CN121357504A - 一种基于5g-mec的智慧矿山一体化控制平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山开采应用技术领域，且公开了一种基于5G‑MEC的智慧矿山一体化控制平台，5G通讯系统；MEC核心网，部署在矿核心机房，下挂交换机并与矿现有万兆工业网对接，实现5G与矿工业环网的数据交互；移动设备数据传输与远程控制系统；无人值守系统；通过数据化的形式对切割参数及掘进路径进行优化，实现了采煤机等设备在作业过程中的动态调整，从而在保证开采效率的同时，有效降低了设备能耗和磨损，延长了设备使用寿命，降低了维护成本，提高了矿山开采的整体经济效益，同时，采用先进的故障诊断技术，提高了巡检机器人对设备故障和正常状态的识别准确性，减少了误报和漏报，保障了矿山生产的连续性和稳定性，降低了安全风险。

Description

一种基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台

技术领域

本发明涉及矿山开采应用技术领域，尤其涉及一种基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台。

背景技术

在现有的矿山开采作业中，采煤机、掘进机等设备的运行参数调整和路径规划主要依赖于人工经验。操作人员根据现场情况和过往经验手动设置设备的切割深度、速度等参数，并规划掘进路径。这种基于人工经验的调整方式存在诸多局限性：一方面，由于缺乏实时数据支持，难以精确适应复杂的地质条件和多变的开采环境，导致设备运行效率低下；另一方面，人工规划路径往往不够优化，可能增加不必要的能耗和设备磨损，降低开采效率。此外，设备故障诊断也主要依靠人工巡检，这种方式不仅效率低下，而且容易出现误报和漏报，难以及时发现潜在故障，影响矿山生产的连续性和稳定性，甚至可能引发安全风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术中存在过于依赖人工经验判定进行开采以及通过人工巡检进行故障诊断的缺点，为此我们提出一种基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台。

为了实现上述目的，本申请采用了如下技术方案：一种基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，包括：5G通讯系统，用于在矿区井上、井下实现5G全覆盖专网，其中井上以宏基站为主，布置PTN和BBU，并与两路运营商通讯线路形成环路；井下5G无线基站采用微基站进行部署，通过RRU拉远覆盖，光纤作为连接媒介；

MEC核心网，部署在矿核心机房，下挂交换机并与矿现有万兆工业网对接，实现5G与矿工业环网的数据交互；

移动设备数据传输与远程控制系统，包括采煤机、掘进机、皮带机巡检机器人、胶轮车，通过在末端安装CPE，借助5G网络的高带宽、高可靠性实现所有传感数据、视频信息、参数控制信号的高速传输；

无人值守系统，基于5G工业控制场景应用研究，通过在采掘工作面设置工业摄像机和传感器，将视频、音频和传感器信号通过5G网络传输至地面，地面操作人员根据采掘工作面视频、音频和传感器信息，远程操作设备，控制命令通过5G网络传输至采掘工作面，控制设备动作，实现采掘工作面无人或少人作业。

