双5G网络下露天智能矿山系统构建与应用

葛虎胜 宫福会 孙炎炎 况锅明 彭南竹 梁 超 胡建华

(1.洛阳有色矿业集团嵩县矿业有限公司,河南 嵩县 471000;2.栾川龙宇钼业有限公司,河南 栾川 471000;3.洛阳有色矿业集团公司,河南 洛阳 417000;4.长沙迪迈数码科技股份有限公司,湖南 长沙 410083;5.福州大学紫金地质与矿业学院,福建 福州 350108)

随着新一代信息技术与智能化技术加速融合,智能化已成为各行业的发展新趋势[1]。全国产业转型发展攻坚全面展开,“新三大改造”即智能化改造、绿色化改造和技术改造深入推进,智能化发展的步伐得到了明显加速,呈现出巨大的发展潜力。加之《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》《新一代人工智能发展规划》《智能制造工程实施指南(2016—2020)》等相关政策文件的出台,对智能化发展给予了支持和指导[2]。有色金属露天矿山作为传统和基础产业载体,整体智能化水平较低,较多岗位还是采用人工操作,员工不仅劳动强度大、工作效率不高,还存在较多安全风险。矿山智能化建设在降低劳动强度、提升安全管理、减人增效方面的优势日益突出,是矿山企业提升核心竞争力的有效手段[3-6]。智能化建设不仅是矿山企业深化改革的迫切需求,也是生产安全发展的必然选择。现阶段,在矿山智能化建设中普遍存在开采生产设备多、开采管控难度大、生产流程不连续、安全管理难度大、转型升级压力大等技术难点。露天矿山智能化改造方面主要存在网络滞后、阻滞及传输时延等问题,造成智能调度的不连续、不稳定及不实时,无法实现对现场采矿作业实时查看、实时管控,影响了矿山安全生产[7-9]。露天矿山在设备、采矿、安全及数据管理中,存在多部门、多人员等数据分散和失真等问题,易造成数据的不安全性。如露天矿山配矿工作是由人工取样后送至检测中心利用化学方法进行化验;检测中心报送化验结果以后,地质技术人员根据化验数据计算各爆堆的矿石品位,人工确定配矿比例,铲装运输按该比例出矿,但人工编制配矿比例时存在半车或1/3车的现象,现场实际中无法操作,导致单班出矿品位与配矿不一致,造成单班品位波动。特别是大型露天矿山调度指令、称重及采矿等数据多样,纷繁复杂,如何将数据归类、统一且容易调取和利用,解决数据“孤岛”问题,实现数据流共享互通、相互流转,是大型露天矿山亟待解决的难题[10-12]。

本研究以南泥湖钼矿为例,结合该矿实际安全生产情况,总结建设经验,提出了“12341”露天采矿智能化建设新模式,即围绕“高效开发、安全应急管理、资源合理利用系统建设”为中心,以双5G通信网络1个系统,构建即时信息控制和云服务基础数据2个中心,开发智能采矿管控、综合生产执行、三维可视化管控三大平台,融合安全生产监测预警系统、双重预防机制、可视化监控、电子围栏及防碰撞系统等四大安全应急装备系统,探索露天矿山无人铲装的一种新模式,实现露天矿山开采全过程的数字化、智能化、本安化目标,并成功应用于露天生产过程与安全管理,促进了矿山的智能化建设与发展。

1 双5G通信网络系统与数据中心构建

1.1 双5G通信网络

通过在露天矿山引进和建设5GF和5G网络技术并开展应用,链接承载配套5G网络落地的高带宽、低时延特性,发挥固定网络稳定、高带宽、广链接的性能,实现生产数据快速流转、企业资源的最佳利用,降低生产经营成本,达到高产高效。F5G即第五代固定网络技术,与5G一样都是国际标准组织提出的新一代通信标准。5G与F5G互为补充、相互依赖,在不同的业务场景发挥着不可替代的作用。

通信网络的高速与实时性,能为生产决策提供简单、可靠、超高速的数据传输网络,从而可为实现采矿生产的过程可视化、装备自动化、管控智能化提供数据通信保障。同时,通过建立国家标准机房和数据中心,利用F5G网络传输进行数据交换,将关键数据在数据中心和云存储上实现双存储,可确保数据存储的安全性、稳定性及可靠性。

