?GSMA《中国5G垂直行业应用案例》
黎一冰攀钢矿业有限公司、企业管理部总经理数字化转型是攀钢尤其是矿业公司未来发展的必由之路，该项目是公司矿山数字化、智能化转型的重要内容。在该项目中，我们采用5G及边缘计算技术与矿山工程技术融合应用，通过5G提供高效、稳定、高上行、低时延的广域移动网络支撑，实现钻机、电铲的远程控制，矿用自卸车的自动驾驶及远程操控功能，从而实现穿孔采掘运输设备远程智能化应用。该项目的最终目的不是把工人替换掉，而是改变作业模式，让我们的工人在更舒适的工作环境中、在更好的岗位上，更有尊严的工作。
01案例综述
四川攀西地区是中国乃至世界矿产资源最富集的地区之一，是我国第二大铁矿区，蕴藏着上百亿吨的钒钛磁铁矿资源，综合利用价值极高。长期以来，攀钢集团矿业有限公司下属的采矿作业区存在作业环境差、条件异常艰苦等困难，矿上工人周末才能回一次城区，年轻人不愿意到矿区工作。
基于攀钢矿业现状，年3月攀枝花移动联合华为、创远高新、伯镭科技等生态伙伴，为矿区打造了一套量身定做的5G+智慧矿山解决方案。基于攀枝花铁矿露天矿场穿孔、采运管理现状，结合实际生产工艺流程，围绕本质安全、降本增效等核心建设目标，针对作业面钻机远程操控、电铲远程操控、矿卡无人驾驶三个核心场景，在5G及边缘计算技术支撑下，解决露天矿采面工作设备远程操控及无人驾驶中的高清视频大带宽上行、控制指令低时延高可靠等问题，实现钻机、电铲的远程控制，矿用自卸车的自动驾驶及远程操控功能，并做好矿山传输基础网络及边缘计算资源支撑，为矿山设备及数据互联互通打下基础。项目建设包括钻机、电铲、矿卡装备改造、5G网络建设、5G边缘数据中心及远程操控中心、远程操控及自动驾驶系统等方面建设内容。
02行业挑战
当前露天矿山采运工艺流程主要包括穿孔、爆破、铲装、运输等环节，其中穿孔依赖钻机进行中深孔打孔，爆破是在孔内填埋炸药并引爆，将矿岩破碎至一定程度，便于后续的铲装环节工作，铲装使用电铲进行矿料的装车，运输依赖矿用卡车在电铲完成装料后运往破碎站进行破碎后，通过皮带运输至料仓。采运作业主要依赖于工人驾驶钻机、电铲、矿卡等移动装备完成作业，由于作业环境较为恶劣（高温、粉尘等），采面人员劳动强度大，工作危险性高，采运作业招工困难，同时由于设备的使用依赖于工人的经验，设备的综合利用效率也比较低。针对这些情况，近些年，虽然通过社会化的方式解决了采面作业的部分运输工作，但一方面针对高价值的钻机、电铲等设备，仍旧需要有经验的工人在现场进行操作，另一方面，社会化方式只是暂时将问题进行了转移，未从根本上解决矿山采运工作的安全性、从业人员“老龄化”、“招工难”等问题，因此，矿山迫切需要新的解决方案。
针对矿山生产现场要求网络广域覆盖、并支撑移动装备应用、且场景恶劣、复杂、多变的情况，现有的有线、无线网络技术均难以满足业务要求，无线传输基础网络支撑成为瓶颈，通过5G技术在露天矿穿孔采掘运输设备远程智能化应用，解决露天矿采面工作设备远程操控及无人驾驶中的高清视频大带宽上行、控制指令低时延高可靠，既是5G技术应用的刚需，也是实现露天矿采面工作“少人化、无人化”的必然选择。
03解决方案和价值
露天矿采运远程智能化应用是一个复杂的系统工程，从架构层面，包含应用层，物理层、网络层、信息管理层。网络层、信息管理层作为复杂系统实现的基石，包括5G网络、5G边缘数据中心两部分内容，应用层主要指远程操控及自动驾驶系统、物理层包含装备改造、远程操控中心两部分内容。如下图。
