基于5G的水泥行業(yè)數(shù)字礦山應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難點

趙慧杰，張學(xué)智，謝東

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209； 2.中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

5G具備更低的時延、更高的速率、更大的接入數(shù)量、更高的穩(wěn)定性，有望成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基石，解決工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通、設(shè)備上云的數(shù)字化轉(zhuǎn)型難題。2019年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》，指出到2022年，將突破一批面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特定需求的5G關(guān)鍵技術(shù)，加快垂直領(lǐng)域“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的先導(dǎo)應(yīng)用，內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造覆蓋10個重點行業(yè)。2021年1月13日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021－2023年）》，明確提出到2023年，進(jìn)一步完善新型基礎(chǔ)設(shè)施，在10個重點行業(yè)打造30個5G全連接工廠。

我國是水泥生產(chǎn)和消費大國，水泥產(chǎn)量占世界水泥總產(chǎn)量的60%左右。水泥行業(yè)作為我國建材工業(yè)的最大板塊、基礎(chǔ)建設(shè)的重要工業(yè)之一，面臨淘汰落后產(chǎn)能、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)企業(yè)聯(lián)合重組、化解產(chǎn)能過剩、加快兩化融合、實施智能制造戰(zhàn)略的發(fā)展需求，處于行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，需要應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對企業(yè)安全生產(chǎn)和精益管理等方面進(jìn)行整體提升。5G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合人工智能、無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，將加速水泥行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推動其高質(zhì)量發(fā)展。

水泥工廠為節(jié)約運輸成本，就近加工，通?？拷V山而建，涉及礦區(qū)開采、礦石研磨、生料加工、回轉(zhuǎn)燒結(jié)、熟料加工、成品儲運等環(huán)節(jié)，作業(yè)區(qū)域主要為礦山、廠區(qū)（工廠產(chǎn)線）兩大部分。其中，在空曠的礦區(qū)存在安全問題突出，作業(yè)環(huán)境惡劣、招工難、生產(chǎn)效率低下等問題。水泥行業(yè)石灰石開采屬于典型的露天礦模式。光纖接入困難，傳統(tǒng)4G蜂窩網(wǎng)帶寬不足且穩(wěn)定性安全性欠佳。5G作為新一代無線通信技術(shù)，是礦山網(wǎng)絡(luò)覆蓋的理想解決方案。本文分析了礦山5G應(yīng)用的主要場景及網(wǎng)絡(luò)訴求，結(jié)合水泥5G數(shù)字礦山實際部署經(jīng)驗，重點分析了目前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的難點，并提出了初步解決方案及建議。

2 5G智慧礦山業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求

5G水泥行業(yè)智慧礦山的業(yè)務(wù)場景主要有無人機(jī)礦山爆破警戒、無人機(jī)礦山3D建模、礦車無人駕駛等。

2.1 無人機(jī)礦山爆破警戒

水泥生產(chǎn)所需的礦石原料開采需預(yù)先對礦區(qū)進(jìn)行爆破，以使埋在地下的礦石暴露，因此礦區(qū)的爆破是礦石原料開采的一個重要環(huán)節(jié)。水泥原料石灰石礦山大多處于半開放狀態(tài)，覆蓋范圍幾千米，周圍難以完全封閉，時常有村民誤入。在礦坑爆破前，需要拉警戒線避免人員闖入被炸傷，傳統(tǒng)通過人工巡檢方式效率低下，且存在巡檢范圍死角，無法完全杜絕人員誤入，目前礦山仍普遍存在爆破引起人員死傷的情況。通過5G無人機(jī)航拍巡檢，結(jié)合AI圖像識別和人員定位，可實現(xiàn)智能爆破警戒，無人機(jī)加載4K超高清攝像機(jī)，通過5G大帶寬、低時延網(wǎng)絡(luò)，實時將現(xiàn)場視頻傳到邊緣計算服務(wù)器，在邊緣端部署AI算法實時檢測人、動物、礦車等異常情況并實時告警，同時可在無人機(jī)加載高音喊話裝置，用于驅(qū)散閑散人員。中國電信通過與客戶合作試點，實現(xiàn)將警戒覆蓋范圍從500 m擴(kuò)大到2 km，將原來2 h的人工檢查工作量降低至0.5 h，有效地提高了生產(chǎn)效率，減小了安全事故發(fā)生系數(shù)。

5G無人機(jī)AI爆破警戒的主要業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求見表1。

表1 5G無人機(jī)AI爆破警戒主要業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求

2.2 無人機(jī)礦山3D建模

礦山開采后需及時更新地形地表信息，傳統(tǒng)方式為通過軟件手工輸入采礦點、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，再由軟件自動生成數(shù)據(jù)，效率較低，準(zhǔn)確性差。通過無人機(jī)航拍礦山地表信息，通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳到地面接收裝置，進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給3D建模服務(wù)器（可部署在本地MEC或云服務(wù)器上），實現(xiàn)礦山三維建模，自動完成環(huán)境掃描和地圖刷新，進(jìn)一步通過行業(yè)軟件，進(jìn)行土方量測算及挖掘車運輸車的路線及排產(chǎn)規(guī)劃，該系統(tǒng)能有效提高水泥礦山開采生產(chǎn)效率和自動化智能化管理水平。由于基于目前業(yè)界的運算能力，礦山建模運算要一周的時間，在此基礎(chǔ)上還需要人工進(jìn)行調(diào)整，因而對于該場景實時性要求較低。

