華為成立“煤炭軍團”，看5G如何賦能老行業(yè)?

5G作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)之一,無疑是“煤礦軍團”進(jìn)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(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研究、市場交付組合在一起,縮短產(chǎn)業(yè)鏈條,快速適應(yīng)需求,通過技術(shù)創(chuàng)新,推動煤炭行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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

雖然能源結(jié)構(gòu)在優(yōu)化,但煤炭依然事關(guān)國計民生

能源關(guān)系國計民生、關(guān)系經(jīng)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(jīng)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(chǎn)和能源消費國,能源生產(chǎn)和消費機構(gòu)在持續(xù)優(yōu)化,建設(shè)多元清潔的能源供應(yīng)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(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù),2019年中國一次能源生產(chǎn)總量達(dá)39.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,其中煤炭仍是保障能源供應(yīng)的基礎(chǔ)能源,占一次能源生產(chǎn)的比重高達(dá)68.6%。從以下數(shù)據(jù)可以看出,近年來我國非化石能源的產(chǎn)量逐年增長,但煤炭生產(chǎn)依然占據(jù)能源總量60%以上。

中國能源生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)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(jù)絕對高的份額,因此煤炭的生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)濟工作會議上,“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”被列為2021年的重點任務(wù)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(nèi),我國的能源需求總量仍會增加,可再生能源產(chǎn)能無法滿足14億人和數(shù)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(jīng)濟社會發(fā)展的核心組成部分,因此短期內(nèi)還不具備實現(xiàn)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(chǎn)多種化工、能源產(chǎn)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(chǎn)能力顯著提高。當(dāng)前,又積累了一批新的核心技術(shù),開展了眾多示范項目,具備了構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。未來,隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步,煤炭作為化工原料的潛力將會進(jìn)一步挖掘和提升。

因此,提升煤炭生產(chǎn)的技術(shù)水平,事關(guān)未來國內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和化工產(chǎn)業(yè)競爭力,用ICT技術(shù)提升煤礦數(shù)字化水平就是面向這一領(lǐng)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(xiàn)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(chǎn)品,用于冶煉、燃料等,煤炭開采自然也有悠久的歷史。根據(jù)相關(guān)史料記載,西漢至魏晉南北朝,出現(xiàn)了一定規(guī)模的煤井和相應(yīng)的采煤技術(shù),采煤技術(shù)在這一時期已發(fā)展起來。

隨著煤炭在日常生產(chǎn)生活中重要性提升,煤炭開采的技術(shù)和安全問題也受到重視。明代已知煤層內(nèi)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(shù),包括地質(zhì)、開拓、采煤、支護、通風(fēng)、提升以及瓦斯排放等技術(shù),說明當(dāng)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(chǎn)的頭等大事。近年來,我國煤礦安全生產(chǎn)工作成效顯著,根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)來看,近年來煤礦安全事故和人員傷亡數(shù)量持續(xù)降低。

過去10年全國煤礦事故數(shù)據(jù)(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(chǎn)安全的主要手段。一直以來,煤礦的技術(shù)進(jìn)步基本上都是在提升生產(chǎn)效率的同時大幅度減少危險場所人員,當(dāng)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(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐,將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等與現(xiàn)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(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng),實現(xiàn)煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等過程的智能化運行,對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。

舉例來說,智能化采掘工作面的應(yīng)用是近年來提升效率和安全生產(chǎn)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(xiàn)場實施應(yīng)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(jìn)行了智能化轉(zhuǎn)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(shù)、井下無線低頻傳輸、風(fēng)險提前預(yù)判技術(shù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新突破,實現(xiàn)煤礦固定場所無人值守、關(guān)鍵環(huán)節(jié)機器人替代等,目標(biāo)是讓智能化采煤工作面人數(shù)減少60%,山西全省井工煤礦單班入井人數(shù)減少10-20%,并實現(xiàn)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(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出了三階段的目標(biāo),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(shè)計、地質(zhì)保障、生產(chǎn)、安全等主要環(huán)節(jié)的信息化傳輸、自動化運行技術(shù)體系,基本實現(xiàn)掘進(jìn)工作面減人提效、綜采工作面內(nèi)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(yuǎn)程監(jiān)控。

到2025年,大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實現(xiàn)智能化,形成煤礦智能化建設(shè)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系,實現(xiàn)開拓設(shè)計、地質(zhì)保障、采掘(剝)、運輸、通風(fēng)、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(xiàn)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(xiàn)智能化,構(gòu)建多產(chǎn)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(xiàn),是多種技術(shù)融合的產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)開通并完成全部優(yōu)化工作,建成了全國首個5G煤礦專網(wǎng)。采用5G專網(wǎng),主要解決煤礦智能化過程中的幾個痛點:生產(chǎn)設(shè)備和人員時刻移動,有線無法保障;煤礦設(shè)備控制低時延高可靠,4G、WiFi無法滿足;視頻和設(shè)備海量數(shù)據(jù)上傳。

陽煤相關(guān)人員總結(jié)采用5G后帶來新的變化包括:

井上看清井下——和4G網(wǎng)絡(luò)小于20Mbps的上行帶寬相比,新元公司5G專網(wǎng)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(jié)合視頻智能AI分析技術(shù),讓技術(shù)人員“身臨其境”。

井上控制井下——相較于4G網(wǎng)絡(luò)、WIFI網(wǎng)絡(luò)大于50ms的時延,5G網(wǎng)絡(luò)小于20ms的低時延、快切換和抗干擾、高可靠的能力,使遠(yuǎn)程控制成為現(xiàn)實。

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

井下萬物互聯(lián)、多網(wǎng)歸一、統(tǒng)一運算——5G網(wǎng)絡(luò)海量連接和大帶寬的特性,使井下每個系統(tǒng)一張網(wǎng)、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(xiàn)了5G應(yīng)用。2020年10月,在國家能源集團神寶能源露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)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(xiàn)了裝運排一體化運行作業(yè),標(biāo)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(jīng)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(xiàn)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(lǐng)域不僅有技術(shù)可行性,還有商業(yè)可行性。

當(dāng)然,5G在煤礦中的應(yīng)用并非一帆風(fēng)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(chǎn)業(yè)鏈的配合。舉例來說,為了滿足煤礦場景要求,相關(guān)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(wǎng)系統(tǒng)需要獲得國家礦用安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證方可進(jìn)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(chǎn)經(jīng)營流程中,去優(yōu)化甚至改變核心生產(chǎn)經(jīng)營流程。煤礦智能化提出了到2035年的三階段目標(biāo),可以看出煤礦智能化是一個漸進(jìn)式持續(xù)演進(jìn)的過程,這一過程中需要5G等ICT技術(shù)的賦能,注定也是一個“長跑”的過程。5G在行業(yè)應(yīng)用處于導(dǎo)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(shù)千年的古老行業(yè)。