施升濤

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司 三山島金礦， 山東 萊州 261400)

0 項目背景

全球礦業(yè)向著安全、綠色、高效、智能、智慧方向快速發(fā)展，對礦業(yè)裝備的要求也越來越高，三山島金礦逐漸從機械化換人、自動化減人向著智能化無人方向快速邁進，目前已實現(xiàn)選礦自動化、電機車無人駕駛、提升系統(tǒng)集中控制、配電室及水泵房無人值守、固定破碎機地表遠程遙控等，整個礦石流中，采礦環(huán)節(jié)仍處于傳統(tǒng)的現(xiàn)場鑿巖模式。

當前開采深度接近千米以深，作業(yè)區(qū)域集中在-735 m至-960 m，已探明資源多賦存于千米以下。隨著開采深度的延伸，面臨高地溫、高地應力、高巖溶水壓、強烈的開采擾動等復雜作業(yè)環(huán)境，嚴重制約礦山生產(chǎn)作業(yè)效率，增加鑿巖臺車作業(yè)人員的安全隱患。

1 系統(tǒng)方案及具體內(nèi)容

1.1 5G核心網(wǎng)建設

礦山中心機房安裝5G核心設備BBU5900；地表控制室安裝5G室分設備和5G CPE，實現(xiàn)滴灌式覆蓋，該覆蓋系統(tǒng)由BBU、RHUB、pRRU組成，使5G信號覆蓋整個控制室；5G CPE接收5G信號，通過工業(yè)路由器連接電動鑿巖臺車遠程操控臺；井下采場搭建5G基站(如圖1所示)，包含RRU、AAU和OPM，實現(xiàn)5G信號全向覆蓋采場；地表遠程操控臺和電動鑿巖臺車均安裝5G CPE設備和工業(yè)路由器，用于上傳和下達5G信號，工業(yè)路由器分別與電動鑿巖臺車遠程控制單元和地表遠程操控臺的控制單元連接；礦山中心機房至井下工作采場敷設光纖，實現(xiàn)地表5G核心設備與采場5G基站設備的連接。5G核心網(wǎng)架構如圖2所示。

圖1 5G基站采場安裝圖

圖2 5G核心網(wǎng)架構圖

1.2 DD311電動鑿巖臺車遠程遙控系統(tǒng)建設

1.2.1 系統(tǒng)簡介

DD311電動鑿巖臺車遠程遙控系統(tǒng)(如圖3所示)基于無線通訊、視頻傳輸、自動化控制等最新技術，大臂多路閥和鑿巖、快退液控系統(tǒng)改裝升級為電液驅動，操作人員在集控室，通過專業(yè)的遙控操作平臺，利用5G專網(wǎng)連接現(xiàn)場設備上的車載控制系統(tǒng)及云臺高清變焦攝像頭，監(jiān)視臺車并進行遠程無線鑿巖作業(yè)。集控室的遠程遙控操作平臺通過5G專網(wǎng)與電動鑿巖臺車上的車載控制系統(tǒng)相互通信。

圖3 DD311鑿巖臺車遠程遙控系統(tǒng)示意圖

工作區(qū)域，電動鑿巖臺車通過車載CPE將視頻、車輛狀態(tài)信息發(fā)射出去，經(jīng)5G基站接收傳輸?shù)降乇砑厥?；同理，集控室的控制信號由光纖傳輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)域的5G基站，并經(jīng)車載無線CPE接收送達車載控制系統(tǒng)[2]。操作人員通過集控室遠程遙控操作平臺的顯示器和操控面板(如圖4所示)操控設備作業(yè)，電動鑿巖臺車前端裝有云臺變焦攝像頭(如圖5所示)，將現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境實時反饋給集控室操作人員，輔助遠程鑿巖作業(yè)。

