基于5G技术的煤矿智能化开采核心技术研究

张 驰，周鼎宇

（黄陵矿业一号煤矿 陕西 延安 727307）

0 引言

煤炭作为当今最经济的一种化石能源，也属于清洁高效利用能源。长期以来，煤炭都是我国的主要能源，在一次能源产量中的占比高达70%，超过60%的一次能源消费量都是煤炭[1]。在今后很长一段时间内煤炭在全球能源结构中仍占有较高的比重，依然属于我国的主体能源，很难被取代，这是由当今全球能源格局与我国经济社会发展需求所决定的。基于此，国家致力于通过科技力量尽量减小煤炭生产、使用环节所造成的环境负效应，确保煤炭开采、利用环节都符合绿色安全、清洁高效的标准。随着第四次工业革命的到来，大数据、互联网+、人工智能等新兴科技促使传统行业变革提速。“中国制造2025”战略的提出，就是为了实现生产、装备、制造的智能化。可见，打造智能煤矿，实现开采智能化符合国家战略，也是煤炭行业发展的必经之路。

1 智能煤矿的概念

智慧矿山的中心就是在矿山数字化信息的基础上，利用人工智能、大数据、通信技术、“互联网+”等技术让煤矿具备全方位的智能感知能力，可以自主研判与智能决策，确保煤矿中的“人、机、环、管”等在统一的综合体内高效自主运行[2]。无人矿山属于智慧矿山的最终目的。然而因为技术水平方面的制约，当前煤矿存在作业环境差、生产条件非常复杂且多变、大型设施不容易协调、影响因素多等问题，很多工作仍需依靠人的经验处理，如采煤机参数调节、安全巡检等工作。因此，当前与“智慧矿山”的标准还存在很大的差距。目前，可行性最强的办法是分阶段、分步将人员经验与智慧赋予各组高度智能化与自动化的机械设备，同时打造出人员、设备能够联通的高效网络，在确保智能化设备安全工作的基础上对其进行实时监控与调整。然后搜集汇总相关数据信息，实现对煤矿环境的全方位感知，通过人工智能、大数据、5G通信加以调控，实现煤矿生产、运输、销售、应急管理、安全保障、决策等整个过程的智能化管理[3]。

而基于5G技术而言，智能煤矿就是一个煤炭生产的有机综合体，可以实现时空一体、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策（见图1）。

图1 智能煤矿具有的六大特点

智能煤矿中包括的重要系统有采、掘、机、运、通、洗选、销售、质量、安保等系统，它们均具备自主感知、自主研判、智能辅助决策、执行能力。智能煤矿具有的六大特点概念如下：

（1）时空一体：利用GIS+BIM模式构建矿山时空一体数字化，充分整合宏观层面的GIS数据以及微观层面的BIM数据，从而给智能煤矿建设提供了一种崭新的管理模式，实现煤矿生产管理的智能化。该管理模式具有数字化、可量化、可视化等特点。

（2）万物互联：利用5G技术将人、机、环、管等要素的全部信息都连接起来（包括参数、姿态、状态、位置等信息），形成一个人与人之间、物与物之间、人与物之间有效感知的网络[4]。

（3）数据融合：采用感知网络拓扑关系对庞大的异构、动态、多维的不同数据信息进行融合分析，分别从地点、场所、时间、人员等不同层面进行分析。

（4）全息感知：通过人工智能实现对全部数据信息的强实时关联、融合，并对人员、环境、设备、管理信息实现主动全息感知，然后自动快速分析。

（5）业务联动：打造可迅速响应生产调度、实时指挥、紧急救援、ERP等生产管理系统一体化协同控制系统，从而让不同业务能够关联互动。这需要运用轻便、灵活、松耦合、微服务模式。

（6）智能决策：构建深度学习的知识库需要以人工智能与大数据技术为基础，确保煤矿安全生产管理的自我学习，涉及内容包括生产、运销、安全、后勤保障等，并能迅速分析与智能决策，而且某些环节还具有系统的自主运维功能。

2 智能化开采技术面临的问题

智能化无人综采技术是一种高质量煤炭开采技术，是基于智能化控制系统，并借助可视化远程监控技术，采用相应的工作流程与标准，将具备感知、挖掘、预测依据推理决策功能的各种综采设备集成在一起完成煤炭智能化开采。其中，综采设备中较为常见的有采煤机、液压支架、刮板输送机等等。不过因为地质环境、采煤技术、通信技术、控制技术、装备制造等条件方面的制约，在一定程度上阻碍了智能化无人综采技术的普及推广。