1.2 即时信息控制中心

即时信息控制中心是通过建立语音对讲系统、大屏显示系统、控制台、音响系统等,接入高清视频监控系统、挖掘机远程操控系统、三维可视化管控平台、边坡在线监测系统、卡车调度系统、智能采矿平台、生产执行等生产数据的信息采集系统,通过双5G通信网络,实现生产管理人员实时查看和掌握现场生产情况及相关数据,便于调整生产计划,从而实现生产智能管控[13]。

在语音对讲系统与智能调度系统的即时信息传达方面,通过语音调度系统对在生产过程中的突发状况、机械故障等及时与信息中心进行沟通协调,便于及时调整生产状态,确保安全生产。视频监控系统的工作流程是通过挖机与卡车驾驶室内的摄像头,实时辨识司机操作行为与工作状态,通过智能辨别司机的违规操作行为和不佳的工作状态,并借助语音对话功能对司机进行提醒,可减少生产过程中安全事故的发生;还可以智能辨别地磅、卡调提交的违规或错误信息,实现声光电联合报警,更有效地监管生产过程,减少违规操作行为。

1.3 数据云服务中心

云服务中心是在机房部署云服务器,同时机房本地服务器也可对数据进行本地存储[14]。在双5G通信系统的基础上,构建“云服务+本地”的分布式文件存储系统,能保证在一方数据丢失的情况下,可以快速及时地找回备份数据,从而使得数据得到安全可靠地存储。

2 三大平台建设

2.1 智能采矿管控平台

智能采矿管控平台主要包括三维数字采矿基础平台、生产计划管控系统及智能配矿系统。利用三维数字采矿基础平台可以建立准确的矿山资源模型、生产模型、实测模型等,为开采设计、计划与配矿提供安全生产指导[15]。

三维数字采矿基础平台是指矿山地质、工程与采矿生产的三维数据信息平台,是实现资源模型可视化、资源评价数字化、开采设计合理化、配矿精细化的基础和载体。

生产计划管控系统主要实现生产计划编制和审批功能,可以开展人机交互三维编制矿山日常采剥计划,模拟计划开采过程,从中长期角度实现计划内合理配矿,有利于提高资源利用率和计划可执行性,指导矿山安全生产[16]。计划编制完成后,在数字采矿软件中将其提交到生产执行系统中进行流程审批。

智能配矿系统是一套从穿孔取样、化验、配矿、统计及质量反馈全流程的闭环管理系统[17],基于开采现状和采剥计划数据,通过地质钻孔信息、炮孔岩粉化验数据、爆堆样品化验数据对地质品位进行精确补充,由地质统计学估算出的爆堆品位空间分布,按照设定的产量和品位约束条件,在爆堆之间进行优化计算出最优的矿石搭配方案,得到爆堆铲装位置、推进方向、出矿量、品位等配矿方案数据,为露天矿山生产优化调度提供科学依据和数据保障。

2.2 综合生产执行平台

综合生产执行平台通过集成门禁系统、地磅称重系统、智能调度系统、质检化验管理系统、手机APP,实现地磅与门禁无人值守、配矿计划智能调度、异常预警信息手机推送消息,为异常问题的判断、处置、反馈提供智能支持[18]。

将门禁和称重计量两个独立的系统进行融合,以接收指令、称重计量、出门或卸矿为一个闭合循环自动判别车辆合法性,并自动记录备查。称重系统自动判别来车身份信息,与配矿指令自动匹配,形成详细的称重信息,相关管理人员在后台能随时查看生产作业信息,实时指导生产。

智能调度系统是对矿山生产的车辆进行调度组织管理,实现自动优化调度、人工调度、自动调度与人工相结合调度等多种调度方式,如图1所示。

图1 智能调度系统工作流程Fig.1 Working flow of the intelligent scheduling system

2.3 三维可视化管控平台

三维可视化管控平台以矿山生产和安全监测数据及空间数据库为基础,以矿山资源与开采环境三维可视化和虚拟环境为平台,利用三维GIS、虚拟现实等技术手段,将露天矿山的矿床地质、爆堆、台阶、运输道路、破碎站、铲装运设备等开采环境对象,以及生产工艺过程、环境进行三维数字化建模,实现对矿山生产环境、生产状况、安全监测和设备状态的实时三维展示,形成三维可视一体化集成管控系统[19]。平台支撑企业生产调度和生产运营管控,可以实现车辆位置信息、视频监控图像、边坡监测数据等相关数据在调度大屏上实时显示和预警预报,便于生产管理人员能全面掌控整个矿区的生产作业情况,实现对矿山开采的全过程管控。

