5G作為數字化轉型的核心技術之一,無疑是“煤礦軍團”進軍煤炭行業(yè)中的重要武器。

　　春節(jié)前的2月9日,山西省政府、華為、晉能控股等單位聯(lián)合成立“智能礦山創(chuàng)新實驗室”。在今年1月,華為成立了“煤礦軍團”后,將產業(yè)基礎研究、產品研究、市場交付組合在一起,縮短產業(yè)鏈條,快速適應需求,通過技術創(chuàng)新,推動煤炭行業(yè)數字化轉型。

　　5G作為數字化轉型的核心技術之一,無疑是“煤礦軍團”進軍煤炭行業(yè)中的重要武器。煤炭行業(yè)已有數千年歷史,如今也在不斷推進技術創(chuàng)新,在各類ICT技術加持下,這一古老行業(yè)正在發(fā)生漸進式的變化。

　　雖然能源結構在優(yōu)化,但煤炭依然事關國計民生

　　能源關系國計民生、關系經濟社會可持續(xù)發(fā)展和國家安全,能源瓶頸直接會影響一國經濟增長和人民基本生活。目前,中國已成為全球最大的能源生產和能源消費國,能源生產和消費機構在持續(xù)優(yōu)化,建設多元清潔的能源供應體系已成為共識。不過,我國是一個“富煤、缺油、少氣”的國家,煤炭對國計民生影響非常大。

　　根據國家統(tǒng)計局發(fā)布的數據,2019年中國一次能源生產總量達39．7億噸標準煤,其中煤炭仍是保障能源供應的基礎能源,占一次能源生產的比重高達68．6%。從以下數據可以看出,近年來我國非化石能源的產量逐年增長,但煤炭生產依然占據能源總量60%以上。

中國能源生產情況(來源:國家統(tǒng)計局)

　　從消費測來看,2019年中國能源消費總量為48．7億噸標準煤,而其中煤炭消費占能源消費總量比重為57．7%,相比2012年降低了10．8個百分點。近年來,我國在降低煤炭使用量,減少碳排放方面成果顯著,2018年,我國煤炭消費比重首次降至60%以下。

中國能源消費情況(來源:國家統(tǒng)計局)

　　可以看出,雖然中國能源的生產和消費結構不斷優(yōu)化,但不論從哪個角度來看,煤炭依然在能源市場中占據絕對高的份額,因此煤炭的生產對于整個能源市場具有舉足輕重的作用。

　　自然資源部發(fā)布的《中國礦產資源報告2020》顯示,中國探明的煤炭儲量為1．7萬億噸,且每年還有新增探明儲量。若以每年消費50億噸計算,現有煤炭儲量可使用超過300年。

　　在2020年12月18日閉幕的中央經濟工作會議上,“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年的重點任務之一。在這一背景下,未來煤炭在我國能源體系中所占的比重還將繼續(xù)降低。不過,在未來一段時期內,我國的能源需求總量仍會增加,可再生能源產能無法滿足14億人和數千萬企業(yè)的用能需求,煤炭、石油等化石能源依然是保障能源供需平衡和經濟社會發(fā)展的核心組成部分,因此短期內還不具備實現可再生能源對煤炭供能全替代的條件。

　　在中國工程院院士劉中民看來,即使煤炭在能源消費比重中逐年降低,但煤炭擁有豐富的碳資源,作為化工原料,發(fā)展空間廣闊,煤化工能夠生產多種化工、能源產品,相比于燃燒供能,碳排放有所降低。過去幾年,我國煤制烯烴、油、天然氣等的生產能力顯著提高。當前,又積累了一批新的核心技術,開展了眾多示范項目,具備了構建產業(yè)鏈的基礎。未來,隨著科技的發(fā)展與進步,煤炭作為化工原料的潛力將會進一步挖掘和提升。

　　因此,提升煤炭生產的技術水平,事關未來國內能源產業(yè)結構和化工產業(yè)競爭力,用ICT技術提升煤礦數字化水平就是面向這一領域的革新。

　　千年古老行業(yè),科技助力發(fā)展

　　我國不但是煤炭消費大國,而且對于煤炭開采已有幾千年的歷史,是世界上最早發(fā)現和利用煤炭的國家之一,早在春秋戰(zhàn)國時期,煤已成為一種重要產品,用于冶煉、燃料等,煤炭開采自然也有悠久的歷史。根據相關史料記載,西漢至魏晉南北朝,出現了一定規(guī)模的煤井和相應的采煤技術,采煤技術在這一時期已發(fā)展起來。

　　隨著煤炭在日常生產生活中重要性提升,煤炭開采的技術和安全問題也受到重視。明代已知煤層內有瓦斯,稱為“毒氣”、“毒煙”,也有一些排引瓦斯的方法,明末《天工開物》一書系統(tǒng)的記載了我國古代煤炭開采技術,包括地質、開拓、采煤、支護、通風、提升以及瓦斯排放等技術,說明當時的采煤業(yè)已發(fā)展到一定的規(guī)模了。

　　生命無價,安全問題一直都是煤礦生產的頭等大事。近年來,我國煤礦安全生產工作成效顯著,根據中國煤炭工業(yè)協(xié)會的數據,2020年我國煤礦發(fā)生死亡事故122起、死亡225人,同比減少48起、91人,分別下降28．2%和28．8%。從歷史數據來看,近年來煤礦安全事故和人員傷亡數量持續(xù)降低。

過去10年全國煤礦事故數據(來源:中國煤炭工業(yè)協(xié)會)

　　然而,煤礦依然是高危工作場所,安全隱患不確定性很大,在危險場所無人或盡量減少人員是提升生產安全的主要手段。一直以來,煤礦的技術進步基本上都是在提升生產效率的同時大幅度減少危險場所人員,當前煤礦智能化是解決這一問題的重要抓手。

