5G应用创新发展白皮书-5G重点应用分析-智慧矿山

智慧矿山

随着5G融合应用的不断发展和演进,应用重点行业和领域逐步聚焦,尤其是在工厂、矿山、港 口、医疗、电网、交通、安防、教育、文旅以及智慧城市等10个领域,逐步获得业界认可,并初步形 成了有望规模商用的应用场景。本文主要介绍5G在智慧矿山中的典型应用分析,主要从5G典型场景及价值、未来发展空间以及面临的挑战。


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正文开始:

1、5G典型场景及价值

2020年3月,由国家发展改革委、能源局、应急部、煤监局、工信部、财政部、科技部、教育部8 部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。《指导意见》要求到2021年,建成多种类 型、不同模式的智能化示范煤矿;到2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化;到 2035年, 各类煤矿基本实现智能化,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。5G网络的上行大 带宽,低时延特性,在煤矿行业应用可以实现快速上传安全生产数据和环境视频,高清音视频通话, 设备远程智能控制等多种应用,进一步降低了煤矿企业综合维护成本,极大提高综采效率,让无人化、少人化的井下开采成为可能。近年来,煤矿行业加速推进信息化、智能化建设,这个曾经被贴上 “傻大黑粗”标签的行业,已经建成了100多个智能化采煤工作面,实现了地面一键启动、井下有人巡 视,我国煤矿企业处于从劳动密集型向人才、技术密集型转变的阶段。

传统井下网络重复投资,维护成本高。井下有6大作业系统,分别是采煤系统、掘进系统、通风系 统、运输系统、排水系统、机电系统;普遍的情况是每套系统都有独立的光纤通信,造成重复投资。 由于井下环境,粉尘和震动造成光衰严重,影响通信质量,维护成本高;现有网络无法满足移动场景 的需求。作为煤矿最重要的作业面、综采面,始终在不断掘进中,光纤有线的连接方式不能很好地适 配。5G替代光纤解决了井下最后500米连接的问题,合并了6大独立的作业系统,帮助煤矿实现“井下 一张网”,同时可以满足作业面、综采面等移动场景,并采用防爆处理,满足井下安全作业需求。满 足露天矿山对无人化的需求。传统露天矿山作业环境恶劣,依托5G通信技术“低时延、高带宽”的优 点,利用5G+北斗高精度定位、智能作业、双向自动驾驶运输、中央控制算法,实现矿山设备集群的 远程遥控、智能自动化作业与协同作业实现露天矿产区铲、装、运的全程无人操作。

5G可以为煤矿向智能化发展提供更有效、更便捷的方案。5G使能透明矿井,井下运作全面可视 化。井下巷道纵横交错,长达30余公里,地面无法获知井下众多人员和设备的位置、状态,对煤矿的 安全管理带来巨大挑战。5G提供地下实时定位服务(未来R16版本可定位到米级,R17可到亚米级), 连网人员、设备可以实时上报位置,生成井下三维地图,人员、设备位置状态一目了然。井下5G网络 采用下行上行1:3配比,同比5G公网上行提升超过3倍,实测上行达到1Gbps以上,在240米井下可同 时满足30多路4K监控画面的传输(Wi-Fi干扰大无法工作),做到井下综采面作业可视可管。同时 在井下危险地方通过高清视频实时监控,出现任何情况都可以第一时间发现和及时响应。5G使能智能 矿井,实现生产效率大幅提升。综采面分布了2000多个传感器和操作装置,组成安全、作业、管理系 统,系统间相互独立,需要人工协调,5G大连接的特性,把这些系统连接起来,实现感知、监控、告 警、操作等数据的互通和联动,比如安全系统与作业系统耦合,根据井下瓦斯的分布和浓度,自动调 节采煤机的采煤速度。5G使能无人矿井,井下安全获得有效保障。为了识别设备潜在风险,保证安全 生产,综采面每天停工6小时,进行例行的设备检修,例行检修不仅造成煤炭产量减少,而且检修人员 聚集井下带来安全隐患,5G低时延的特性,可以保证综采面实现一边作业一边实时上报工况,使得设 备状态可以被技术人员实时掌握,停机检修的时长和下井检修的人员均大幅减少,未来综采面可以基 于5G实现远程操作,现场的工作人员也将大幅减少,井下围绕综采面工作的人员可以由原先的140人减 少到60人。

5G应用于智慧矿山领域可以很好的解决行业痛点,创造价值,可复制推广性强。各地矿山场景 对无人化的需求迫切,对远程控制的需求相似,解决方案具有较强的可复制性,社会经济效益前景巨 大。第三届“绽放杯”大赛获奖项目中,焦煤集团5G无人矿山项目在露天矿山开展运输车无人驾驶、 器械远程无人操作等应用,人员减少50%,人员伤亡降低为0,直接受益4800万/年,解决事故率高、 招工难、运输效率低等行业痛点。山西省煤炭资源丰富,阳泉煤矿集团旗下的新元煤矿,率先开始5G 智慧采矿试点,目前已经实现远程控制、视频监控、巡检机器人,未来可实现的应用包括传感器数据 采集、定位等。在现有的自动化采矿基础上,利用5G上行大带宽能力,把井下实时画面传输到地面控 制室,采用AI对视频进行分析,识别采矿时的岩石并躲避、监控皮带运输巷道的煤块掉落、以及井下 的人员作业规范与安全、图像的AI识别,各系统协调管理,效率提升30%+。利用5G的低时延,实现地 面对井下设备远程操控,极大的改善了矿工的工作环境,减少人员伤亡风险。

5G智慧煤矿应用示意图

5G智慧煤矿应用示意图

2、未来的发展空间

未来5年,国家要求2025年基本实现矿井智能化,使用开采的新技术、新工艺、新装备,实现矿井 的安全、绿色、智能开采。5G智慧煤矿大有可为,目前全国煤矿数量达5300座,仅山西省年产200万吨以上煤矿达568座,占全国比例10.7%,根据单个5G煤矿项目投资平均水平估算,山西在5G煤矿上的投 入有望超50亿元。我国除山西矿区以外,还有平顶山矿区、六盘水矿区等,预计全国5G智慧煤矿的投 资将超过466亿元。

3、面临的挑战

随着5G技术在智慧煤矿应用的不断深入,5G智慧煤矿有望迎来新一轮的发展机遇,同时也面临着 如下挑战:

• 煤炭行业对井下设备的本安防爆要求,对5G基站、终端设备的发射功率提出挑战,目前规范 要求井下基站设备发射功率小于6W,导致基站覆盖范围小。要求终端设备总功耗小于20W,分解到5G 模组,要求功耗小于5~10W,当前在上行大带宽满负荷发送的情况下,模组持续工作可能会导致功耗 高。

• 煤矿安全生产要求核心网故障时,业务不中断,目前5G核心网的方案,还需要进一步探索如 何保证生产不间断及安全等问题。

• 井下煤矿的采煤机、支架等控制系统,大部分采用的是CAN总线,尚未演进到EHT技术,可靠 性要求99.999%。5G当前还尚无法满足控制系统的通信可靠性要求,需要进一步探索提升5G技术能力。