优选的，所述移动设备数据传输与远程控制系统，包括，

数据采集模块，用于采集移动设备的运行状态数据、视频信息、传感器数据等；

数据传输模块，用于通过5G网络将采集的数据传输至控制中心；

控制指令接收模块，用于接收控制中心通过5G网络发送的控制指令；

控制执行模块，用于根据接收到的控制指令对移动设备进行远程控制。

优选的，所述数据采集模块还包括，

采煤机数据采集单元，用于采集采煤机的运行状态数据、切割参数、视频监控数据；

掘进机数据采集单元，用于采集掘进机的运行状态数据、导航数据、视频监控数据；

胶轮车数据采集单元，用于采集胶轮车的运行状态数据、位置信息、视频监控数据；

巡检机器人数据采集单元，用于采集皮带机巡检机器人的运行状态数据、巡检视频数据、传感器数据。

优选的，所述控制执行模块包括，

采煤机控制单元，用于根据控制指令对采煤机进行远程集控和记忆截割；

掘进机控制单元，用于根据控制指令对掘进机进行远程控制和记忆截割；

胶轮车控制单元，用于根据控制指令对胶轮车进行远程控制和路径规划；

巡检机器人控制单元，用于根据控制指令对皮带机巡检机器人进行远程控制和故障诊断。

优选的，所述切割参数通过优化公式进行优化，公式为，

其中，P_opt1为优化后的切割参数向量，C（P）为成本函数用来表示切割过程中的能耗和设备磨损成本，R（P）为风险函数表示切割过程中的安全风险，λ为权重因子，通常取值范围为，0≤λ≤1，P为切割参数向量；

其中，E_i为第i个切割点的能耗，d_i为第i个切割点的切割深度，W_i为第i个切割点的设备磨损系数，v_i为第i个切割点的切割速度，N为切割点总数；

其中，S_i是第i个切割点的安全系数，k_i为第i个切割点的风险衰减系数，S_i和k_i取值通过历史数据总结计算获取。

优选的，所述掘进机控制单元，还包括对掘进路径进行掘进优化，所述掘进优化满足以下公式，

其中A为路径矩阵表示路径的地形和障碍物信息，通常是一个对称矩阵，A的元素A_ij可以表示路径点i和路径点j之间的成本或距离，b为路径向量通常是一个一维向量，b的元素b_i可以表示路径点i的目标方向或目标位置，c为常数项表示路径的固定成本或偏置项，q表示掘进路径的向量表示，每个元素q_i表示路径上一个点的位置，在实际应用中，q_i是一个三维向量[x_i，y_i，z_i]，表示第i个路径点的坐标。

优选的，所述故障诊断需要满足准确性公式，

其中，A_c表示准确率，TP为真正例表示巡检机器人正确识别的故障数量，TN为真负例表示巡检机器人正确识别的正常状态数量，FP为假正例表示巡检机器人错误识别为故障的数量，FN为假负例表示巡检机器人错误识别为正常状态的数量，通过此公式确保实际应用中诊断的准确性。

优选的，所述移动设备数据传输与远程控制系统还包括，

安全加密模块，用于对传输的数据和控制指令进行加密，确保数据传输的安全性；

故障容错模块，用于在数据传输或控制指令接收过程中出现故障时，自动切换到备用通道或执行预设的容错策略。

优选的，所述移动设备数据传输与远程控制系统还包括，

数据存储模块，用于存储采集的数据和控制指令的历史记录；

数据分析模块，用于对采集的数据进行分析，生成设备运行报告和故障预警信息。

优选的，还包括一种计算机设备，所述计算机设备包括，存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的功能。

本发明的技术效果和优点：本发明通过数据化的形式对切割参数及掘进路径进行优化，实现了采煤机等设备在作业过程中的动态调整，从而在保证开采效率的同时，有效降低了设备能耗和磨损，延长了设备使用寿命，降低了维护成本，提高了矿山开采的整体经济效益，同时，采用先进的故障诊断技术，提高了巡检机器人对设备故障和正常状态的识别准确性，减少了误报和漏报，保障了矿山生产的连续性和稳定性，降低了安全风险。

附图说明

参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件：

图1为本发明基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台的计算机设备示意图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

参照图1示，本发明提供一种技术方案：一种基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，包括：5G通讯系统，用于在矿区井上、井下实现5G全覆盖专网，其中井上以宏基站为主，布置PTN和BBU，并与两路运营商通讯线路形成环路；井下5G无线基站采用微基站进行部署，通过RRU拉远覆盖，光纤作为连接媒介；

MEC核心网，部署在矿核心机房，下挂交换机并与矿现有万兆工业网对接，实现5G与矿工业环网的数据交互；

移动设备数据传输与远程控制系统，包括采煤机、掘进机、皮带机巡检机器人、胶轮车，通过在末端安装CPE，借助5G网络的高带宽、高可靠性实现有传感数据、视频信息、参数控制信号的高速传输；