5G無人機(jī)礦山3D建模的主要業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求見表2。

表2 5G無人機(jī)礦山3D建模的主要業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求

2.3 礦車無人駕駛

礦山主要車輛類型有運輸車、挖掘機(jī)、加油車等。通過礦山質(zhì)量信息安排排班計劃系統(tǒng)結(jié)合礦卡調(diào)度系統(tǒng)給運輸?shù)V卡車輛下發(fā)駕駛指令，車輛根據(jù)指令要求的行駛路線自動駕駛到目的挖掘地點，并實現(xiàn)倒車入位、精準(zhǔn)?？?、自動傾斜等車輛控制行為。通過5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)車輛監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)，除采集車輛實時運行信息、設(shè)備油耗數(shù)據(jù)、車輛位置信息等基本運行數(shù)據(jù)外，還可通過多路超高清攝機(jī)用于對車內(nèi)駕駛員視野和車外路況的監(jiān)控。單車需要5～7路高清攝像機(jī)。4～6路車身攝像機(jī)和1路車內(nèi)攝像機(jī)，可增加視覺輔助能力，對遠(yuǎn)距離和多目標(biāo)進(jìn)行實時自動識別。由于石灰石礦山存在大量山坡地形，運載路線通常沿山坡從山上向山下運行，礦車載重約105kg，慣性極大，當(dāng)?shù)V車行駛出現(xiàn)異常情況，需要遠(yuǎn)程干預(yù)，接管車輛控制駕駛權(quán)限時，因而需要較大的提前量判斷，單向網(wǎng)絡(luò)時延要求較高。以礦車行駛速度為30 km/h測算，1 m制動距離僅有120 ms反應(yīng)時間，其中扣除機(jī)械傳導(dǎo)大約50 ms，軟件運行10 ms，視頻處理30 ms，網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時延僅剩30 ms。

礦車無人駕駛主要業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求見表3。

表3 礦車無人駕駛主要業(yè)務(wù)場景及網(wǎng)絡(luò)需求

3 5G網(wǎng)絡(luò)礦山覆蓋案例分析

水泥石灰石礦山多為地上露天礦，按照地形條件分類又存在山坡露天礦和凹陷露天礦兩種。礦山地形復(fù)雜且供電困難，光纖布放受限，礦坑低于地平面，道路、作業(yè)易被山體遮擋，網(wǎng)絡(luò)覆蓋差，存在站址選擇難、覆蓋存盲區(qū)、礦山三維建模困難的問題與挑戰(zhàn)。本文選取某客戶礦區(qū)開展了5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋試點驗證。

3.1 礦山5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

礦區(qū)采用3.5 GHz 64T64R室外站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，根據(jù)地形條件，確定了位于礦區(qū)周邊3個高點的基站部署位置，基站對礦區(qū)內(nèi)部進(jìn)行宏基站覆蓋。

3.2 網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

采用路測（drive test，DT）方法，對5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試。通過測試獲得的礦山平均小區(qū)參考信號接收強(qiáng)度（reference signal received power，RSRP）為?87.90 dBm，平均覆蓋率為99.87%，達(dá)到了UL 25 Mbit/s、DL 300 Mbit/s、邊緣覆蓋98 dBm的建網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)行對比，表4列出了礦山和廠區(qū)的路測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出，礦山5G信號強(qiáng)度和覆蓋率等性能指標(biāo)都與廠區(qū)覆蓋的效果存在一定差距。

表4 礦區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋路測數(shù)據(jù)

3.3 覆蓋方案仿真與分析

對5G網(wǎng)絡(luò)的RSRP和PDCP下行吞葉量（PDCP throughput downlink，PDCP Thr.D）等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行熱力圖仿真，進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。

在礦山的南面部署了5G基站1、5G基站2，在礦山北面部署了5G基站3，3個基站約呈等腰銳三角形分布。在礦區(qū)范圍內(nèi)，北面的基站3下方大約200 m處出現(xiàn)了夾雜區(qū)域（圓圈標(biāo)識位置），信號覆蓋較差。5G數(shù)字礦山網(wǎng)絡(luò)覆蓋熱力圖如圖1所示。

圖1 5G數(shù)字礦山網(wǎng)絡(luò)覆蓋熱力圖

結(jié)合現(xiàn)場地形勘察，基站采用抱桿建設(shè)。抱桿架設(shè)高度為4～5 m，山體較采掘平面高度為25 m左右?；?部署所處的山坡垂直角度為70°～80°，由于石灰石礦山由于沿山坡開采，平面呈階梯多層級分布（如圖2所示），就基站3單點情況的平面分析如圖3所示，其中陰影部分即非視距通信區(qū)域，對應(yīng)信號較差區(qū)域。綜合以上所有分析，可以判斷圖1中圓圈標(biāo)識區(qū)域信號覆蓋較差的原因為近處的低洼區(qū)域受到山體遮擋。站點高度及天線下傾角受限、山石遮擋環(huán)境形成了穿透損耗場景以及多徑干擾等原因，造成了部分區(qū)域覆蓋率不足以及信號強(qiáng)度弱的問題。

