基于5G 工业互联网的智能矿山创新建设研究.pdf

2023年第8期西部探矿工程*收稿日期：2022-09-01修回日期：2022-10-16作者简介：任超（1985-），男（汉族），陕西蒲城人，工程师，现从事煤矿掘进工作。基于5G+工业互联网的智能矿山创新建设研究任超*（陕西陕煤黄陵矿业有限责任公司一号煤矿，陕西 黄陵 727307）摘要：为提升智能矿山建设速度，基于黄陵矿业集团智能矿山建设现状，提出了基于5G+工业互联网的智能矿山建设策略，总结了5G+工业互联网在煤矿智能矿山建设中的主要应用优势，并提出了应用5G+工业互联网助力智能矿山建设的建议，以供智能矿山建设参考。关键词：5G；工业互联网；智能矿山；建设策略中图分类号：TD596 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)08-0136-05随着人工智能、大数据、物联网等领域的不断发展，人们对人工智能、大数据和物联网的需求越来越迫切。5G等信息技术的普及，从而可以大大提升人们日常的便利性，与此同时可以对各个行业的转型升级提供契机。当前，科学技术的不断发展，对于矿产开采而言，已经开始从机械化、数字化朝着智能化的阶段发展。黄陵煤矿在实施智慧矿山的过程中，提前谋划，遵循“目标引领，整体设计，分区实施”原则，从生产过程自动化、安全监控数字化、经营管理信息化与信息管理集约化，集中管控、应急联动、数据共享等方面实现了“循序渐进”的理念。并且对企业资源进行深度整合，进而找到一条“本质安全，降本增效，为职工谋福祉”的发展道路。1坚持解放思想，做到高站位、大格局在十九大报告中，提出了“数字中国，智慧社会”的发展理念，指出了煤炭工业的发展和发展方向。黄陵矿业集团是一家国企，要全面落实新发展理念，必须不断解放思想，进行自我革命，转变传统的煤矿形象，推动煤炭工业转型升级。（1）为了全面落实“以人为本”的中心思想，因此必须加快发展智能矿山。众所周知，矿上开采工况条件比较恶劣，职工劳动强度大，使职工安全工作，体面劳动，有尊严地生活，这就是贯彻了以人为本的理念。在推动矿山开采智能化的过程中，不断增加电气控制设备，这样可以大大降低一线员工的数量与劳动强度，使矿山“苦脏累险”的工作条件发生根本性的转变，使矿山“傻大黑粗”的面貌发生根本性的转变，真正提高了员工的获得感、幸福感1。（2）要建设本质安全型矿山，必须加快推动智慧矿山的建设。进入21世纪以后，我国煤炭企业在提升矿山安全方面投入了较大的精力，加大设备投资力度，加快安全、高效的矿山建设。可是却与本质安全之间存在较大的差异，安全问题依旧存在。在引入智能化施工之后，不仅可以用设备减少人员数量，而且可以增加智能化控制的作用，进而大大降低人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全因素，保证安全形势的控制。（3）加快矿山智能化的发展，是实现煤矿安全生产的必然要求。与前几年相比，我国的煤矿工业发展尽管有了长足的发展，但整体上仍然属于劳动密集型高耗能型的行业，与其它行业相比仍然是处于较低的地位。特别是在经济发展的大背景下，企业普遍存在招工难、就业难、环保等问题，要想破解这一瓶颈，必须大力发展新的产业。要想获得高品质、可持续发展，必须找到新的发展道路。2坚持理念引领，做到重实践、务实效黄陵煤矿公司为了更好地数字化理念，并结合自身的发展实际，开展数字化矿山建设。在2017年年初，公司提出了“安全本质，降低成本，为职工谋福祉”的智慧矿山建设目标，并开始了智能化矿山的建设。在2017年，我国构建了全国范围的“万兆环形网”高速信息信道，井上井下无线网和4 G网络的全面覆盖，并构建了煤矿智能化的煤矿网络传输平台。2018年，建立了装备数据库，从而进行装备数据的实时传输，因此为智能矿上的发展创造了非常有力的条件。在2019年，实现了以“九大系统”为中心的智能化矿山1362023年第8期西部探矿工程体系建设；2020年6月，在矿山下部署了5 G基站，在2020年12月份完成了整个矿区的5 G通讯；在2021年，将5 G和工业环网连接起来，与移动、华为以及其他设备供应商通力合作，进而研发出无人驾驶胶轮车、巡检机器人等5 G通信设备的5 G网络和工业控制。（1）5G+智能采煤系统。