无人值守系统，基于5G工业控制场景应用研究，通过在采掘工作面设置工业摄像机和传感器，将视频、音频和传感器信号通过5G网络传输至地面，地面操作人员根据采掘工作面视频、音频和传感器信息，远程操作设备，控制命令通过5G网络传输至采掘工作面，控制设备动作，实现采掘工作面无人或少人作业。

进一步的，移动设备数据传输与远程控制系统，包括，数据采集模块，用于采集移动设备的运行状态数据、视频信息、传感器数据等；

数据传输模块，用于通过5G网络将采集的数据传输至控制中心；

控制指令接收模块，用于接收控制中心通过5G网络发送的控制指令；

控制执行模块，用于根据接收到的控制指令对移动设备进行远程控制。

需要说明的，数据采集模块还包括，

采煤机数据采集单元，用于采集采煤机的运行状态数据、切割参数、视频监控数据；

掘进机数据采集单元，用于采集掘进机的运行状态数据、导航数据、视频监控数据；

胶轮车数据采集单元，用于采集胶轮车的运行状态数据、位置信息、视频监控数据；

巡检机器人数据采集单元，用于采集皮带机巡检机器人的运行状态数据、巡检视频数据、传感器数据。

再进一步的，控制执行模块包括，

采煤机控制单元，用于根据控制指令对采煤机进行远程集控和记忆截割；

掘进机控制单元，用于根据控制指令对掘进机进行远程控制和记忆截割；

胶轮车控制单元，用于根据控制指令对胶轮车进行远程控制和路径规划；

巡检机器人控制单元，用于根据控制指令对皮带机巡检机器人进行远程控制和故障诊断。

独特的，切割参数通过优化公式进行优化，公式为，

其中，P_opt1为优化后的切割参数向量，C（P）为成本函数用来表示切割过程中的能耗和设备磨损成本，R（P）为风险函数表示切割过程中的安全风险，λ为权重因子，通常取值范围为，0≤λ≤1，P为切割参数向量，此处，λ取值的两种极端情况为，其一，λ取值为0时，此时完全忽略风险函数，只考虑成本函数，其二，λ取值为1时，此时完全忽略成本函数，只考虑风险函数，以正常应用λ实际取值为0＜λ＜1；

其中，E_i为第i个切割点的能耗，d_i为第i个切割点的切割深度，W_i为第i个切割点的设备磨损系数，v_i为第i个切割点的切割速度，N为切割点总数；

其中，S_i是第i个切割点的安全系数，k_i为第i个切割点的风险衰减系数，S_i和k_i取值通过历史数据总结计算获取。

其中，掘进机控制单元，还包括对掘进路径进行掘进优化，掘进优化满足以下公式，

其中A为路径矩阵表示路径的地形和障碍物信息，通常是一个对称矩阵，A的元素A_ij可以表示路径点i和路径点j之间的成本或距离，b为路径向量通常是一个一维向量，b的元素b_i可以表示路径点i的目标方向或目标位置，c为常数项表示路径的固定成本或偏置项，q表示掘进路径的向量表示，每个元素q_i表示路径上一个点的位置，在实际应用中，q_i是一个三维向量[x_i，y_i，z_i]，表示第i个路径点的坐标，q_opt表示优化后的掘进路径向量。