2.1 工作面自动找直技术

该技术手段受到制约的原因包括三点：第一，诸多检测信息存在精度低的问题，如采煤机的姿态与位置信息无法达到智能开采技术的标准。第二，加速计与陀螺仪存在的累积误差逐步增多，是由于惯导长时间工作造成的。第三，当前采煤机、液压支架、刮板输送机等设备的反应时间、通信延迟时间，设备间的联动协同性都存在不足，达不到综采智能化开采的标准[5]。

2.2 复杂条件下高清可视化技术

该技术手段受到制约的原因包括两点：第一，摄像头位置、水雾、光照度、煤尘等因素会影响到视频质量，无法对井下目标的实际状态与行为进行准确分析。比如，运动方向、方式、目标的复合或离散，因此无法及时捕捉异常行为，也不能及时预警。煤炭开采中仍主要依靠工作人员的经验与主观分析，缺少客观依据。第二，基于大数据计算与带宽的影响，多源图像不能完成融合关联，因而不能分析图像序列，也无法形成图像视频语义方面的文件。因此，尚不能采用沉浸式视频监控手段对整个空间进行监控，阻碍了视频驱动的智能化开采技术的构建。

2.3 高质量传感器的制造

综采工作面所处的工作环境极其复杂，这一点制约了这一技术的发展。因此，智能化开采需收集多种信息，如瓦斯、矿压、设备、通风等信息。这就需要配备很多传感器，但传感器精度低、放置不合理，加之通信技术的制约，导致传感器的精度不够，智能化程度也不高。然而当前智能化无人开采安全保障工作要求数据精度要高，现有的传感器技术显然达不到这一点要求。

2.4 煤炭开采多场动态信息融合的4D透明地质构建技术

该技术手段受到制约的原因包括两点：第一，因为探测技术与所用装备比较落后，目前，煤炭地质条件探测数据在可靠性、精确性、时效性方面仍存在不足。因此，当前的一个重点问题就是怎样利用数据融合，打造出符合实际地质条件的虚拟数字化3D透明地质。第二，伴随生产活动的开展，煤炭开采过程中多场数据均处于不断变化中。目前一个重点挑战就是怎样去打造一个4D透明地质构建技术，具有实时动态推演的功能。

总的来说，阻碍以上技术发展的关键性问题就集中于下列领域：设备控制的即时性、数据传输的带宽问题、多元数据融合智能分析等。伴随5G技术的大量应用，对攻克以上难题提供了一个重要的技术方式。因此，应加强对5G技术在煤矿智能化无人开采领域中的运用研究。

3 基于5G技术的智能化煤矿开采中的核心技术

3.1 关于4D-GIS透明地质构建及推演技术

构建透明地质首先需探测海量的数据信息，并采用高性能的智能算法进行分析。利用5G技术万物互联、大带宽等优势，并配合相应的人工智能算法能够实现对井下不同装备信息以及诸多探测数据的实时收集与传送。然后根据智能化煤矿空间数据的具体要求，制作出井下地质信息以及采掘信息的三维模型，并构建实时关联技术，从而把矿井的地理数据与采掘工程数据进行统一，这样就完成了4D-GIS透明地质的建设[6]。另外，可参照井下采掘活动与环境实时信息，保障采掘工作能按照既定方向推进，而且还能基于相关灾害数据完成关于矿井应急演练等工作的虚拟推演。

3.2 打造云计算联合边缘计算的管理控制模式

通常计算分析包括集中式与分布式两种。目前，云计算实际上是一种集中式计算，边缘计算则是一种分布式计算。它们均属于常见的大数据计算分析方式，不同于云计算，边缘计算中所涉及的应用场景，不用将数据传输至云端统一处理，只需在边缘侧就可以处理。就智能化开采而言，煤岩识别、不安全行为等AI模型训练中有一些计算分析任务可选择云计算加以处理，比如实时性要求较低、计算资源需求较大的计算分析任务；而关于传感器预警、设备管控等计算分析任务往往对计算资源要求不高，但对延迟处理敏感，因此可直接放在终端设备与网络边缘进行处理[7]。与传统的云平台集中处理相比，云计算联合边缘计算的管控模式更贴合智能化开采中工业自动化的特点，而且管理控制更加稳定可靠、高效实时。