采用 AR双发选煤技术，完成了5 G远程远程控制、记忆割煤、自动移架、半自动卸煤；由于没有了井口的集控室，集控操作员可以在地上对综采装置进行一次启动和停止等操作，而在综放工作面上，仅用35个人就能完成正常的工作。使煤矿生产作业实现了有效的、稳定的生产。（2）5G+智能掘进系统。对常规综管进行了升级改造，实现了5 G通讯网络，增加了惯性导航和全站仪，实现了对地面的遥控和自动截割。从而可以大大降低一线员工的劳动强度，并且能够提升工况环境的本质安全。（3）智能调度集控系统。实现了对生产过程的全程远程视频监控，实现了车间固定岗位无人值班。通过远程集控，实现了煤炭生产、销售、销售的全过程数据融合共享，从而提高了生产、销售的效率。实现4G、5G网络全范围覆盖，矿工们再也不用在矿山里失去联系了。目前，该煤矿一班人约60人，已初步达到“人少则安，人无人”的安全管理目标。（4）设备智能预警与远程会诊系统。根据全寿命周期的思想，建立了设备智能化的预警、远程会诊平台，实现了设备的实时监测、设备制造商和专家的信息交流、设备故障预警预判，设备故障远程会诊。从传统的设备维修改造到了全寿命管理，为煤矿减少维修，为夜间作业等工作提供了技术支持1。（5）物联网+智能仓储系统。从计划、审批、利库、物流配送等环节实现了在线操作，降低了人工干预；实现了“一小时”快递物流圈的在线下单、机器人出库、集装箱运输、无人化、高效管理，并对物料的领用、运输流程进行了优化。设备的全生命周期管理和设备预警预测，使设备零部件的零库存得到了基本的改善，从传统的资本支持再生产向数据驱动的再生产转变。（6）副斜井智能交通安全管控系统。采用门禁控制系统，对井下车辆的身份、安全性能和“四超”的监测数据进行了全面的监控。可实时定位工作车辆，控制交通信号灯，全程测速。采用5 G技术，可以实现矿山的自动驾驶。从手工控制到系统化控制，使煤矿辅助运输系统安全得到了本质上的保障。（7）5G+智能输送带运输系统。在借助5 G网络的情况下，实现智能巡检和预警预测。根据煤碳数量的多少，可以调整主要输送系统的速度。对于原煤生产系统而言，能够实现远程集中控制，从而可以进行“顺煤流”的启动。经过工程实践发现，该系统应用后可以减少20名工作人员，并且可以大大优化生产安全问题。（8）无人值守一体化煤质销售管控系统。该系统实现无人看守，在线进行质量检测。同时可以实现销售量、合同产量与产量之间的协调，矿上与井下生产的流量与生产的零库存、零亏卡销售，这样可以大大避免出现销售过程中的贪污问题。此外，开发的在线智能公交排队系统，不仅可以实现在线预约功能，而且可以有效地处理运煤车超时的问题，从而可以大大优化交通堵塞问题。（9）智能通风系统。该系统能够对全矿山风量进行动态的调整，与此同时可以依据工程需要对局部的通风进行调整。此外，该系统可以对瓦斯、粉尘进行实时监测以及实现自动喷雾控制，达到了节水、节能、降噪的目的，并对矿山的工作环境进行了优化。（10）远程智能办公系统。该产品采用移动终端办公，解决了因出差或休假而无法工作的问题。使工作效率最大化，管理成本降低，彻底实现了办公革命2。3坚持总结提升，做到固根本、求长远在四年的智能化矿山建设的过程中，从如下几个方面进行总结智能化矿上建设的重心：（1）以问题作为导向，黄陵矿业企业在推进智能化矿山建设的过程中，始终以“为什么建、为谁而建”为导向，并且围绕如何解决员工生活质量、工况环境与企业成本等方面进行智能化建设。（2）设计优化是基础。优化开发布局：黄陵煤矿采用一井一面的布局，并且不再井下设立煤仓，从而能够减少一条斜井，以及将1面3巷设置成为1面2巷的形式，进而可以保证施工的顺畅，这样不仅可以节约了施工费用，而且可以为智慧矿山的建设奠定了良好的基础；黄陵煤矿智能化矿山的控制体系的优化：利用现代信息技术，人工智能，物联网技术，基于高度集成、共享的数据库，采用“金字塔”结构的6个层次结构，实现了全数据采集、全数据共享、全自动统计分析、全透明的经营管理、全人机监控、全过程监控。（3）数据治理是关键。运用数据管理方法，发现了事件的发展规律与发展趋向。利用数据管理，管理数据即管理装备，管理设备就是管理生产。1372023年第8期西部探矿工程（4）创新管理是保障。