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地下五百三十四米 全世界最深的5G网络在做什么

来源:科技日报2021-08-24 09:40

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  对于别的行业,5G技术是锦上添花,而对于采煤行业来说,5G技术是雪中送炭,只有它可以满足智能煤矿的大带宽、实时性和可靠性要求,把人解放出来,井下要减人直到无人,最难的问题留给了5G。

  随着缆车绳索的摩擦声从地面慢慢下降到矿井下100米、200米、300米……狭窄、闭塞、阴暗、潮湿……未知的黑暗逐渐让人心生恐惧。走下缆车,距离开采工作面还有一段距离。头顶的矿灯照在前一个矿工的背上,衣服上的反光条发出冷冷的刺眼白光。

  采煤业已有超过千年的历史。地上物换星移,可矿井下依然要面对极端艰苦、危险的工作环境。据相关部门公布的数据,2011年—2020年10年间,全国煤矿事故死亡人数达7733人。

  随着科技的进步,最初简单的人工挖矿已发展为机械化采矿。但数百米深的井下犹如微小的“地下城”,巷道交错、环境复杂,仪器设备既不能就地自动化,也无法远程控制,只能仰仗矿工现场操作。煤矿能不能实现智能化,走向少人化、无人化?5G正给这一切的改变带来希望。

  “最难的问题留给5G”

  任正非去山西挖煤。

  去年底这个热搜让部分人惊讶,部分人莞尔,但不影响总裁本人的坚定。离开煤矿的第二天,他转身出现在湖南的铁矿。

  对于这位低调的创始人来说,在“华为挺上矿山”这件事上,他表现出罕见的高调。和众多的通讯技术企业一样,他看中的是5G可能给煤矿带来的革命性变化,及其背后的巨大机会。“中国有5300多座煤矿、2700多座金属矿,如果能把这8000多座矿山做好,我们就有可能给全世界的矿山提供服务。”

  作为我国一次能源的主要部分,煤炭能源生产占比超过70%,每年开采量约为35亿吨,85%左右来自井下开采。

  “从上世纪70年代到现在,我国煤矿经历了机械化到自动化再到目前的智能化初期的发展过程。在此过程中,信息技术的作用功不可没。”中国煤炭科工集团常州研究院首席专家霍振龙说,信息技术在很大程度上减少了煤矿安全事故的发生,提高了煤矿工作的整体效率。

  但几百米下的矿井深处,人仍不免与危险狭路相逢。对中国矿业大学(北京)信息工程研究所所长孙继平来说,这种“危险”非常具象。作为国务院安全生产事故调查专家组组长,从2004年开始,他去过十几次煤矿事故现场,都是由于爆炸和火灾。108、105……最少30,他清楚记得那些事故的遇难人数。

  一方面,井下作业人数越多,同样事故情况下死亡人数就越多,另一方面,人是最不安全的因素,技术、心情、责任感的波动都可能带来违章,井下的人越多,发生事故的概率越高。

  要想少死人,井下要减人。道理不难,实现起来却是千难万难。

  要想把人撤出来,先要把人与人、人与机器、机器与机器之间连起来。这个过程涉及大量设备的接入、海量数据的传输、足够低时延的远程操控,对网络传输的质量和能力提出前所未有的严苛要求。

  传统有线传输的方式虽然信号稳定,但井下地形复杂,设备繁多,给布线造成很大的困难。况且设施时时移动,哪里有煤往哪走,线缆多次折叠易断裂,数据传输却禁不起中断。

  多年来,矿井下通常只有隔一两百米一处的固定电话,人一下井就失联,地面上天塌了也通知不到个人。孙继平举了个例子,电钳工下井维修A点的事故,就算50米外的B点需要他一并解决也无法通知,只能另派一人,时间人力大量浪费。

  退一万步,即使解决了布线难、信号抗干扰能力弱等问题,传输的延时也是矿山“无人化”过不去的坎。

  地下几百米处,采煤机碰到岩石,采煤机司机会调节割截滚筒高度,但远程操控场景下,因为信号传输延迟、地面指令无法第一时间传来,采煤机将继续“硬碰硬”,从而造成大型设备的磨损。

  “采煤行业不可能没有,也不可能永远这样。”中国矿业联合会会长彭齐鸣说,煤炭一直都是我国能源供应的主力,采煤行业难以替代,但是必须转型升级,用现代技术装备替代传统工作模式,用智能化实现无人值班、无人巡检、配置减员。