3 安全监测系统融合

安全监测系统融合智慧化矿山体系后,监测大数据的稳定、高效传输及保存,实现了操作的轻量化、业务的减量化、信息的智能化。该系统综合边坡雷达在线监测数据、爆破振动数据、雨量监测系统的大数据,在进一步融合双重预防信息化平台后,通过智能化、数字化平台中心24 h人员实时监控和集中显示,可有效确保企业安全生产风险异常预警信息被及时、全面获取,避免出现安全预警信息漏接或获取不及时,从而造成安全生产风险处置延误造成严重影响的情况。综合分析预警实现了露天矿山的安全管控目的。

(1)露天矿采场边坡在线监测系统。高陡边坡是南泥湖矿区的监测重点,采用适应性较强的边坡雷达在线监测系统,对矿山重点监测区域实施监测是确保矿山安全生产的基本措施之一。边坡变形监测雷达能够对大范围内的地面目标实现雷达成像,并精确测量(优于0.1 mm测量精度)被监测目标的位移和变化速度,可实现对被监测目标全天时、全天候、非接触、高精度地远程监测。边坡变形监测雷达能够达到15～20 min/次的监测频率,通过对数据量的有效控制,确保从监测结果中识别出相应的真实地形位置和位移变化参数。

(2)排土场边坡在线监测系统。南泥湖矿区排土场采用GNSS系统对边坡进行监测,通过卫星信号可自动监测边坡表面位移的三维数据,采集的定位差分数据上传至数据处理中心,实现边坡高精度的自动化监测;监测数据上传至安全预警平台,实现边坡自动健康诊断及安全预警。当位移监测数据与雨量监测数据超出预设阈值时,会提前进行预警提示,便于提前做好灾害防范,从而减少人员、财产损失,提升灾害防控能力。

(3)双重预防机制与智能化融合。双重预防信息化平台集成了对企业各类作业安全风险的全过程管理模块,是安全数据处理的“大脑”。其中包含的高大边坡风险辨识、管控过程管理等模块与边坡在线监测系统预警模块同时在智能化、数字化平台上集中显示,实现了企业在高大边坡等重大安全生产风险监控、预警及异常风险处置过程中的实时高效,并通过两组模块数据的直观对比,判别印证异常风险信息的准确性,为是否采取应急处置措施和实施最佳应急处置决策提供更加可靠的依据。通过双重预防信息化平台与智能化信息系统的无缝融合,不仅可以显著提高企业安全生产风险管控与隐患排查治理工作全过程管理的工作效率,还可以提升企业安全生产风险受控情况和隐患排查治理实施情况的监控、预警工作的可视化辨识程度,从而有力推动企业的本质安全化进程[20]。

(4)电子围栏与防碰撞预警功能。通过卡调车载终端与调度软件,在运行地图上设定一些关键区域,通过行车异常监控和车辆防碰撞预警功能指导车辆正确运行,保障车辆行驶安全。例如在运行区域地图上圈定一些电子围栏范围,设定不同区域的性质,如装载区、卸载区、停车区、维修区、加油区等,以确认设备的装卸准确性,并辅助设备状态判断与更改。当矿车进入不同区域等目标范围时给司机以提示,发生错误时报警提示,指导司机在正确的排卸范围排卸,防止乱排、乱卸、错排、错卸。

4 基于5G网络的远程挖掘机控制系统

挖掘机远程遥控系统基于无线网络通信技术、基站信号切换技术、视频处理技术和自动化控制等最新技术开发而成,可将操作人员完全从危险区域隔离出来,使人员可以在更安全的地表通过远程遥控平台操作系统。经过专业优化的高带宽、低延时5G/WLAN网络连接现场机车上的车载控制单元及安装在机车上的多路红外高清摄像头,操作人员可以实时观看现场视频,并可远程操控设备进行工作,不仅能节约人力资源,而且可显著提升矿山生产的安全性。

远程无线遥控系统主要包含远程遥控操作平台、车载控制单元、车载视频系统、通信传输系统等4个单元。其中,远程挖掘机控制平台主要是利用双5G网络高带宽、低延时的特性实现挖掘机远程操作控制,可为未来露天矿山少人化、无人化发展探索新模式,积累新经验。

