基于5G技术的台车远程遥控系统在矿山的应用

施升涛

(山东黄金矿业(莱州)有限公司 三山岛金矿， 山东 莱州 261400)

0 项目背景

全球矿业向着安全、绿色、高效、智能、智慧方向快速发展，对矿业装备的要求也越来越高，三山岛金矿逐渐从机械化换人、自动化减人向着智能化无人方向快速迈进，目前已实现选矿自动化、电机车无人驾驶、提升系统集中控制、配电室及水泵房无人值守、固定破碎机地表远程遥控等，整个矿石流中，采矿环节仍处于传统的现场凿岩模式。

当前开采深度接近千米以深，作业区域集中在-735 m至-960 m，已探明资源多赋存于千米以下。随着开采深度的延伸，面临高地温、高地应力、高岩溶水压、强烈的开采扰动等复杂作业环境，严重制约矿山生产作业效率，增加凿岩台车作业人员的安全隐患。

1 系统方案及具体内容

1.1 5G核心网建设

矿山中心机房安装5G核心设备BBU5900；地表控制室安装5G室分设备和5G CPE，实现滴灌式覆盖，该覆盖系统由BBU、RHUB、pRRU组成，使5G信号覆盖整个控制室；5G CPE接收5G信号，通过工业路由器连接电动凿岩台车远程操控台；井下采场搭建5G基站(如图1所示)，包含RRU、AAU和OPM，实现5G信号全向覆盖采场；地表远程操控台和电动凿岩台车均安装5G CPE设备和工业路由器，用于上传和下达5G信号，工业路由器分别与电动凿岩台车远程控制单元和地表远程操控台的控制单元连接；矿山中心机房至井下工作采场敷设光纤，实现地表5G核心设备与采场5G基站设备的连接。5G核心网架构如图2所示。

图1 5G基站采场安装图

图2 5G核心网架构图

1.2 DD311电动凿岩台车远程遥控系统建设

1.2.1 系统简介

DD311电动凿岩台车远程遥控系统(如图3所示)基于无线通讯、视频传输、自动化控制等最新技术，大臂多路阀和凿岩、快退液控系统改装升级为电液驱动，操作人员在集控室，通过专业的遥控操作平台，利用5G专网连接现场设备上的车载控制系统及云台高清变焦摄像头，监视台车并进行远程无线凿岩作业。集控室的远程遥控操作平台通过5G专网与电动凿岩台车上的车载控制系统相互通信。

图3 DD311凿岩台车远程遥控系统示意图

工作区域，电动凿岩台车通过车载CPE将视频、车辆状态信息发射出去，经5G基站接收传输到地表集控室；同理，集控室的控制信号由光纤传输到工作区域的5G基站，并经车载无线CPE接收送达车载控制系统[2]。操作人员通过集控室远程遥控操作平台的显示器和操控面板(如图4所示)操控设备作业，电动凿岩台车前端装有云台变焦摄像头(如图5所示)，将现场作业环境实时反馈给集控室操作人员，辅助远程凿岩作业。

图4 远程遥控操作平台显示器和操控面板

图5 云台变焦摄像头

1.2.2 系统组成

DD311电动凿岩台车远程遥控系统主要包含六部分：远程遥控操作平台、车载控制系统、车载监测系统、实时视频系统、远程液压系统和远程电控系统。

(1)远程遥控操作平台

包括操作平台、嵌入式核心控制器、数据汇聚器、曲面液晶显示屏、视频处理显示软件、状态信息处理显示软件等。通过通讯模块将操作信息传输到网络中[3]，同时对车载控制系统发送到网络中的车辆状态信息进行接收和处理。远程遥控操作平台如图6所示。

图6 远程遥控操作平台

(2)车载控制系统

包括车载接收单元、车载状态参数采集处理软件、电源模块、车辆监测单元、车载数据汇聚器、车载接口控制单元组成[4]。车载控制系统的控制箱安装在DD311电动凿岩台车后车体上方，通过接收远程遥控操作平台的控制信号实现对DD311电动凿岩台车动作的控制。

(3)车辆监控系统

实时监测与控制台车工作，监测系统的推进压力、旋转压力、冲击压力、水压、风压、凿岩机小时数、空压机小时数、推进梁延伸压力(辅助确认推进梁是否到位)及各种状态指示。

(4)实时视频系统

包括云台变焦摄像头、高性能无线网桥及视频处理显示软件等。在DD311电动凿岩台车顶棚前方安装两个高清云台变焦摄像头，将视频数据实时传到远程遥控操作平台，通过视频处理显示软件处理后，上传到显示屏上进行显示。