　　2020年3月,國家發(fā)改委等8部委聯(lián)合發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》,提出煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐,將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發(fā)利用深度融合,形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng),實現煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行,對于提升煤礦安全生產水平、保障煤炭穩(wěn)定供應具有重要意義。

　　舉例來說,智能化采掘工作面的應用是近年來提升效率和安全生產的重要舉措,2015年全國煤礦僅有3個智能化采掘工作面,到2020年增至494個,已有采煤、鉆錨、巡檢等19種機器人在煤礦現場實施應用,形成“有人巡視、無人操作”的智能開采新模式。

　　又如,2019年以來,華為與山西煤炭行業(yè)多個合作伙伴進行了智能化轉型探索,就推出了智能礦山聯(lián)合解決方案,依托本次成立的智能礦山創(chuàng)新實驗室,還將在井下攝像頭“自清潔”技術、井下無線低頻傳輸、風險提前預判技術等方面進行創(chuàng)新突破,實現煤礦固定場所無人值守、關鍵環(huán)節(jié)機器人替代等,目標是讓智能化采煤工作面人數減少60%,山西全省井工煤礦單班入井人數減少10-20%,并實現井下“三無一減”,也就是無安全事故、無人值班、無人巡檢、配置減員。

　　發(fā)揮5G的作用,解決煤礦智能化痛點

　　《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》提出了三階段的目標,包括:

　　到2021年,建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦,初步形成煤礦開拓設計、地質保障、生產、安全等主要環(huán)節(jié)的信息化傳輸、自動化運行技術體系,基本實現掘進工作面減人提效、綜采工作面內少人或無人操作、井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監(jiān)控。

　　到2025年,大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化,形成煤礦智能化建設技術規(guī)范與標準體系,實現開拓設計、地質保障、采掘(剝)、運輸、通風、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動化協(xié)同運行,井下重點崗位機器人作業(yè),露天煤礦實現智能連續(xù)作業(yè)和無人化運輸。

　　到2035年,各類煤礦基本實現智能化,構建多產業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng),建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。

　　煤礦智能化的實現,是多種技術融合的產物,而5G在這個過程中解決了多個痛點。

　　2020年4月,山西陽泉煤業(yè)集團新元公司井上井下5G網絡開通并完成全部優(yōu)化工作,建成了全國首個5G煤礦專網。采用5G專網,主要解決煤礦智能化過程中的幾個痛點:生產設備和人員時刻移動,有線無法保障;煤礦設備控制低時延高可靠,4G、WiFi無法滿足;視頻和設備海量數據上傳。

　　陽煤相關人員總結采用5G后帶來新的變化包括:

　　井上看清井下——和4G網絡小于20Mbps的上行帶寬相比,新元公司5G專網具有超千兆上行帶寬,使單站擁有同時傳送50路以上4K高清畫面的能力,結合視頻智能AI分析技術,讓技術人員“身臨其境”。

　　井上控制井下——相較于4G網絡、WIFI網絡大于50ms的時延,5G網絡小于20ms的低時延、快切換和抗干擾、高可靠的能力,使遠程控制成為現實。

　　末端設備輕松“剪辮子”——借助5G網絡,職工可以輕松“剪”掉井下工業(yè)環(huán)網末端的設備通信線纜,同時方便移動設備。

　　井下萬物互聯(lián)、多網歸一、統(tǒng)一運算——5G網絡海量連接和大帶寬的特性,使井下每個系統(tǒng)一張網、信息互相隔離的情況成為過去。

　　除了井下外,露天礦卡裝卸、運輸過程也實現了5G應用。2020年10月,在國家能源集團神寶能源露天煤礦生產現場,5臺無人駕駛礦用自卸卡車逐一自動與挖掘機對位裝車,實現了裝運排一體化運行作業(yè),標志著世界首個極寒工況5G+220噸無人駕駛礦用自卸卡車編組項目成功運行。

　　實際上,大量廠商已經盯上了礦區(qū)無人化解決方案,相對于公共交通的無人駕駛方案,礦區(qū)這種封閉、路線固定的場所實現無人化比較容易。更為重要的是,全國礦主每年要在物料運輸上支付上百億的人力成本,而這些人工還不能很好解決運輸安全和效率問題,因此,礦主愿意為自動駕駛付費。多年前,海外一些廠商如美國的卡特彼勒、日本的小松就把自己的自動駕駛礦用車投放在澳大利亞和智利等地,形成成熟商業(yè)模式。因此,這一領域不僅有技術可行性,還有商業(yè)可行性。

　　當然,5G在煤礦中的應用并非一帆風順,不僅僅需要做好移動通信本身的工作,更需要整個涉及煤礦產業(yè)鏈的配合。舉例來說,為了滿足煤礦場景要求,相關各方聯(lián)合開發(fā)了防潮、防塵、防爆、小型化且上下行帶寬配比為3:1的無線基站;井下4K攝像頭、手機終端、CPE等均滿足煤礦防爆和可靠性的要求;5G專網系統(tǒng)需要獲得國家礦用安全標準認證方可進行推廣。

　　5G賦能千行百業(yè)不是一句口號,需要深入到各行業(yè)生產經營流程中,去優(yōu)化甚至改變核心生產經營流程。煤礦智能化提出了到2035年的三階段目標,可以看出煤礦智能化是一個漸進式持續(xù)演進的過程,這一過程中需要5G等ICT技術的賦能,注定也是一個“長跑”的過程。5G在行業(yè)應用處于導入期,業(yè)界還需足夠耐心,因為面對的可能是一個已存在數千年的古老行業(yè)。