对管理理念进行优化：从传统的经验、单一数据的管理，进而转变为单纯的管理；创新生产管理方式：贯彻实施设备生命周期的思想，实现对数据的控制、实现管数据就是管设备，管设备就是管生产；创新成本控制方式：采用零库存生产、零亏卡销售商品煤，实现成本控制的创新；创新营销管理体制：以市场为导向、产销协同、零库存，实现绿色生产，最大限度地提高当地的环境问题。与此同时，可以从行政层面取消夜班制度，规范旷工的作业时间，为矿工的健康做出了保障。智慧矿山的建造是一个复杂的系统工程，而黄陵煤矿的智能化水平还处在起步的初期，智慧矿山的开发将会一直持续下去。下一阶段，黄陵煤矿将在习近平新时期中国特色社会主义理念的指引下，继续改进已存在的智慧管理体系，使之更加丰富。完善信息管理系统，提高5G产业的实际运用水平，并与中国移动和华为科技等企业开展业务协作，努力使5G在矿山内的“需用尽用”。见图1。45G+工业互联网技术在煤矿生产中的应用优势根据黄陵公司的实际情况，指出今后5G+工业互联网技术在矿山中具有如下典型的应用前景，可以推动整个煤炭产业的根本转变，使企业的数字化转型和智能发展成为可能。4.15G+工业互联网助力矿山监测监控安全、高效、可靠5G+工业互联网技术可以更好地为矿山的智能化开发提供高质量的技术支持。针对电缆行业环形网络，矿山下采掘工作面环境较复杂，终端通讯光纤易损坏，维护困难，无法保障数据的安全、可靠的传送，而目前的无线通讯技术已不适应矿山智能化的要求。5G+工业互联网大带宽、低延迟、大连通性、微基站、切片技术以及端到端的新的连接方式，为煤矿智能化采矿数据传输处理需求提供了有力的保障，确保了矿山监测监控数据的安全、高效、可靠传输2。4.25G+工业互联网助力矿山无人化在矿山智能化矿山中，由于信号传输时间长，造成了实时控制难以实施，这是制约矿山智能化开发的一个主要原因。在已有的网路上，可以实现各种监控、报警、感应等实时控制，视频和其他信息信号的远程传输，主要依靠传统的数据包交换技术。由于技术系统本身的缺陷以及路由器、交换机等设备自身的特性，使得网络的远端延迟很大，很难适应各种高实时性的服务要求。由于安全原因，在现实的生产过程中，由于传统的网络环境，很难实现实时的实时控制，从而制约着矿山智能化的全面推广。5G+工业互联网的低延迟特性为实时控制提供了技术支持，以5G+工业互联网为基础的“三无”场景有望成为现实。采掘头面无人操作：处理利用5G+工业互联网技术，实现了综采工作面大容量同步传输、生产监测数据低延迟、远程交互等技术，实现了综采工作面移动设备的远程实时控制。利用5G+工业互联网技术，实现了对危险地区掘进机的遥控控制，使掘进机的智能化程度更高。设备硐室无人巡检：处理利用5G+产业网络技术，在矿山安全监测、大范围感知、图像辨识、报警等方面性能得到显著提升，可以使矿山下的设备实现自动巡视。运输车辆无人驾驶:利用5G+工业互联网技术进行高精度的实时定位和应用，可以实现井下胶轮车的自动驾驶。4.35G+工业互联网助力矿山透明可视化当前，许多矿山的监控系统已实现了对矿山的远程监控，监控系统均已达到了对设备运行电流、电压和温度的实时监控；由于网络的带宽有限，目前的图像分辨率很差，无法适应远程监控的要求。利用5G+工业互联网技术，可以直观、实时地观察矿山开采的动态，从而达到观察地下开采的目的。此外，通过与智能影像技术相融合，可以对操作人员操作行为、设备运行状态、环境变化等进行智能化的辨识，对操作过程进行有效的控制，达到“雾里看花”监控到图15G+智能采煤系统现场应用1382023年第8期西部探矿工程“身临其境”操作的转变。4.45G+工业互联网助力矿山万物互联5G+工业互联网技术在煤矿中的运用，可以突破各个层次的生产管理平台，实现全流程、全方位的控制。该系统可以将安全运营管理系统(Operational Management Sys-Tem，OMS)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)、设备生命周期管理系统等应用于企业的信息化管理系统中，在手机终端进行在线、即时、直观、全面的应用。正确获取安全生产数据，并能及时做出相应的安全决策。可采用具有摄像机的头灯、防爆执法记录器等便携式摄像机，以达到安全检查和安全监管动态的目的。4.55G+工业互联网助力矿山设备远程协同运维随着智能化采矿技术的普及，矿山下装备的复杂程度日益提高，单工种的运维工作已不能满足要求，需要有专门知识的专家队伍持续跟进，远程协同运维的局面已初现端倪。