此处我们举一个简单的二维路径优化例子说明，路径上有三个点，路径矩阵A和路径向量b如下，

C=1

路径向量q表示路径上的3个点的坐标，例如，

目标函数为，此时具体计算如下，

通过求导，并令导数为0，可以解得最优路径q_opt。

特别的，故障诊断需要满足准确性公式，

其中，A_c表示准确率，TP为真正例表示巡检机器人正确识别的故障数量，TN为真负例表示巡检机器人正确识别的正常状态数量，FP为假正例表示巡检机器人错误识别为故障的数量，FN为假负例表示巡检机器人错误识别为正常状态的数量，通过此公式确保实际应用中诊断的准确性，以上为统计学中的术语，详细解释如下，真正例（TP） 是指模型正确预测为正类的样本数量。具体来说，在一个二分类问题中，如果一个样本的真实标签是正类（例如，患者患有某种疾病），并且模型也预测为正类，那么这个样本就被计为一个真正例。

进一步的，移动设备数据传输与远程控制系统还包括，

安全加密模块，用于对传输的数据和控制指令进行加密，确保数据传输的安全性，此处加密强度S满足；、

这里的P_error为错误概率，表传输过程中数据被错误解码的概率，加密强度S通过确保P_error足够小，从而保证数据传输的安全性，此处，通过实验测试系统的实际错误率；例如，可以发送大量已知的数据包，然后检查接收端的错误率进行错误概率的计算。

故障容错模块，用于在数据传输或控制指令接收过程中出现故障时，自动切换到备用通道或执行预设的容错策略。

其中，移动设备数据传输与远程控制系统还包括，

数据存储模块，用于存储采集的数据和控制指令的历史记录；

数据分析模块，用于对采集的数据进行分析，生成设备运行报告和故障预警信息。

再进一步的，还包括一种计算机设备，计算机设备包括，存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上的功能。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在设备图中表示或在此以其他方式描的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置）、便携式计算机盘盒（磁装置）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器）、光纤装置以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

工作原理：首先，系统初始化阶段，启动5G通讯系统，在矿区井上和井下部署5G网络，确保5G全覆盖专网的建立，同时在矿核心机房部署MEC核心网，实现5G与矿工业环网的数据交互。接着，数据采集模块开始工作，采集移动设备（如采煤机、掘进机、胶轮车、巡检机器人）的运行状态数据、视频信息、传感器数据等。然后，通过5G网络将采集的数据传输至控制中心，确保数据传输的高带宽和高可靠性。控制中心通过5G网络发送控制指令至移动设备，移动设备根据接收到的控制指令执行相应操作，如采煤机的远程集控和记忆截割、掘进机的远程控制和记忆截割、胶轮车的远程控制和路径规划、巡检机器人的远程控制和故障诊断。同时，通过优化公式对采煤机的切割参数和掘进机的掘进路径进行优化，平衡成本和风险，确保路径的最优性。此外，巡检机器人根据采集的数据进行故障诊断，确保诊断的准确性。安全加密模块对传输的数据和控制指令进行加密，确保数据传输的安全性，故障容错模块在数据传输或控制指令接收过程中出现故障时，自动切换到备用通道或执行预设的容错策略。数据存储模块存储采集的数据和控制指令的历史记录，数据分析模块对采集的数据进行分析，生成设备运行报告和故障预警信息。

本发明的技术范围不仅仅局限于上说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：包括，

5G通讯系统，用于在矿区井上、井下实现5G全覆盖专网，其中井上以宏基站为主，布置PTN和BBU，并与两路运营商通讯线路形成环路；井下5G无线基站采用微基站进行部署，通过RRU拉远覆盖，光纤作为连接媒介；

MEC核心网，部署在矿核心机房，下挂交换机并与矿现有万兆工业网对接，实现5G与矿工业环网的数据交互；

移动设备数据传输与远程控制系统，包括采煤机、掘进机、皮带机巡检机器人、胶轮车，通过在末端安装CPE，借助5G网络的高带宽、高可靠性实现所有传感数据、视频信息、参数控制信号的高速传输；

无人值守系统，基于5G工业控制场景应用研究，通过在采掘工作面设置工业摄像机和传感器，将视频、音频和传感器信号通过5G网络传输至地面，地面操作人员根据采掘工作面视频、音频和传感器信息，远程操作设备，控制命令通过5G网络传输至采掘工作面，控制设备动作，实现采掘工作面无人或少人作业。