圖2 石灰石山坡露天礦山開采地貌

圖3 信號受山體遮擋平面分析

4 5G 數(shù)字化礦山建設(shè)難點

通過項目實踐及分析，5G水泥行業(yè)礦山存在較多難點。

（1）網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)施建設(shè)難度大，費用高

礦山地處郊區(qū)，沒有直接可用的電源和光纖，且礦山內(nèi)部由于爆破地形隨時變化，無法鋪設(shè)管線，需要從山的背面引入電纜和光纖。為了盡可能高地架設(shè)基站，采用4～5 m高的雙抱桿形式，為后續(xù)架設(shè)4G基站預(yù)留點位，單站配套建設(shè)成本在60萬～70萬元，耗費人力物力巨大，且后續(xù)維護(hù)存在較大困難。

（2）室外網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃無成型工具，主要依靠經(jīng)驗

目前暫無結(jié)合礦山地形及3D經(jīng)緯度、海拔數(shù)據(jù)的礦山5G網(wǎng)絡(luò)仿真成熟產(chǎn)品。實際項目主要根據(jù)現(xiàn)場條件、專家經(jīng)驗靜態(tài)配置選址，實際部署網(wǎng)絡(luò)后通過路測獲得網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)問題后通過波束成形等方式對天線覆蓋范圍進(jìn)行調(diào)優(yōu)，部分區(qū)域甚至需要建站補(bǔ)點，建網(wǎng)效率和智能化有待提高。5G相比傳統(tǒng)3G/4G而言，網(wǎng)絡(luò)將更加復(fù)雜和立體。與低頻無線傳播特性相比，高頻對無線傳播路徑上的建筑物材質(zhì)、植被、雨衰/氧衰等更敏感，LOS和NLOS場景下，高頻相比低頻，鏈路損耗將分別增加16～24 dB和10～18 dB。同時隨著大規(guī)模 MIMO天線、復(fù)雜天線成形技術(shù)的出現(xiàn)，多徑建模的重要性凸顯，缺乏多徑小尺度信息，將很難保證網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃準(zhǔn)確性。因此，基于高精度礦山三維坐標(biāo)地圖和具備多徑建模的射線追蹤傳播模型在5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中具有不可替代的作用和地位。

（3）礦山不斷被開采引起網(wǎng)絡(luò)覆蓋動態(tài)變化

由于礦山被不斷開采，礦山地形逐年變化。一座典型的石灰石礦山采掘壽命在30～50年不等。隨著爆破和不斷開采，采掘面逐年降低，形成坑狀地形。目前采用的抱桿掛載AAU的方式，方向角較為固定，由于3.5 GHz 64T64R AAU重量可到40 kg，部署面傾斜角度受限，一般為15°～20°，因此對部署高度和范圍要求較高。由于2B 5G客戶專網(wǎng)通常由某家運營商負(fù)責(zé)，并不涉及三家共享，鐵塔公司不會介入建塔，因而站點的部署高度條件有限，在某種程度上也對覆蓋造成影響。對于網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不高的場景，采用RRU+電調(diào)天線的方法解決部署角度變化問題。天線大約15 kg，可以90°垂直部署，能夠解決未來地面下沉后，網(wǎng)絡(luò)覆蓋變化的問題。在保障其可靠性與時延的同時，降低單站成本（從設(shè)備和配套均能降低）。

5 結(jié)束語

5G水泥行業(yè)數(shù)字礦山網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需結(jié)合實際2B客戶業(yè)務(wù)需求規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，完善室外網(wǎng)絡(luò)仿真工具，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)智能化水平，進(jìn)而提升建網(wǎng)效率、降低成本。根據(jù)客戶實際業(yè)務(wù)需求，可通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能化手段，進(jìn)行3D MIMO天線參數(shù)配置在不同場景下的快速靈活配置，以便適應(yīng)未來礦山地表形態(tài)的變化，從而完成客戶業(yè)務(wù)的最小成本建網(wǎng)，更好地實現(xiàn)項目的商業(yè)邏輯自洽和未來的建網(wǎng)復(fù)制。同時，在政策上，鐵塔公司成立后，運營商無法自建鐵塔的規(guī)定在5G 2B場景上是否繼續(xù)適用還有待進(jìn)一步探討和商榷。抱桿承重和高度有限，這給網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來了一定后續(xù)影響。2B網(wǎng)絡(luò)主要用于企業(yè)生產(chǎn)，通常由某一運營商承建，企業(yè)單獨所有，基本不存在多運營商共享的問題，建議政策上可以進(jìn)一步松綁，以釋放5G專網(wǎng)建設(shè)的自由度，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。