3.3 工作面自动找直技术

要想让工作面具备自动找直功能，必须采集采煤机、刮板输入机、液压支架等设备的数据，并对其进行管控，使其符合“三直两平”的要求。利用5G技术可以设计出一种多传感器的精确定位方法，融入地磁导航、惯性导航、自组网定位、多传感器修正等技术，打造基于5G的井下异构融合一体化定位服务系统。另外，可配合4D-GIS透明地质技术让相关综采设备实现实时协同联动，确保采煤机位置误差在5 cm以下，300 m工作面区域内要求最大直线控制误差在0.2 m以下。

3.4 复杂条件下的视频高清化技术

综采工作面作为一个异常复杂的受限空间，在采煤作业中经常会有大量粉尘出现。比如，在采煤机滚筒割煤、冒顶片帮、刮板输送机装煤等环节都容易出现粉尘。一般会通过喷雾与注水等方式来预防粉尘。这使得综采工作面成为一个有强光、粉尘、雾的复杂故障环境，所采集的可见光影像图质量较低，不够清晰。为此，可利用穿透性强的毫米波雷达，红外+可见光等不同技术融合图像，以获得高清的井下影像视频。其中，毫米波雷达技术可以将煤层位置与厚度做出准确的判断，并且通过与红外成像技术的配合，就能获得更精准的开采工作面附近地质3D成像信息。另外，可对视频进行深度学习，充分剖析视频内容，对其进行语义理解，从而在视频驱动下完成智能化开采。

3.5 井下环境感知与安全管控系统的核心技术

利用5G万物互联的特性，创设井下安全生产环境感知平台，以破解当前环境感知精度低、系统间联系性不强、安全监测不能相互连通等难题。另外，还需研究智能通风、排水、降尘、防火、微震监测系统安全管控核心技术，科学划分出工作面重点范围的安全防控等级。如此，从不同层面、不同角度对井下瓦斯、顶板、粉尘、矿压、水火、供电安全等进行精准感知与有效管控，从而确保智能化开采的顺利进行[8]。

3.6 精准定位系统，为开采设备提供引导

为确保煤炭开采作业的顺利推进，需要精准定位开采设备的空间位置以及工作路径，并对这些信息进行测量。然而井下空间封闭有限非常复杂，电磁干扰非常严重，加之缺少卫星导航引导，很难对设备做出精准定位导航。利用5G技术实现定位的精准性，确保在开采作业的时候可以实时跟踪监控，并把井下全体人员、设备等信息第一时间准确传输至计算机系统内，管理员就能随时了解井下工作人员、设备的分布情况与动态，以便做出更合理的调度与管控。另外，设置报警提示功能，对人员进井时间做出设置，一旦超时系统会及时向下井人员给出警报。对部分重要的地下室与危险场所，如盲道，可安放电子围栏，便于对员工的出入权限予以管控。若有无授权的人员进入，系统会及时给出警报，从而确保井下作业的安全可靠。此系统能够在恶劣复杂的环境中工作24 h，有助于抢险救灾工作的开展。一旦有事故发生，可马上通过计算机查看事故现场情况，包括现场人员的位置分布、被困人数、遇险人员疏散路线等信息，从而为事故救援的开展提供有效的依据。

3.7 井下机器人群协同智慧与馈电管控平台

机器人开采模式属于智能化开采发展到的高级形式。展望未来的发展方向，人工开采作业将被特种作业机器人所取代，特别是机器人群协同开采模式更是今后的研究重点。目前，煤矿机器人在巡检、搜救等领域获得了一定的进步，但是在诸多层面仍面临着许多不足，集中在关键结构、可靠性、材料、复杂环境适应性、智能决策、防爆电源的长时可靠供电技术等方面（见图2）。美国与德国在复杂条件下的机器人作业研究比较成熟。我国新松、唐山开诚等也致力于机器人研究，取得了一些成果，但与国际水平相比仍存在不小的差距。但是井下机器人协同智能化控制这一领域的研究非常少，煤矿机器人定位导航与避障，信息融合与决策规划、自适应控制等数个核心技术也需要尽快攻克。另外，制约井下机器人发展与应用的一个因素就是供电的可靠性与续航能力。防爆要求与电池技术都迟迟没有进展。

图2 基于5G技术的煤矿智能开采示意图

4 结语

总而言之，打造智慧煤矿是煤炭行业发展的必然选择，可以推动煤炭产业的转型发展，也为工业技术革命提供了一些方向。在建设智慧煤矿的过程中必须重视智能化开采技术的研发，充分利用5G技术与其他高科技，实现煤矿开采的无人化与智能化，促进传统采煤业的改造升级。