(5)远程液压系统

将DD311电动凿岩台车大臂液控多路阀更换为电液控多路阀(如图7所示)，增加阀组电控功能，并保留阀组手控功能；在DD311电动凿岩台车冲击、推进、旋转及快退液控系统中[5]并装一套电液控系统，加装电磁阀(如图8所示)实现手动和遥控双操作。

图7 电液控多路阀

图8 遥控电磁阀

(6)远程电控系统

包括车载控制箱接线，DD311电动凿岩台车MP主控箱接线，BOX81分线盒接线和DD311电动凿岩台车操控台接线。远程电控系统接线如图9所示。

图9 远程电控系统接线图

2 系统技术要点

(1)搭建的5G专网能降低空口时延、网络转发时延、重传概率和丢包概率，引入支持免调度的新型多址接入和D2D等技术以减少信令和数据中转，并运用更先进的调制编码和HARQ重传机制，提升DD311电动凿岩台车远程遥控系统的传输可靠性；网络架构方面，控制云通过优化传输路径，控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，有效降低网络侧传输时延。

(2)5G CPE做DMZ映射给工业路由器，两个工业路由器间做GRE隧道，实现两端多个设备在一个虚拟二层网络互访。

(3)远程操作和就地操作两种模式无扰切换，操作人员既可在危险区域进行远程凿岩作业，又可在安全区域进行就地凿岩作业。

(4)远程遥控系统采用开放式架构、标准化接口和协议，具有良好的可扩展性和可开发性，后期可进行功能扩展和软件升级；配置了开关量和比例量控制信号，通过核心控制器增强安全性和可操作性；系统基于加拿大BTI无线遥控系统安全控制策略和理念进行设计。

(5)远程遥控操作平台和车载控制系统有故障记录和自我诊断功能，方便维护和修理。

(6)控制程序模块化设计，模块间相互独立，独自完成各自功能。

3 应用情况

投用后，电动凿岩台车既可井下本地凿岩作业，还可地表远程凿岩作业，本地和远程之间无扰切换。远程操控台的操作界面与台车本体操作界面相同，便于操作。同时，台车各种仪表指示灯和传感数据在地表远程操控台上实时显示，操作人员随时掌握台车的工作状态，并根据指示灯和传感数据做出判断，操控设备作业。操作人员从之前井下现场作业到现在地表远程作业，工作环境发生翻天覆地的变化，如今在地表控制室冬暖夏凉，呼吸新鲜空气，职业病概率降为零，工作热情高涨，作业效率大幅度提高，最关键是将作业人员从井下恶劣环境中解放出来，实现人员的本质安全，达到机械化换人、自动化减人的目的。

4 经济效益

(1)改造的DD311电动凿岩台车运行5年多，工作一万多小时，台车改造费+净值合计220万，在此基础上升级为全电脑自动钻孔的电动凿岩台车，升级改造费150万，单台进口全电脑自动钻孔的电动凿岩台车价格680万，实现全电脑自动钻孔的电动凿岩台车可节省费用=680-(220+150)=310万。

(2)传统凿岩作业方式伴有岩爆、塌方及落石等危险，5G+专网的方案实现远程凿岩后，单个操作人员可远程操作1～3台电动凿岩台车远程作业，大幅度提高工作效率，减少了作业人员的数量和伤亡的概率，同时提高了作业人员的工作舒适度，避免井下湿热、烟尘环境带来的职业病患病风险。

(3)传统凿岩方式下，操作人员上班、下班的空挡时间+爆破后烟尘消散时间，合计浪费3～4 h/d，地表远程凿岩作业后，不再受上述时间影响。

(4)我国工程技术人员自主创新，实现电动凿岩台车凿岩作业方式的本质改变，打破国外凿岩技术的市场垄断，随着我国凿岩技术的快速发展，会逐渐拉低凿岩台车市场的整体行情。

(5)随着技术的进步发展，矿山企业对降低人力成本和提高生产效率的需求会逐步加码，对具备自动钻孔功能的台车需求量会相继增加，预计未来10年，全电脑的电动凿岩台车会在国内普及，解决生产效率低下、安全风险高及人力成本高等方面的问题。项目产生的直接经济效益有限，产生的社会效益、对未来台车行业的发展促进及国外凿岩市场的冲击是巨大的。