基于礦用5G技術(shù)的采煤機(jī)智能化技術(shù)*

周 展,桓 磊,蔣 峰,張浩涯,韓蓓蕾

(1.西安重工裝備制造集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710200;2.西安煤礦機(jī)械有限公司,陜西 西安 710200)

0 引言

煤礦智能化建設(shè)是煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。2020年2月,國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等8個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,明確了我國(guó)智能化建設(shè)的目標(biāo)任務(wù)。但當(dāng)前的行業(yè)共識(shí)是我國(guó)煤礦智能化還處于初級(jí)階段,整體智能化基礎(chǔ)比較薄弱[1-2]。其中井工煤礦綜采智能化又是煤礦智能化建設(shè)的核心,卻仍然面臨著泛在感知難、遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)性差、多類型數(shù)據(jù)傳輸不可靠等問題[3]。特別是綜采工作面采煤機(jī)智能化,在智能感知、智能控制、智能診斷、智能通信等方面受技術(shù)手段的制約,影響采煤機(jī)整機(jī)智能化等級(jí)的評(píng)定[4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等技術(shù)的大力發(fā)展和深度融合,為解決上述問題提供了更多契機(jī)。

1 礦用5G技術(shù)研究綜述

我國(guó)煤炭開采經(jīng)過40多年的發(fā)展,生產(chǎn)方式從人工、機(jī)械化、自動(dòng)化逐步發(fā)展至智能化,每一次開采方式的迭代進(jìn)步,都受到同時(shí)代通信技術(shù)的影響。2019年開始,5G就以其增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、超可靠低延時(shí)、海量機(jī)器通信三大技術(shù)特點(diǎn)迅速向煤礦領(lǐng)域滲透。針對(duì)“礦用5G+煤礦智能化”技術(shù),相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者紛紛展開深入研究。孫繼平等[5-6]針對(duì)煤礦井下電氣防爆、無線傳輸衰減大等特點(diǎn),分析了礦用5G技術(shù)適用范圍,提出了礦井寬帶無線通信的特殊要求。霍振龍等[7]結(jié)合5G通信特點(diǎn)和煤礦智能化發(fā)展需求,提出了5G通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用場(chǎng)景。趙國(guó)瑞、胡亞輝等[8-9]在分析煤炭智能開采初級(jí)階段的短板后全面分析5G技術(shù)在煤炭智能開采應(yīng)用中的關(guān)鍵問題,提出要注重技術(shù)生態(tài)建設(shè)這一理念,給出“統(tǒng)一規(guī)劃、安全經(jīng)濟(jì)、全面覆蓋、精細(xì)設(shè)計(jì)”煤礦5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則。范京道等[10]深入分析5G技術(shù)在智能化開采中的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)后,構(gòu)建了智能化開采核心技術(shù)與5G技術(shù)生態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣。張立亞、鄭小磊等[11-12]則從煤礦5G通信安全方面開展研究。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)諸多煤礦也開展了基于5G技術(shù)的煤礦智能化應(yīng)用,國(guó)家能源集團(tuán)上灣煤礦實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)井下應(yīng)用場(chǎng)景全覆蓋;山東能源集團(tuán)鮑店煤礦通過部署5G+智能掘進(jìn)成套裝備,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的智能掘進(jìn)常態(tài)化運(yùn)行;蒙發(fā)能源控股集團(tuán)窩兔溝煤礦采用“1+1+1+N”整體解決方案,實(shí)現(xiàn)“5G+云+平臺(tái)+應(yīng)用”的全面融合;中煤集團(tuán)大海則煤礦采用700 MHz+2.6 GHz頻段混合組網(wǎng)方式,實(shí)現(xiàn)井下全區(qū)域5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋;陜煤陜北張家峁礦業(yè)公司依托5G網(wǎng)絡(luò)、UWB精確定位構(gòu)建了智慧井下交通網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述,近年來“礦用5G+煤礦智能化”的技術(shù)無論是理論研究還是實(shí)踐應(yīng)用方面,均取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。但在煤礦智能化建設(shè)和發(fā)展過程中,仍然存在5G應(yīng)用場(chǎng)景和生態(tài)匱乏的痛點(diǎn)和突出問題[13]。