圖4 遠程遙控操作平臺顯示器和操控面板

圖5 云臺變焦攝像頭

1.2.2 系統(tǒng)組成

DD311電動鑿巖臺車遠程遙控系統(tǒng)主要包含六部分：遠程遙控操作平臺、車載控制系統(tǒng)、車載監(jiān)測系統(tǒng)、實時視頻系統(tǒng)、遠程液壓系統(tǒng)和遠程電控系統(tǒng)。

(1)遠程遙控操作平臺

包括操作平臺、嵌入式核心控制器、數(shù)據(jù)匯聚器、曲面液晶顯示屏、視頻處理顯示軟件、狀態(tài)信息處理顯示軟件等。通過通訊模塊將操作信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中[3]，同時對車載控制系統(tǒng)發(fā)送到網(wǎng)絡中的車輛狀態(tài)信息進行接收和處理。遠程遙控操作平臺如圖6所示。

圖6 遠程遙控操作平臺

(2)車載控制系統(tǒng)

包括車載接收單元、車載狀態(tài)參數(shù)采集處理軟件、電源模塊、車輛監(jiān)測單元、車載數(shù)據(jù)匯聚器、車載接口控制單元組成[4]。車載控制系統(tǒng)的控制箱安裝在DD311電動鑿巖臺車后車體上方，通過接收遠程遙控操作平臺的控制信號實現(xiàn)對DD311電動鑿巖臺車動作的控制。

(3)車輛監(jiān)控系統(tǒng)

實時監(jiān)測與控制臺車工作，監(jiān)測系統(tǒng)的推進壓力、旋轉壓力、沖擊壓力、水壓、風壓、鑿巖機小時數(shù)、空壓機小時數(shù)、推進梁延伸壓力(輔助確認推進梁是否到位)及各種狀態(tài)指示。

(4)實時視頻系統(tǒng)

包括云臺變焦攝像頭、高性能無線網(wǎng)橋及視頻處理顯示軟件等。在DD311電動鑿巖臺車頂棚前方安裝兩個高清云臺變焦攝像頭，將視頻數(shù)據(jù)實時傳到遠程遙控操作平臺，通過視頻處理顯示軟件處理后，上傳到顯示屏上進行顯示。

(5)遠程液壓系統(tǒng)

將DD311電動鑿巖臺車大臂液控多路閥更換為電液控多路閥(如圖7所示)，增加閥組電控功能，并保留閥組手控功能；在DD311電動鑿巖臺車沖擊、推進、旋轉及快退液控系統(tǒng)中[5]并裝一套電液控系統(tǒng)，加裝電磁閥(如圖8所示)實現(xiàn)手動和遙控雙操作。

圖7 電液控多路閥

圖8 遙控電磁閥

(6)遠程電控系統(tǒng)

包括車載控制箱接線，DD311電動鑿巖臺車MP主控箱接線，BOX81分線盒接線和DD311電動鑿巖臺車操控臺接線。遠程電控系統(tǒng)接線如圖9所示。

圖9 遠程電控系統(tǒng)接線圖

2 系統(tǒng)技術要點

(1)搭建的5G專網(wǎng)能降低空口時延、網(wǎng)絡轉發(fā)時延、重傳概率和丟包概率，引入支持免調(diào)度的新型多址接入和D2D等技術以減少信令和數(shù)據(jù)中轉，并運用更先進的調(diào)制編碼和HARQ重傳機制，提升DD311電動鑿巖臺車遠程遙控系統(tǒng)的傳輸可靠性；網(wǎng)絡架構方面，控制云通過優(yōu)化傳輸路徑，控制業(yè)務數(shù)據(jù)靠近轉發(fā)云和接入云邊緣，有效降低網(wǎng)絡側傳輸時延。