5 系统工程应用

5.1 工程背景

南泥湖钼矿区位于河南省栾川县境内,矿区面积3.98 km2,主矿体东西长2 600 m,南北宽1 000～1 400 m,最大矿体厚度420.12 m。探明钼保有工业矿石量约7亿t,地质品位0.072%,钼金属量约50万t。有用组分除了辉钼矿外,还伴生有白钨矿,是以钼为主的钼、钨特大型矿床,是以生产钼矿为主的有色金属露天矿山企业。随着采场台阶逐年推进,采坑逐步深凹,采矿量逐年增大,存在自动化程度低、工作效率低、安全系数低、员工劳动强度大、信息“孤岛”严重等问题。

5.2 工程应用

为满足作业设备在下部作业台阶的信号传输需求,矿区覆盖采取两期工程覆盖结合露天矿区现场情况和5G网络覆盖特性,选取一期覆盖站点5个、二期覆盖站点2个,作业台阶下延100 m后实施二期工程覆盖,基站采取一体化基站和新型H杆建设方式,如图2所示。

图2 露天矿区5G网络覆盖情况Fig.2 5G network coverage in open-pit mining area

规划建成后,矿区实现单站覆盖半径300 m,与市区密集城区单站基本半径一致,实现4G与5G共同覆盖。其中,5G网络建成后下行带宽速率不低于100 Mbps,下行宽带峰值速率不低于1 000 Mbps,上行带宽速率不低于100 Mbps,上行宽带峰值速率不低于200 Mbps,时延小于20 ms。

矿区网络拓扑如图3所示。基于矿区网络构建的露天智能矿山建设体系如图4所示。

图3 矿区网络拓扑Fig.3 Network topology of the mining area

图4 南泥湖露天矿智能矿山建设体系Fig.4 Intelligence mine construction system of Nannihu Open-pit Mine

在智能配矿系统中考虑供矿品位涉及范围广、影响因素众多,且在矿山生产中各环节并不是孤立的,随着矿山整体智能化水平的提高与发展,将供矿品位中各环节的工作集成于一套系统中,通过综合取样、二维码扫描、化验数据实时传递及智能卡调系统车铲自动分配,可减少人为干扰、提高工作效率,达到矿石质量控制的目的。

5G网络建设为南泥湖钼矿露天采场作业的挖掘机、运输车辆、卡调等设备采用的5G CPE智能终端调度系统提供网络支持,实现移动终端高清图像回传,视频高保真、不卡帧,无人铲装挖掘机的现场视频及时回传至无人挖掘机操控屏幕、信息中心大屏进行显示,有效确保了现场设备作业画面被实时查看。低延时保证了操控指令下达到机器执行的实时性和准确性。

F5G的高带宽、低时延特性为地磅、门禁的无人值守系统提供了有效的网络保障,使得无人值守系统与卡调系统的数据交互更快捷高效,为过磅数据采集、派车单、过磅单、出入门禁的流程核验、指令推送与下达的便捷流畅等提供了基础条件。

通过对系统、业务进行全盘摸底,深入研究生产环节中各业务数据流转流程,从技术平台、管理平台、管控平台着手,对矿山数字化智能化建设中涉及的海量多源异质信息进行高效组织管理,通过F5G网络高效、稳定地传输到数据中心,由数据中心汇总、归纳、储存,实现各系统模块之间实时信息同步共享。

6 结 论

(1)矿山数字智能化开采,实现以矿产资源开发过程的数字化、信息化为基础,对资源、规划、设计、生产和管理进行数字化的建模、仿真、评估和优化,并持续应用于矿山生产全过程的新型矿山技术体系和生产组织方式,为矿山由人为决策向智能决策转型提供了路径。

(2)智能采矿管控平台和综合生产执行平台的构建,并综合利用系统工程理论及网络、自动控制和人工智能等技术,以开采环境数字化和采掘装备自动化为特质,在双5G通信网络的基础上,构建数字矿山向智能矿山转型的数据传输快速通道,可实现采矿设计、计划、生产配矿、调度和决策等过程的智能化。

(3)以物联网、3DGIS、VR技术为核心的三维可视化管控平台,通过通信、传感、控制与定位等方法构建智能虚拟矿山模型,通过接入矿山视频监控、排土场GPS边坡监测、雷达监测、环境监测等各类数据,结合大数据分析和处理方法,可实现矿山生产与安全的集中管控。