借助5G和工业互联网的优势，再加上虚拟现实（Virtual Reality,VR）、增强现实（AugmentedReality,AR）等先进技术，全息构建现实设备的虚拟模型，可以让专家们通过虚拟现实的操作，实现对设备状态的感知和故障的处理，从而实现深度协同运维。见图2。图2智能交通安全管控系统对车辆进行识别、定位、数据检测等管控5以5G+工业互联网技术助力智能矿山建设的建议新一波的能源技术变革正在兴起，新一代的信息技术和新的能源产业融合、数字化、网络化、智能化的快速发展，加快矿山智能化发展是煤炭工业高质量发展、数字化转型的战略要求。以数字化、网络化、智能化发展为主要驱动力，以数字化、网络化、智能化的发展模式，探索数字化、网络化、智能化发展道路。（1）加强项目申报，示范建设先行。要抓住机遇，抓住项目建设的契机，争取列入“智慧矿山建设”、“新基建”等重大项目，通过加快示范项目建设，促进煤炭工业高质量发展。（2）加强顶层设计，强化标准引领。基于5G+工业互联网的智能化矿山安全规范与规范的缺乏的现状的基础上，先下手为强，以制定标准为先导，抢占行业制高点。加快推进我国5G+工业互联网+智能化矿山标准的制定，将地方标准提升为国家标准，掌握5G+智能煤矿标准话语权，引领、推进我国智能化矿山建设。以智能矿山创新实验室为核心，集中行业、学科、领域的技术创新力量，加强技术研发，在矿山5G+工业互联网专用频段、组网架构、多网融合等关键问题上取得突破，加速技术转移、扩散，为未来的产业制高点提供技（下转第145页）1392023年第8期西部探矿工程了安装时间，同时起重机体积小、移动方便，在井下可被广泛应用，还可用于桥梁、隧道、冶金、建材等领域中，应用领域广。参考文献：1邢德喜.煤矿井下起重机研究J.内蒙古煤炭经济,2019(10):99-100.2朱泽祥.煤矿井下自制起重机的研制与应用J.能源技术与管理,2010(2):100-102.3许伟.防爆起重机在井下充电硐室的应用J.煤炭工程,2006(7):42-43.4李增.桥式起重机在井下充电硐室的安装设计J.中州煤炭,2011(2):65-66,69.5梁晓波.煤矿装卸用起重机有限元分析及优化设计J.煤矿机械,2013(11):104-106.6张坚.煤矿装卸用门式起重机的优化分析J.机械管理开发,2022,27(3):131-132.7马小蓉.基于MATLAB的BP神经网络在煤矿桥（门）式起重机检验中的应用J.煤矿机械,2012(8):212-214.8章文峰.煤矿大型钢结构井架顶部桥式起重机吊装J.起重运输机械,2007(5):100-102.9张晓明.煤矿起重机主梁下挠原因、危害及处理方法J.山东煤炭科技,2015(3):133-134.10 张桂欣.煤矿起重机吊重防摆控制研究J.机械工程师,2020(2):120-121.（上接第139页）术支持。（3）加强资金扶持，建立产业联盟。矿山智能化改造投资巨大，涉及领域广，技术瓶颈多，投资有一定的危险性。提出由国家或相关财政机构设立专项基金或融资机构，由科技界牵头组织产学研合作，组建更加广阔的技术合作联盟，促进5G+工业互联网+智慧矿山产业技术融合创新，支持、支撑此项工作。发展5G+产业互联网物联网模块，VR高清视频，热成像技术，5G+AICDE+认工智能，物联网，云平台；在大数据、边缘计算等领域，加速科技的创新与运用，促进矿山的智能发展。参考文献：1王飞.基于光纤传感技术的智能矿山无人化巡检系统研究J.煤炭科学技术,2021,49(2):30-33.2白怡明.煤矿井下智能通风系统的设计及应用J.智能矿山,2022,3(1):13-16.（上接第142页）而有升高之趋势，煤层瓦斯斯梯度明确，瓦斯分类为中等。参考文献：1吴江.三道岭矿区瓦斯地质规律浅析J.河南建材,2012(2):174,176.2熊昌银,杨仁涛,沈宝存,等.新疆拜城县众维煤矿煤层瓦斯赋存特征分析J.中国煤炭地质,2022,34(4):1-4,13.3高北斗.塔里木盆地北缘库拜煤田中区煤层气成藏模式研究D.新疆大学,2020.4王峰.山西沁水煤田龙湾井田煤层地质特征及煤层气概要评价J.西部探矿工程,2021,33(9):132-136,141.5卫华鹏,邓彩.矿井瓦斯赋存影响因素及瓦斯地质规律研究J.能源与环保,2019,41(12):84-87.145