2.根据权利要求1所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述移动设备数据传输与远程控制系统，包括，

数据采集模块，用于采集移动设备的运行状态数据、视频信息、传感器数据等；

数据传输模块，用于通过5G网络将采集的数据传输至控制中心；

控制指令接收模块，用于接收控制中心通过5G网络发送的控制指令；

控制执行模块，用于根据接收到的控制指令对移动设备进行远程控制。

3.根据权利要求2所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述数据采集模块还包括，

采煤机数据采集单元，用于采集采煤机的运行状态数据、切割参数、视频监控数据；

掘进机数据采集单元，用于采集掘进机的运行状态数据、导航数据、视频监控数据；

胶轮车数据采集单元，用于采集胶轮车的运行状态数据、位置信息、视频监控数据；

巡检机器人数据采集单元，用于采集皮带机巡检机器人的运行状态数据、巡检视频数据、传感器数据。

4.根据权利要求2所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述控制执行模块包括，

采煤机控制单元，用于根据控制指令对采煤机进行远程集控和记忆截割；

掘进机控制单元，用于根据控制指令对掘进机进行远程控制和记忆截割；

胶轮车控制单元，用于根据控制指令对胶轮车进行远程控制和路径规划；

巡检机器人控制单元，用于根据控制指令对皮带机巡检机器人进行远程控制和故障诊断。

5.根据权利要求3所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述切割参数通过优化公式进行优化，公式为，其中，P_opt1为优化后的切割参数向量，C（P）为成本函数用来表示切割过程中的能耗和设备磨损成本，R（P）为风险函数表示切割过程中的安全风险，λ为权重因子，通常取值范围为，0≤λ≤1，P为切割参数向量；其中，E_i为第i个切割点的能耗，d_i为第i个切割点的切割深度，W_i为第i个切割点的设备磨损系数，v_i为第i个切割点的切割速度，N为切割点总数；其中，S_i是第i个切割点的安全系数，k_i为第i个切割点的风险衰减系数，S_i和k_i取值通过历史数据总结计算获取。

6.根据权利要求4所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述掘进机控制单元，还包括对掘进路径进行掘进优化，所述掘进优化满足以下公式，其中A为路径矩阵表示路径的地形和障碍物信息，通常是一个对称矩阵，A的元素A_ij可以表示路径点i和路径点j之间的成本或距离，b为路径向量通常是一个一维向量，b的元素b_i可以表示路径点i的目标方向或目标位置，c为常数项表示路径的固定成本或偏置项，q表示掘进路径的向量表示，每个元素q_i表示路径上一个点的位置，在实际应用中，q_i是一个三维向量[x_i，y_i，z_i]，表示第i个路径点的坐标。

7.根据权利要求6所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述故障诊断需要满足准确性公式，其中，A_c表示准确率，TP为真正例表示巡检机器人正确识别的故障数量，TN为真负例表示巡检机器人正确识别的正常状态数量，FP为假正例表示巡检机器人错误识别为故障的数量，FN为假负例表示巡检机器人错误识别为正常状态的数量，通过此公式确保实际应用中诊断的准确性。

8.根据权利要求7所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述移动设备数据传输与远程控制系统还包括，

安全加密模块，用于对传输的数据和控制指令进行加密，确保数据传输的安全性；

故障容错模块，用于在数据传输或控制指令接收过程中出现故障时，自动切换到备用通道或执行预设的容错策略。

9.根据权利要求8所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：所述移动设备数据传输与远程控制系统还包括，

数据存储模块，用于存储采集的数据和控制指令的历史记录；

数据分析模块，用于对采集的数据进行分析，生成设备运行报告和故障预警信息。

10.根据权利要求9所述的基于5G-MEC的智慧矿山一体化控制平台，其特征在于：还包括一种计算机设备，所述计算机设备包括，存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述的功能。