  用煤矿信息化老兵孙继平的话说,对于别的行业,5G技术是锦上添花,而对于采煤行业来说,5G技术是雪中送炭,只有它可以满足智能煤矿的大带宽、实时性和可靠性要求,把人解放出来,井下要减人直到无人,最难的问题留给了5G。

  第一座5G煤矿

  “我现在所在的是井下机电硐室,信号很好,设备运行一切正常。”

  山西省晋中市寿阳县。潞安化工新元公司综采队技术员郗书博正在井下534米的采煤面上与调度中心视频连线。小屏里,巡检机器人在他身边灵活地进行着360度音视频采集回传。

  这种如今每天可见的场景,在几年前是不可想象的。

  在阳煤集团、中国移动、华为公司的联手努力下,2019年6月18日,阳煤集团新元煤矿成为全国第一座5G煤矿。这里部署了147个5G基站,有全世界最深的5G网络。人在井下,可以随时随地打电话、通视频。实时信号在五百米纵深的岩石间以可以忽略不计的时延穿梭。

  2019年9月,新元煤矿井下5G网络开始研发。

  11月,井下打通第一个5G电话。

  潞安化工新元公司党群部部长乔鸿波说,如今井下设备出现故障后,视频电话甚至可以直接打到远在北京的设备商,请人“远程诊断”,很快修好复产。同样情况下,以前可能动辄停工几天。

  在5G网络的加持下,井下的水泵房、中央变电所、基电硐室等固定岗位的工作,也已经逐渐被摄像头、传感器等替代,数据实时回传,“蓝领”矿工变“白领”,在窗明几净的调度中心远程操控,肩头卸下危险。

  孙继平说,目前井下固定岗位的减人已经没有任何技术障碍,全国三百万煤矿工人,如果可以全部实现固定岗位的机械化、智能化替代,约有三分之一可以告别矿井。

  从有人岗到无人岗,新元煤矿的井下作业人数已经减少了三百多。

  井下交错的巷道中,掘进机、采煤机、皮带机、液压支架等大量机械设备兢兢业业地进行采掘、运输、生产辅助等作业,作业数据实时传输到调度中心,井下风吹草动,地上一看便知。

  人的反应时间是200毫秒,而5G网络下,井下画面传到地面的延迟只有20毫秒。在新元煤矿,“一头(掘进头)一面(采煤面)一硐室(机电硐室)”的每一台设备都可以做到“令行禁止”,地面的操作员下达指令后,井下设备闻令而动,远程实时操控成为现实。

  矿业与通信的“拉郎配”

  信息化如此有为,各方投注顺理成章。

  今年4月,华为成立“煤炭军团”。外界眼里,这个组织成军神速、神秘高级。按照任正非的公开解释,军团模式是把基础研究的科学家、技术专家、销售专家等全都汇聚在一个部门。煤炭是华为第一个采用军团模式的领域。

  把最强的通信技术与古老的煤矿“捆绑”,这一设想2016年起就在孙继平笔头打转。但以当时的技术条件,从Wi-Fi网络、有线网络到工业以太网,都无法满足远程监控对带宽、时延和可靠性的要求,想也白想。

  改变出现在2018年。孙继平随科技部和煤炭协会组织的高新技术进企业活动来到阳煤集团,二十几个专家坐一起,讨论煤矿行业的出路。

  减人是方向,也是共识。但要想把人留下的工作交给机器,实时通信是绕不过的问题。“人命关天,你不可能在地面上看井下几分钟以前的画面。”孙继平说。

  当时距离5G商用还有一年多,但高带宽、低时延、高可靠的5G网络,给远程操控带来希望。

  当着新元煤矿上属华阳集团董事长翟红的面,孙继平提出5G下井的建议。

  5G下井,首先要解决设备防爆问题,同时还要“螺蛳壳里做道场”,在保证功能的前提下尽量把基站做小。项目正式开始前,华为就组建了一个200多人的团队,成立了研发相关技术的5G阳煤突击队,井下的一切设备都要满足防爆要求,需要“量身打造”。

  为此,三方共同成立了新元“5G+智能矿山”创新实验室,成功研发出首款矿用5G基站,其中仅井下的PTN环网就相当于半个县城的5G网络容量。

  隔行如隔山,用中国科学院院士、中国矿业大学(北京)教授何满潮的话来说,煤矿智能化的第一步是“组合”,是采矿技术和信息技术的组合,也是两个领域研究人员的“拉郎配”。

