春节前的2月9日,山西省政府、华为、晋能控股等单位联合成立“智能矿山创新实验室”。在今年1月,华为成立了“煤矿军团”后,将产业基础研究、产品研究、市场交付组合在一起,缩短产业链条,快速适应需求,通过技术创新,推动煤炭行业数字化转型。
5G作为数字化转型的核心技术之一,无疑是“煤矿军团”进军煤炭行业中的重要武器。煤炭行业已有数千年历史,如今也在不断推进技术创新,在各类ICT技术加持下,这一古老行业正在发生渐进式的变化。
虽然能源结构在优化,但煤炭依然事关国计民生
能源关系国计民生、关系经济社会可持续发展和国家安全,能源瓶颈直接会影响一国经济增长和人民基本生活。目前,中国已成为全球最大的能源生产和能源消费国,能源生产和消费机构在持续优化,建设多元清洁的能源供应体系已成为共识。不过,我国是一个“富煤、缺油、少气”的国家,煤炭对国计民生影响非常大。
根据国家统计局发布的数据,2019年中国一次能源生产总量达39．7亿吨标准煤,其中煤炭仍是保障能源供应的基础能源,占一次能源生产的比重高达68．6%。从以下数据可以看出,近年来我国非化石能源的产量逐年增长,但煤炭生产依然占据能源总量60%以上。
中国能源生产情况(来源:国家统计局)
从消费测来看,2019年中国能源消费总量为48．7亿吨标准煤,而其中煤炭消费占能源消费总量比重为57．7%,相比2012年降低了10．8个百分点。近年来,我国在降低煤炭使用量,减少碳排放方面成果显著,2018年,我国煤炭消费比重首次降至60%以下。
中国能源消费情况(来源:国家统计局)
可以看出,虽然中国能源的生产和消费结构不断优化,但不论从哪个角度来看,煤炭依然在能源市场中占据绝对高的份额,因此煤炭的生产对于整个能源市场具有举足轻重的作用。
自然资源部发布的《中国矿产资源报告2020》显示,中国探明的煤炭储量为1．7万亿吨,且每年还有新增探明储量。若以每年消费50亿吨计算,现有煤炭储量可使用超过300年。
在2020年12月18日闭幕的中央经济工作会议上,“做好碳达峰、碳中和工作”被列为2021年的重点任务之一。在这一背景下,未来煤炭在我国能源体系中所占的比重还将继续降低。不过,在未来一段时期内,我国的能源需求总量仍会增加,可再生能源产能无法满足14亿人和数千万企业的用能需求,煤炭、石油等化石能源依然是保障能源供需平衡和经济社会发展的核心组成部分,因此短期内还不具备实现可再生能源对煤炭供能全替代的条件。
在中国工程院院士刘中民看来,即使煤炭在能源消费比重中逐年降低,但煤炭拥有丰富的碳资源,作为化工原料,发展空间广阔,煤化工能够生产多种化工、能源产品,相比于燃烧供能,碳排放有所降低。过去几年,我国煤制烯烃、油、天然气等的生产能力显著提高。当前,又积累了一批新的核心技术,开展了众多示范项目,具备了构建产业链的基础。未来,随着科技的发展与进步,煤炭作为化工原料的潜力将会进一步挖掘和提升。
因此,提升煤炭生产的技术水平,事关未来国内能源产业结构和化工产业竞争力,用ICT技术提升煤矿数字化水平就是面向这一领域的革新。
千年古老行业,科技助力发展
我国不但是煤炭消费大国,而且对于煤炭开采已有几千年的历史,是世界上最早发现和利用煤炭的国家之一,早在春秋战国时期,煤已成为一种重要产品,用于冶炼、燃料等,煤炭开采自然也有悠久的历史。根据相关史料记载,西汉至魏晋南北朝,出现了一定规模的煤井和相应的采煤技术,采煤技术在这一时期已发展起来。
随着煤炭在日常生产生活中重要性提升,煤炭开采的技术和安全问题也受到重视。明代已知煤层内有瓦斯,称为“毒气”、“毒烟”,也有一些排引瓦斯的方法,明末《天工开物》一书系统的记载了我国古代煤炭开采技术,包括地质、开拓、采煤、支护、通风、提升以及瓦斯排放等技术,说明当时的采煤业已发展到一定的规模了。
生命无价,安全问题一直都是煤矿生产的头等大事。近年来,我国煤矿安全生产工作成效显著,根据中国煤炭工业协会的数据,2020年我国煤矿发生死亡事故122起、死亡225人,同比减少48起、91人,分别下降28．2%和28．8%。从历史数据来看,近年来煤矿安全事故和人员伤亡数量持续降低。
过去10年全国煤矿事故数据(来源:中国煤炭工业协会)
然而,煤矿依然是高危工作场所,安全隐患不确定性很大,在危险场所无人或尽量减少人员是提升生产安全的主要手段。一直以来,煤矿的技术进步基本上都是在提升生产效率的同时大幅度减少危险场所人员,当前煤矿智能化是解决这一问题的重要抓手。
2020年3月,国家发改委等8部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,提出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合,形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统,实现煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行,对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。