G专网建设5G网络由5G端侧接入设备、5G无线网、5G承载网、5G核心网组成，方案需要基于业务低时延，大上行，高可靠和高安全等相关要求进行设计确定。5G端侧接入包括传感设备、摄像头、控制器、工控机等自动化控制部件，以及AR路由器、5GCPE等网络接入设备；5G无线网即5G基站及其无线覆盖小区，通过5G基站覆盖矿区，实现矿山移动设备实时连接。5G承载网采用FlexE物理隔离和VPN逻辑隔离的方式，实现业务安全，组网采用环形组网，实现高可靠性。5G核心网包含矿区MEC和运营商5GC大网，在矿区新建MEC，实现矿区业务低时延接入，MEC部署在5G边缘数据中心一体化机箱/机柜。5G网络提供项目所需的专网环境，提供5G网络规划设计及分析服务，提供基础的调测及网络维保服务，保障相关数据及控制指令的正常传输，为矿山设备及数据互联互通打下基础。
通过对矿山采面覆盖5G网络，新建边缘UPF下沉至矿山，连接攀钢UPF为备用，保障安全性。
G边缘数据中心建设5G边缘数据中心通过满足工业级标准建设一体化机房/机柜，集成5G网络及边缘计算基础软硬件资源，满足系统对生产数据的通信安全性和网络实时性诉求，支撑5G无人矿山智能化控制系统相关应用。
03牙轮钻机（YZ-35B）装备智能化改造YZ-35B牙轮钻机通过远程智能化改造后，按需配置实现精准测深定位、自动调平、自动找孔、自动换杆、全自动作业、自动卷缆等功能，减少人工现场操作定位不准确、钻孔耗时长、部件易损坏等问题。如行走过程自动收放缆、钻机全电控化并行控制及感知、钻机远程精确定位及本机姿态定位、实现钻机自动接卸杆操作、实现钻机自主钻进作业、实现孔口清灰作业等。
04电铲（WK-4B）智能化改造为实现电铲的远程操控，需要先对其进行线控改装，使得电铲能够接收电脑发送的控制信号，并将电铲产生的必要数据通过电脑传送至遥控舱。电铲整体改造方案包括电气化改造和智能化改造两部分。
05矿卡（TR-60）智能化改造矿卡支持人工驾驶、遥控驾驶与自动驾驶三种模式。人工驾驶的优先级最高，自动驾驶的优先级最低。自动驾驶过程中可通过远程遥控接管驾驶控制系统。为实现矿卡的遥控与自动驾驶，需要先对其进行线控改装，使得矿卡能够接收电脑发送的控制信号，并将矿卡产生的必要数据通过电脑传送至遥控舱。
矿卡改造分为线控改造和网络化智能化改造两部分。矿卡线控改装包括电源改装、灯光改装、油门改装、换挡改装、制动改造、转向改造和举升改装。矿卡网络化智能化改造包括矿卡作业监测、矿卡环境感知、智能算法支持、融合定位、避障检测和安全监控。
06远程操控及自动驾驶系统具体包括电铲远程控制系统、牙轮钻机远程控制系统和矿卡远程控制及自动驾驶系统。采集矿卡、电铲、牙轮钻机实时位置信息、状态信息和视频信息，提供控制、监控、预警、任务调度等功能。系统一方面基于中控系统实现牙轮钻机、矿卡、电铲设备的接入和监控，另一方面提供相关设备的远程遥控舱，实现对各类设备的远程实时操控作业。
中控系统提供高精地图、设备定位、安全监控、调度管控四个主要部分，各部分相互配合，形成稳定可靠的智能化采矿系统。同时，系统提供接口，可以和外部矿山MES、卡调系统等系统和软件对接，支撑相应的管理和调度功能。
高精地图子系统通过无人机的自动化飞行与图像采集，自动创建矿区的高精度二维正射影像地图或三维实景模型地图，供其他智能化终端定位导航使用。监控大屏基于二维高精地图或三维矿山实景模型，直观显示当前各设备的实时位置、工作状态等数据。
GNSS定位系统依靠GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略等定位导航卫星系统，结合RTK定位基站，为电铲、矿卡等移动设备提供高精度定位定向数据。