  对此,新元公司5G+智能化矿井建设办公室主任冀杰感受真切:懂5G的不熟悉煤矿运行要求,懂煤矿的不了解5G技术。结果是一轮轮观点激烈交锋,一次次井下彻夜攻关,欣喜失望反反复复。大家在兴奋和疲惫中战斗。

  2020年12月7日,任正非来到这里。

  在新元煤矿总调度室,他细细看了5G技术应用展示、听了介绍,还换上工作服、戴上安全帽,花费一两小时到达井下。几米宽的巷道里,他手持矿灯,边走边看,31004综采工作面的掘进机、9号中央配电室里的传感器,5G看得见、摸得着。

  与山西省委书记楼阳生见面时,他提出华为愿意与山西联合建立一个“煤矿人工智能创新实验室”,通过ICT技术与煤炭开采技术的结合,帮助煤炭行业进行数字化、智能化转型,实现“安全、少人无人、高效”的生产模式,也让煤矿工人以后工作可以“穿西装打领带”。

  今年2月9日,意愿落地,任正非再次亲赴山西。华为与晋能控股集团有限公司、山西云时代技术有限公司等联合成立的“智能矿山创新实验室”在太原揭牌。

  从“样板间”到“商品房”

  成为“样板间”后,万千同行来到新元煤矿取经。

  这里的5G应用不是橱窗里的漂亮娃娃,而是工信部副部长刘烈宏口中实打实的“新工具箱”。

  “5G能解决的问题太多了,可以准确、清晰地获取井下安全生产数据和环境视频,实现井上井下高清音视频通话、各种数据快速传输、设备远程智能控制等。”有矿企负责人说,“这个时代,我们不能被落下。”

  煤炭大省纷纷行动起来。

  山西、河南、山东、内蒙古……截至目前,全国已建成400余个智能化采煤工作面。工信部表示,将持续推进采矿业“5G+工业互联网”创新突破,加快从“样板间”向“商品房”的复制推广。

  刘烈宏曾在采矿行业“5G+工业互联网”现场工作会上表示,新型基础设施的发展给了我们新的工具箱,如果说我们原来有一批工作箱的话,现在5G来了,实际上给了我们一把重磅的工具,就像关公不能没有大刀,张飞不能没有长矛,要赶紧把5G这个工具用起来,推进产业数字化、智能化的进程。

  孙继平谈了他的预期,随着5G应用的深入,采掘工作面无人或少人作业、煤矿井下车辆无人驾驶,大概又可以把约一半的矿工解放出来。剩余的最后约六分之一,如巷道巡检、瓦斯监测等辅助工,也希望可以随着矿山智能设备的研发投用、5G技术的研发落地,逐渐从井下回到地面。

  但人要往后撤,技术就得向前进。霍振龙一一列举,如开发符合煤矿本质安全要求的覆盖设备、低功耗模组等,他建议进行适当的政策引导,针对煤矿井下的特点,鼓励国内通信产品研究机构和厂商进一步开展对5G系统的研发改进,并重点对射频功率在煤矿安全方面的影响进行联合研究,确保在有限的安全功率范围内实现最大的无线覆盖范围。

  成本也是被不约而同谈及的问题。“目前成本还是偏高。”霍振龙说,“希望5G产品能针对煤矿的特点和需求改进设计,同时围绕煤矿智能化建设,挖掘更多应用。相信5G在煤矿的应用会越来越普遍。”

  过去,山西的煤矿正如路遥笔下孙少平工作的“大牙湾”,作业面乌漆麻黑,喧吼声隆隆不息,人在井下与世隔绝,重复不见天日的劳动,升井后浑身黢黑,只能看清眼睛和嘴巴,被喊作“煤黑子”。更可怕的是危险,“不要带血的煤,不要带血的GDP”,举国上下呼吁多年。

  如今在中国智能化程度靠前的煤矿,基本都是地上无煤尘,空中无煤粉,“采煤运煤不见煤”。“和我们合作的华为公司技术人员来自南方,他们都觉得我们矿山特别干净。”冀杰说,“现在还是比较艰苦,但不能再说高危。随着技术升级,煤矿的将来一定安全、高效、绿色、智能。”(崔 爽 刘 莉

[ 责编:蔡琳 ]
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