5G 网络下露天智能矿山系统构建与应用

一、引言

随着全球矿业向智能化、数字化方向发展，传统露天矿山面临着生产效率低、安全风险高和环境压力大的挑战。5G 技术以其高速率、低时延和大连接特性，为矿山智能化建设提供了强有力的技术支撑。本文旨在探讨 5G 网络在露天智能矿山中的系统架构设计、关键技术实现及典型应用，分析其对矿山生产调度、安全管理、设备维护及环保监测的促进作用，期望为矿山行业的数字化转型提供理论依据和实践指导。

二、5G 网络下露天智能矿山系统总体架构设计

（一）系统总体结构

5G 网络下的露天智能矿山系统总体结构采用分层架构设计，主要包括感知层、网络层、平台层和应用层。感知层通过各种传感器、高清视频监控设备、无人驾驶矿卡和各类采集终端，实时收集矿山环境数据、设备运行状态和人员位置信息。网络层依托 5G 基站和专用网络，构建高带宽、低时延的通信基础，实现感知层数据的高速稳定传输。同时，网络层融入边缘计算节点以减轻云端压力，保证实时响应能力。平台层主要包含大数据处理平台、人工智能分析引擎及数字孪生系统，通过数据融合与智能分析，实现矿山作业的精准管理与预测维护。应用层则基于平台功能，开发生产调度、智能安防、远程操控和环境监测等具体应用，支持矿山生产的智能化和自动化运行[1]。

（二）数据传输与处理模式

数据传输与处理模式采用边缘计算与云计算相结合的混合架构。大量的实时数据由感知层产生，经由 5G 网络传输至部署在矿山现场的边缘计算节点，边缘节点负责初步数据清洗、分析与快速响应，减少时延和对云端的依赖。边缘计算能够处理紧急的安全预警和实时控制命令，保证矿山作业的实时性与安全性。非实时或大规模的数据上传至云端大数据平台，进行深度挖掘与历史趋势分析，支持设备维护、生产优化和环境评估等业务。

三、关键技术与实现路径

（一）5G 网络切片与专网技术

5G 网络切片技术是实现露天智能矿山多样化业务需求的关键保障。通过网络切片，可以在同一物理网络上划分出多个虚拟网络，每个切片独立运行，针对矿山中的不同应用场景提供定制化的服务质量保障。例如，关键的安全监控和远程操控业务需要低时延、高可靠性网络切片，而环境监测数据传输可采用带宽相对较低但覆盖广泛的切片。专网技术通过搭建矿区专属 5G 网络，确保数据传输的安全性和私密性，避免公共网络的干扰与风险。

（二）边缘计算与人工智能融合

边缘计算将计算资源部署于矿山现场的网络边缘，极大缩短了数据处理的响应时间，满足了露天矿山对实时性要求极高的安全监控和设备控制需求。结合人工智能技术，边缘节点能够进行智能视频分析、设备故障诊断和预测维护等功能。通过对传感器和摄像头数据的实时处理，AI 模型能快速识别潜在安全隐患，如人员越界、高风险工序异常等，并立即发出预警，避免事故发生。

（三）无人驾驶与远程操控技术

无人驾驶技术是露天智能矿山实现作业自动化和安全生产的核心。借助 5G网络的高带宽和低时延特性，无人矿用卡车、装载机、钻机等设备能够实现实时远程操控与自动导航。通过搭载多传感器融合的感知系统，无人设备能够自主避障、路径规划及精准定位，极大提高运输效率和作业安全性 [2]。同时，远程操控中心通过高清视频和实时数据流，监控并调整设备作业状态，解决人员进入危险区域的安全隐患。

（四）数字孪生与三维可视化管理

数字孪生技术通过建立矿山实体的高精度数字模型，实现对矿山全生命周期的实时映射与管理。结合 5G 网络的高速数据传输能力，数字孪生系统能够实时接收感知层设备和传感器反馈的环境与设备状态数据，动态更新矿山的数字模型。三维可视化管理则将这些数据以直观的图形界面呈现，帮助管理者实时监控矿山的作业状态、设备运行情况及环境变化，提升决策的科学性与及时性。数字孪生还能基于历史数据和 AI 预测，为矿山生产调度、安全预警和维护计划提供模拟分析支持，实现预测性管理。

四、5G 网络下露天智能矿山的应用场景

（一）生产调度优化

基于 5G 网络的高速、低延时特性，露天智能矿山的生产调度实现了信息的实时互联与协同。通过传感器和无人驾驶设备的精准数据采集，系统能够动态监控矿卡、装载机等关键运输设备的位置和状态，智能调度平台基于大数据和人工智能算法，实时优化运输路径和作业顺序，有效避免设备冲突和空载运输现象。调度指令通过5G 网络快速传输至现场设备，确保调度调整及时响应。

（二）安全生产管理

安全是露天矿山生产的核心重点，5G 网络赋能的智能安全管理系统能够实现全方位的实时监控与预警。通过部署高清视频监控、环境传感器和人员定位系统，安全管理平台实时采集现场数据，利用人工智能算法识别异常行为或危险状况，如人员进入禁区、机械异常运行或突发环境变化。预警信息通过 5G网络迅速传达到管理人员和作业人员，配合自动化报警系统，及时采取应急措施，防止事故发生。

（三）设备管理与预测性维护

设备是矿山生产的重要资产，其运行状况直接影响作业效率和安全。基于5G 网络的设备管理系统通过传感器持续监测设备振动、温度、油压等关键指标，实时传输数据至边缘计算节点进行快速分析。结合人工智能的预测性维护模型，系统能提前识别设备潜在故障，科学制定维护计划，避免设备突发停机和生产中断 [3]。预测性维护不仅降低了维修成本，还延长了设备使用寿命，提高矿山的运维效率和安全水平。

（四）环保监测与智慧能源管理

露天矿山的环境保护和能源管理同样是智能矿山建设的重要内容。借助 5G网络连接的各类环保传感器，系统能够实时监测矿区的粉尘浓度、噪声水平、有害气体排放等环境指标，及时发现环境异常并触发治理措施。智慧能源管理则通过对矿山用电、燃料消耗等数据的全面采集与分析，优化能源使用策略，降低碳排放和运营成本。5G 网络保障了数据传输的连续性和实时性，使环保和能源管理系统能够与生产系统协同运行，实现矿山绿色可持续发展目标。

五、结论

5G 网络凭借其高速率、低时延和大连接能力，有效支撑了矿山生产调度、安全管理、设备维护和环保监测的智能化升级。通过网络切片、边缘计算与人工智能的融合，实现了矿山多样化业务的高效协同和实时响应。无人驾驶技术与数字孪生系统的引入，进一步提升了矿山作业的自动化和可视化管理水平。未来，应加强技术创新与标准建设，推动智能矿山系统的全面推广与应用，实现矿山生产的高效、安全与绿色发展。

参考文献：

[1] 葛虎胜 , 宫福会 , 孙炎炎 , 等 . 双 5G 网络下露天智能矿山系统构建与应用 [J]. 金属矿山 ,2022(9):167-173.

[2] 李向春 , 周文平 , 程俊生 . 50⁺ 数字化矿山智能管控系统的研发与应用[J]. 新世纪水泥导报 ,2024,30(5):1-4.

[3] 曲业明 , 付恩三 , 孙宝志 , 等 . 露天矿山智能视频识别系统平台应用研究 [J]. 露天采矿技术 ,2021,36(6):24-27,31.