安全监控系统提供了车、铲、钻各类状态实时参数，并设置报警规则，一旦发生异常及时告警。
07远程操控中心远程操控中心配置远程驾驶舱。通过远程操控及自动驾驶系统接收所有设备的实时数据，进行信息存储、分析与可视化呈现，并提供人机交互界面，提供装备远程操控和自动采矿任务下发能力。在本项目中，远程操控中心设置于铁矿机关文化中心大楼一楼，距离作业面3KM左右。
牙轮钻机远程操控舱
牙轮钻机远程操作平台和钻机驾驶室操作平台一致，操作平台设置双屏幕：一个屏幕显示作业参数信息；另外一个屏幕为监控屏，画面包含车辆四周监控、钻架平台监控、钻杆库顶端监控。操作信息由远程操作平台通过基站发送至车载5G端并由车载工控机下发至车载ECU执行控制，作业参数信息由车载5G终端通过5G基站返回至集控中心。
电铲远程操控舱
遥控座椅按照电铲座椅仿制，其手柄、按钮等数据接入工控机。座椅底端配备六自由度平台，可根据电铲端IMU检测到的车身姿态与震动加速度进行倾转和震动，供遥控驾驶员直观感受车身当前姿态。
矿卡远程操控舱
座椅按照矿卡座椅仿制，其手柄、按钮等数据接入工控机。座椅底端配备六自由度平台，可根据矿卡端IMU检测到的车身姿态与震动加速度进行倾转和震动，供遥控驾驶员直观感受车身当前姿态。
04经验总结与后续计划
本项目建设涉及矿山工程技术与网络通讯、信息技术的融合应用，是一个复杂的系统工程，包括网络层、信息管理层、物理层、应用层等工作内容，复杂度高，涉及多学科、多领域、多厂商的整合集成，在矿山工程技术层面，需要有效的实现自身力量的有效组织，在需求、应用测试及持续维护等环节做好基础工作，把好关，在具体的系统建设层面，网络层应用5G网络技术，需要在网络通讯技术、5G技术应用领域走在前列的企业参与项目，在物理层的装备改造及远程操控及自动驾驶应用层面，需要选择合适的外协单位参与。同时，作为一个系统工程项目，选择较强的系统集成及管理能力的团队尤为重要，跨领域集成效果好不好，项目是否可以取得成功，核心合作伙伴的能力是关键。
围绕当前矿山建设“绿色、智慧、无人”发展趋势，在做好矿山传输基础网络及边缘计算资源支撑，为矿山设备及数据互联互通打下基础的情况下，在生产现场不断优化及完善相关场景应用。具体如下：
1.远程操控场景提供“一键操作”、“视频拼接”、“沉浸式体验”等能力，不断优化操作体验，提升作业效率。
2.通过提供“云主机”、“网络切片”等能力，边缘端不断构建及加强功能安全及网络安全建设，保障场景应用安全。
3.通过构建“云网关”、“数据管理平台”等能力，实现对应用数据的有效管理，实现应用数据的挖掘和应用。
4.围绕采面作业安全性保障，融合无人机、AR/VR等技术，提供无人机巡检、AR/VR远程运维等场景，进一步减少矿山采面作业人员。
5.围绕采面作业低碳化、绿色化趋势，推动风电、光伏在矿山的应用，并在此基础上实现能源的数字化管理。
6.实现当前应用场景与数字化采矿软件、三维可视化管控平台、卡车智能调度等系统的集成，完善矿山智慧化图谱，实现系统集成及融合应用。
同时，在当前1钻、1铲、2车的基础上，后续实现实现攀枝花铁矿3钻、3铲、6车生产应用推广，并在白马铁矿进行场景试点；年，实现攀枝花铁矿全矿覆盖（16台钻机、23台电铲、27台矿卡），并在白马铁矿开展生产应用推广；年，实现白马铁矿全矿覆盖；根据红格蓝矿设计推进情况，设计时融入相关场景实践标准。
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