2 采煤機(jī)智能化技術(shù)短板

以艾柯夫、久益為代表的國(guó)外采煤機(jī)智能化技術(shù)可追溯至上個(gè)世紀(jì)90年代,國(guó)內(nèi)采煤機(jī)智能化技術(shù)起步較晚但發(fā)展迅速。經(jīng)過多年的發(fā)展,采煤機(jī)智能化技術(shù)取得顯著成就。但受制于井下綜采工作面復(fù)雜環(huán)境、高可靠性能要求、傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸等綜合原因,導(dǎo)致采煤機(jī)智能化仍然面臨以下技術(shù)短板。

2.1 全面感知能力較弱

實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)割煤過程中的全面感知,需要大量的傳感器設(shè)備,包括采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知、采煤機(jī)關(guān)鍵零部件性能感知、采煤機(jī)工作環(huán)境參數(shù)感知、采煤機(jī)音視頻感知等。而當(dāng)前采煤機(jī)全面感知能力一方面受制于傳感器可靠性能影響,另一方面大量實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)尤其是高清視頻數(shù)據(jù)傳輸對(duì)通信系統(tǒng)帶寬需求大。

2.2 遠(yuǎn)程控制時(shí)效性低

采煤機(jī)在工作面運(yùn)行割煤過程中,對(duì)行走、換向、搖臂升降等動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)性要求極高。但傳統(tǒng)采煤機(jī)遠(yuǎn)程通信僅能滿足控制指令從集控至采煤機(jī)通信延遲不大于200 ms,控制指令若從地面下發(fā)至井下工作面采煤機(jī)其時(shí)延更長(zhǎng),嚴(yán)重制約采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制的時(shí)效性。

2.3 通信系統(tǒng)可靠性差

對(duì)于采煤機(jī)有線通信方式而言,通信芯線隨電纜和采煤機(jī)在工作面往復(fù)運(yùn)動(dòng),容易發(fā)生斷芯而導(dǎo)致通信故障。對(duì)現(xiàn)有的4G、WiFi等無線通信技術(shù)而言,相對(duì)的低帶寬、高時(shí)延、丟包等固有技術(shù)限制,影響通信系統(tǒng)的可靠性。

3 采煤機(jī)5G通信系統(tǒng)研究

3.1 采煤機(jī)5G通信系統(tǒng)架構(gòu)

以單一采煤機(jī)通信系統(tǒng)為研究對(duì)象。采煤機(jī)數(shù)據(jù)上傳鏈路為：工作面采煤機(jī)→井下集控系統(tǒng)→礦井光纖環(huán)網(wǎng)→地面監(jiān)控中心,數(shù)據(jù)由地面監(jiān)控中心下發(fā)至工作面采煤機(jī)則與之相反。圖1為采煤機(jī)5G通信系統(tǒng)架構(gòu),系統(tǒng)主要由5G隔爆基站、5G CPE構(gòu)成。其中從工作面采煤機(jī)至巷道集控中心的數(shù)據(jù)傳輸可采用“5G+有線”的冗余方式,增加其通信可靠性;巷道集控中心至地面監(jiān)控中心利用礦井已建光纖環(huán)網(wǎng),可降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

3.2 采煤機(jī)5G CPE安裝方式

采煤機(jī)信號(hào),包括控制信號(hào)、傳感信號(hào)、視頻信號(hào)等,均可通過5G CPE接入5G網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CPE是一種物聯(lián)網(wǎng)無線通信基站,支持多種WAN連接方式,配置多個(gè)LAN接口,同時(shí)支持TCP/IP、UDP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。CPE配置2根外接饋線,以提升信號(hào)收發(fā)增益。CPE可安裝于采煤機(jī)機(jī)身外部或內(nèi)部,當(dāng)安裝于采煤機(jī)機(jī)身外部時(shí),需要有隔爆外殼。5G CPE與采煤機(jī)內(nèi)部電源及通信如圖2所示。

圖1 采煤機(jī)5G通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of shearer 5G communication system

