移动通信、人员位置监测、为铁矿安全生产提供了手段。但因为矿山作业环境较复杂，存在着大量的信号干扰，且采掘设备众多，定位精度不高的问题也随之产生，而一旦需要单独布设相关基础设施，实时性则也难以保障。基于5G的低延时特性开发的矿山采掘作业定位与应用服务系统是未来的发展方向。

2.5构建基于边缘计算+云计算相结合的管控模式

计算分析一般分为集中式和分布式2种，当前的云计算属于集中式计算，而边缘计算属于分布式计算。二者都属于常用的大数据计算分析方式，区别于云计算，在边缘计算的应用场景中，数据无需传输到云端进行集中处理，而是在边缘侧就能解决，在智能化开采中，如不安全行为、铁岩识别等AI模型训练等对计算资源需求较大和实时性要求不高的计算分析任务，可以通过云计算进行解决，而对于如传感器预警、设备管控一类对延迟处理敏感、计算资源要求低的计算分析任务，可直接在终端设备和网络边缘就近分析处理。相对于传统的云平台集中处理，边缘计算+云计算的管控平台，更符合智能化开采中工业自动化特性，使管控更实时稳定可靠，效率更高。

2.6 5G露天矿区无人驾驶

早在2019年1月，青岛慧拓联合江苏移动、爱立信、英特尔等合作伙伴打造了国内首个5G平行驾驶管控中心。其先进性是通过构建和集成软件定义的“描述车-预测车-引导车”系统，同时集成5G低延时性，大幅提升驾驶安全和运营效率，这为慧拓自动驾驶技术在矿区的实际落地运营提供了技术积累。5G智慧矿山完整解决方案包含矿区的机群管理与智能调度系统、智能矿车运输系统、无人矿卡仿真系统及远程应急接管系统。基于慧拓首席科学家王飞跃教授首创的平行驾驶理论，慧拓自主研发的智慧矿山无人运输解决方案具备高级自动驾驶网联功能，与传统的V2X车联网方案不同，它基于平行驾驶管控平台，中心更智能，计算功能更强大。

拥有上百年开采史的宝钢资源马钢矿业南山矿智慧制造重点项目——“和尚桥采场基于5G技术的无人驾驶矿用卡车项目”于近期引入了慧拓智慧矿山无人运输解决方案，通过优化系统配置，在矿车仿真系统上设置相应的起点和终点，矿车就会自动按照指定的路线行进。同时，车上装有激光雷达、毫米波雷达和高清摄像头，可精确识别周边环境，并能进行自动避障。此外，为实现混编运行高效有序，在该矿车上运用新一代信息技术，同步建设了智能调度系统、协同装载和卸载系统、应急安全接管等系统，并通过低时延、大带宽的5G网络，可实现对矿用车辆集群调度、协同作业、状态监控及数据分析、应急接管等功能。随着无人矿车的投入使用，矿山企业一方面保证了运输生产的安全稳定、减少了车辆油耗，消除了人为因素导致的设备受损，另一方面又降低了人工成本，提升了运输效率。该项目投运后将首开国内冶金露天矿山多台矿车无人驾驶与有人驾驶混编运行的先河，为国内“智慧矿山”建设提供样本。

结论

随着5G技术的发展,铁矿行业借助5G的技术定能得到广泛的应用, 铁矿生产在5G技术的推动下正从自动化向智能化发展,实现智能化采掘、智能化运输、智能化巡检和协同运维等远程智能控制。这样不仅提高了铁矿的产量,还减少了运行成本,降低铁矿职工的劳动强度,最主要的是给铁矿行业带来的可观经济效益。5G为实现铁矿智能化奠定了基础。

参考文献：

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