(2)5G CPE做DMZ映射給工業(yè)路由器，兩個工業(yè)路由器間做GRE隧道，實現(xiàn)兩端多個設備在一個虛擬二層網(wǎng)絡互訪。

(3)遠程操作和就地操作兩種模式無擾切換，操作人員既可在危險區(qū)域進行遠程鑿巖作業(yè)，又可在安全區(qū)域進行就地鑿巖作業(yè)。

(4)遠程遙控系統(tǒng)采用開放式架構、標準化接口和協(xié)議，具有良好的可擴展性和可開發(fā)性，后期可進行功能擴展和軟件升級；配置了開關量和比例量控制信號，通過核心控制器增強安全性和可操作性；系統(tǒng)基于加拿大BTI無線遙控系統(tǒng)安全控制策略和理念進行設計。

(5)遠程遙控操作平臺和車載控制系統(tǒng)有故障記錄和自我診斷功能，方便維護和修理。

(6)控制程序模塊化設計，模塊間相互獨立，獨自完成各自功能。

3 應用情況

投用后，電動鑿巖臺車既可井下本地鑿巖作業(yè)，還可地表遠程鑿巖作業(yè)，本地和遠程之間無擾切換。遠程操控臺的操作界面與臺車本體操作界面相同，便于操作。同時，臺車各種儀表指示燈和傳感數(shù)據(jù)在地表遠程操控臺上實時顯示，操作人員隨時掌握臺車的工作狀態(tài)，并根據(jù)指示燈和傳感數(shù)據(jù)做出判斷，操控設備作業(yè)。操作人員從之前井下現(xiàn)場作業(yè)到現(xiàn)在地表遠程作業(yè)，工作環(huán)境發(fā)生翻天覆地的變化，如今在地表控制室冬暖夏涼，呼吸新鮮空氣，職業(yè)病概率降為零，工作熱情高漲，作業(yè)效率大幅度提高，最關鍵是將作業(yè)人員從井下惡劣環(huán)境中解放出來，實現(xiàn)人員的本質安全，達到機械化換人、自動化減人的目的。

4 經(jīng)濟效益

(1)改造的DD311電動鑿巖臺車運行5年多，工作一萬多小時，臺車改造費+凈值合計220萬，在此基礎上升級為全電腦自動鉆孔的電動鑿巖臺車，升級改造費150萬，單臺進口全電腦自動鉆孔的電動鑿巖臺車價格680萬，實現(xiàn)全電腦自動鉆孔的電動鑿巖臺車可節(jié)省費用=680-(220+150)=310萬。

(2)傳統(tǒng)鑿巖作業(yè)方式伴有巖爆、塌方及落石等危險，5G+專網(wǎng)的方案實現(xiàn)遠程鑿巖后，單個操作人員可遠程操作1～3臺電動鑿巖臺車遠程作業(yè)，大幅度提高工作效率，減少了作業(yè)人員的數(shù)量和傷亡的概率，同時提高了作業(yè)人員的工作舒適度，避免井下濕熱、煙塵環(huán)境帶來的職業(yè)病患病風險。

(3)傳統(tǒng)鑿巖方式下，操作人員上班、下班的空擋時間+爆破后煙塵消散時間，合計浪費3～4 h/d，地表遠程鑿巖作業(yè)后，不再受上述時間影響。

(4)我國工程技術人員自主創(chuàng)新，實現(xiàn)電動鑿巖臺車鑿巖作業(yè)方式的本質改變，打破國外鑿巖技術的市場壟斷，隨著我國鑿巖技術的快速發(fā)展，會逐漸拉低鑿巖臺車市場的整體行情。

(5)隨著技術的進步發(fā)展，礦山企業(yè)對降低人力成本和提高生產(chǎn)效率的需求會逐步加碼，對具備自動鉆孔功能的臺車需求量會相繼增加，預計未來10年，全電腦的電動鑿巖臺車會在國內(nèi)普及，解決生產(chǎn)效率低下、安全風險高及人力成本高等方面的問題。項目產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益有限，產(chǎn)生的社會效益、對未來臺車行業(yè)的發(fā)展促進及國外鑿巖市場的沖擊是巨大的。