举例来说,智能化采掘工作面的应用是近年来提升效率和安全生产的重要举措,2015年全国煤矿仅有3个智能化采掘工作面,到2020年增至494个,已有采煤、钻锚、巡检等19种机器人在煤矿现场实施应用,形成“有人巡视、无人操作”的智能开采新模式。
又如,2019年以来,华为与山西煤炭行业多个合作伙伴进行了智能化转型探索,就推出了智能矿山联合解决方案,依托本次成立的智能矿山创新实验室,还将在井下摄像头“自清洁”技术、井下无线低频传输、风险提前预判技术等方面进行创新突破,实现煤矿固定场所无人值守、关键环节机器人替代等,目标是让智能化采煤工作面人数减少60%,山西全省井工煤矿单班入井人数减少10-20%,并实现井下“三无一减”,也就是无安全事故、无人值班、无人巡检、配置减员。
发挥5G的作用,解决煤矿智能化痛点
《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出了三阶段的目标,包括:
到2021年,建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿,初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系,基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。
到2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化,形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系,实现开拓设计、地质保障、采掘(剥)、运输、通风、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行,井下重点岗位机器人作业,露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。
到2035年,各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。
煤矿智能化的实现,是多种技术融合的产物,而5G在这个过程中解决了多个痛点。
2020年4月,山西阳泉煤业集团新元公司井上井下5G网络开通并完成全部优化工作,建成了全国首个5G煤矿专网。采用5G专网,主要解决煤矿智能化过程中的几个痛点:生产设备和人员时刻移动,有线无法保障;煤矿设备控制低时延高可靠,4G、WiFi无法满足;视频和设备海量数据上传。
阳煤相关人员总结采用5G后带来新的变化包括:
井上看清井下——和4G网络小于20Mbps的上行带宽相比,新元公司5G专网具有超千兆上行带宽,使单站拥有同时传送50路以上4K高清画面的能力,结合视频智能AI分析技术,让技术人员“身临其境”。
井上控制井下——相较于4G网络、WIFI网络大于50ms的时延,5G网络小于20ms的低时延、快切换和抗干扰、高可靠的能力,使远程控制成为现实。
末端设备轻松“剪辫子”——借助5G网络,职工可以轻松“剪”掉井下工业环网末端的设备通信线缆,同时方便移动设备。
井下万物互联、多网归一、统一运算——5G网络海量连接和大带宽的特性,使井下每个系统一张网、信息互相隔离的情况成为过去。
除了井下外,露天矿卡装卸、运输过程也实现了5G应用。2020年10月,在国家能源集团神宝能源露天煤矿生产现场,5台无人驾驶矿用自卸卡车逐一自动与挖掘机对位装车,实现了装运排一体化运行作业,标志着世界首个极寒工况5G+220吨无人驾驶矿用自卸卡车编组项目成功运行。
实际上,大量厂商已经盯上了矿区无人化解决方案,相对于公共交通的无人驾驶方案,矿区这种封闭、路线固定的场所实现无人化比较容易。更为重要的是,全国矿主每年要在物料运输上支付上百亿的人力成本,而这些人工还不能很好解决运输安全和效率问题,因此,矿主愿意为自动驾驶付费。多年前,海外一些厂商如美国的卡特彼勒、日本的小松就把自己的自动驾驶矿用车投放在澳大利亚和智利等地,形成成熟商业模式。因此,这一领域不仅有技术可行性,还有商业可行性。
当然,5G在煤矿中的应用并非一帆风顺,不仅仅需要做好移动通信本身的工作,更需要整个涉及煤矿产业链的配合。举例来说,为了满足煤矿场景要求,相关各方联合开发了防潮、防尘、防爆、小型化且上下行带宽配比为3:1的无线基站;井下4K摄像头、手机终端、CPE等均满足煤矿防爆和可靠性的要求;5G专网系统需要获得国家矿用安全标准认证方可进行推广。
5G赋能千行百业不是一句口号,需要深入到各行业生产经营流程中,去优化甚至改变核心生产经营流程。煤矿智能化提出了到2035年的三阶段目标,可以看出煤矿智能化是一个渐进式持续演进的过程,这一过程中需要5G等ICT技术的赋能,注定也是一个“长跑”的过程。5G在行业应用处于导入期,业界还需足够耐心,因为面对的可能是一个已存在数千年的古老行业。
作者:赵小飞