3.3 綜采工作面5G基站布設(shè)方式

5G基站是煤礦井下的主要無線覆蓋設(shè)備,目前取得煤安認(rèn)證的礦用5G基站一般由RRU、配套電源、后備電池及配套天線組成,支持1.8/2.3/2.6 GHz或1.8/2.5/3.5 GHz多頻并發(fā)工作,可提供高帶寬5G NR無線接入。用于綜采工作面無線傳輸?shù)?G基站,其布設(shè)數(shù)量及間距與基站無線傳輸距離和傳輸帶寬等有關(guān)。對(duì)采煤機(jī)而言,其下行信道主要傳輸控制命令,所需下行帶寬小;上行信道則需要傳輸視頻、傳感器信號(hào)等,所需上行帶寬大且主要取決于視頻傳輸所需的帶寬[14]。傳統(tǒng)4K高清攝像機(jī)壓縮后所需傳輸帶寬B≥20 Mbit/s,以采煤機(jī)左右搖臂2臺(tái)攝像機(jī)視頻進(jìn)行傳輸,其上行傳輸最小帶寬需40 Mbit/s。在無線收發(fā)設(shè)備不變的條件下,無線傳輸距離越遠(yuǎn),傳輸帶寬越窄、時(shí)延越大、可靠性越低。因此,應(yīng)在規(guī)定的傳輸帶寬、時(shí)延和可靠性條件下,測(cè)試無線傳輸距離。同時(shí),為了便于使用和維護(hù),在綜采工作面兩端頭各布設(shè)一臺(tái)5G基站,工作面中部段,則根據(jù)基站無線傳輸距離測(cè)算后再進(jìn)行等距布設(shè)。

圖2 5G CPE與采煤機(jī)內(nèi)部電源及通信示意Fig.2 5G CPE and shearer’s internal power supply and communication

4 基于5G技術(shù)的采煤機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景拓展

4.1 煤機(jī)云端控制

隨著智能化技術(shù)的大力快速發(fā)展,煤礦井下機(jī)器代人操作將更為普遍,但受制于單一設(shè)備計(jì)算能力有限。云端控制將采集到的煤機(jī)狀態(tài)、環(huán)境感知信息通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給云端,再將計(jì)算結(jié)果即時(shí)返回煤機(jī)設(shè)備。如此可實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源部署云端,煤機(jī)設(shè)備僅作為純粹的執(zhí)行器,5G網(wǎng)絡(luò)起到“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”作用負(fù)責(zé)連接煤機(jī)設(shè)備與云端大腦,從而實(shí)現(xiàn)煤機(jī)的云端控制。

4.2 海量數(shù)據(jù)傳輸

采煤機(jī)井下開采作業(yè)伴隨著大量數(shù)據(jù)的生成。設(shè)備狀態(tài)感知傳感器采集采煤機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)的參數(shù)信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器采集采場(chǎng)周圍實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)信息、高清攝像頭負(fù)責(zé)采集采煤機(jī)運(yùn)行過程中工作面視頻和煤壁圖像,這些數(shù)據(jù)種類多、體量大、生成速度快。依靠5G技術(shù)的大容量、高帶寬、低延時(shí)特性,可滿足采煤機(jī)狀態(tài)感知、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻傳輸?shù)葦?shù)據(jù)的通信要求,進(jìn)而在遠(yuǎn)端通過對(duì)大數(shù)據(jù)的處理實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行的可視化模型展現(xiàn)。

4.3 故障遠(yuǎn)程診斷

基于5G大帶寬、低延時(shí)的特性,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),未來綜采工作面采煤機(jī)的非常規(guī)維修工作可以通過專家遠(yuǎn)程故障診斷的方式來完成。維修工人將現(xiàn)場(chǎng)采集的機(jī)器狀態(tài)等超高清音視頻信息通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端,煤機(jī)專家可在云端井下會(huì)診,遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修,以達(dá)到專家親臨現(xiàn)場(chǎng)的效果。

5 結(jié)語

受制于井下綜采工作面復(fù)雜環(huán)境、高可靠性能要求、傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸等因素導(dǎo)致采煤機(jī)智能化發(fā)展緩慢。5G技術(shù)具有增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、超高可靠性超低時(shí)延、通信大連接物聯(lián)網(wǎng)三大特性,可為采煤機(jī)智能化發(fā)展過程中存在的感知能力弱、時(shí)效性低、可靠性差等問題提供解決方案。此外,基于5G技術(shù)可擴(kuò)展采煤機(jī)系列應(yīng)用場(chǎng)景,為采煤機(jī)升級(jí)改造和智能化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。