国内首个井下光波导AR眼镜在国能乌海能源老石旦煤矿入井实用

2022年2月10日下午，中国工程院院士、科学技术部党组成员、副部长邵新宇在北京通过视频与国家能源集团乌海能源有限责任公司老石旦煤矿在井下值班的矿长赵常辛连线通话，对老石旦煤矿智能化矿山建设取得的成果表示赞赏，鼓励该矿要不断拓展新型科技装备的应用领域，切实让科技为煤炭企业发展赋能。而支持这场通话顺利进行的智能化设备之一，就是赵常辛矿长所佩戴的国内首个获得煤安认证的光波导AR眼镜，这也正是乌海能源老石旦煤矿加大智能化装备投入力度、推进矿井智能化升级改造和产业转型升级取得的阶段性重大成果。

随着煤炭行业深入贯彻落实八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，2016年以来，全国煤矿井下作业人员减少了共计37万人，我国煤矿安全生产形势打开了智能化时代的新局面。然而，智能时代的安全生产也面临着新的问题，需要新的解题思路。

少人化无人化的智能矿山，以人为本却仍是重中之重

机进人退是煤矿智能化的特征和目标，但这似乎也正是新时代背景下，煤矿安全生产所面临的短板。一方面，5G、云计算、大数据、人工智能、数字孪生等新一代信息技术赋能下的煤矿智能化场景对人员的技术水平要求越来越高，迫使众多企业组建大学生智能班组来适应现场需要，高端人才的缺口显然已经成为了煤矿企业所面临的一个重大问题；另一方面，装备没有自愈能力，在井下复杂多变的恶劣环境中，越是智能化，可能面临着越高的维检要求，而这项工作显然还是需要人来解决。

由此可见，以人为本仍将是煤矿企业保障安全高效生产的核心价值观，只不过这里的“人”更加偏重于拥有新兴科技知识和经验储备的高端人才。对于传统矿山而言，高端人才是稀缺的。显然，通过优化本地人才，发挥存量作用、延伸增量能力成为破局之道，XR（VR/AR/MR）则堪当重任。

XR赋能智慧矿山，老矿井如何拥有新能力？

作为一家已经拥有五十多年开采历史的企业，乌海能源公司有着很强的改革创新欲望，明确提出“建设精干高效的企业”。在这一发展目标下，2021年5月，乌海能源信息技术公司与新一代XR（VR、AR、MR）+工业解决方案的引领者南京禹步信息科技有限公司共同开展了《5G+XR技术在智慧矿山领域的研究与应用》课题。

这一课题的目的就是通过打造5G+XR智慧矿山解决方案，让XR云和智能终端实现5G实时互联，为一线人员提供基于XR技术的远程故障诊断处理、远程事故救援指挥、智能隐患排查、智能设备巡检、远程式作业指导与培训等服务，有效解决煤矿及洗煤厂面临的招工难、维检难、事故处理不及时、人员培训方法陈旧等问题。

经过联合攻关，项目取得了丰硕的成果：

一是研制了适用于现场的井上下远程协作AR智能穿戴设备，将国内首个获得煤安认证的AR眼镜应用于井下，解放了一线职工双手，让远程监控、智能巡检、在线标注协作等实现业务随行，充分提升职工现场处置能力；

二是研发了矿山XR+AI基础平台，形成了包含现场端、协作端、管理端、云后台的平台架构，通过构建“云大脑”的中心化能力，提供保障项目有效运行的基础算法算力和云服务，以数据中台的底层能力赋能不同的应用场景；

三是研发了矿山XR应用平台，主要涵盖远程故障诊断、安全巡检、作业指导、应急指挥四个方面的应用。通过AR设备，让普通职工在“云大脑”上实现了能力外延和知识经验的沉淀。

目前，该课题项目已经应用于生产实践，分别在乌海能源老石旦煤矿和老石旦选煤厂进行井下AR和地面MR应用。

那么，XR的创新能力体现在哪里？

在老石旦煤矿的项目中应用的光波导AR智能眼镜率先在行业内取得了煤安证书，并且是目前为止唯一一家，这就无形之中成为了企业在市场竞争中的一项核心竞争力。

作为能够在煤矿领域应用的AR设备，比起同类产品，其在各方面的功能上会有更高的要求。

首先是工况条件的适应性方面，特别针对AR眼镜在井下复杂的环境条件进行了研究，包括高噪音、高粉尘、高湿气、低照度、不稳定的网络环境等，这款眼镜在防水、防尘、防噪音、信号处理等方面都有很好的表现。其次是设备的核心能力方面，其计算单元与成像单元分离，成像单元采用阵列光波导技术，形态类似于普通眼镜，透光率高达50%，画面更清晰，对于井下视频数据处理、虚实结合的三维展示、实时音视频通话、在线标注分析等方面做到低延时、高流畅度的展示体验，可长时间连续使用，更加符合矿用需求。第三是在通信方面，该设备的计算单元支持接入4G、5G、WiFi信号，适合当前绝大多数矿井的主流网络，随时随地可以进行远程通讯，未来随着5G的逐渐普及，大带宽、低时延、广连接的特性将进一步提高即时通信效果。第四是在便捷性方面，该AR眼镜舒适灵巧，佩戴方便，小巧便携，并且可与防爆智能手机进行对接，进行功能拓展，进一步解放一线职工双手。

当然，仅有前端的AR眼镜还不足以支撑工业需求，势必要构建一套数据汇集、知识沉淀、流程清晰、协同操作的管理平台，才能发挥最大价值。

在老石旦煤矿部署的AR 远程协作系统，建立了完善的AR管理应用体系。

该系统以XR云平台为核心，将AR眼镜端（现场端）、远程专家端、本地管理端进行充分融合，打通协作体系，并将现场数据、专家经验、会诊记录等在数据仓进行知识沉淀。其中，XR云平台能够提供XR模型库、知识库、专家库、音视频通话、语音识别、数字孪生模型等保障项目有效运行的基础算法算力和云服务；远程专家端则在物理空间充分延伸了系统的专业弹性，让远程协作专家能够通过PC和移动设备等进行访问，并针对现场情况进行实时指导。

正是在这一套软硬件系统的支持下，老石旦煤矿才能以此为基础，开发出不同的应用场景。

老石旦煤矿，构建丰富的5G+XR应用场景

在远程协作方面，实现解放双手的第一视角远程交互，打破疫情、安全等时空限制，提升井上下协作效率。当井下遇到现场无法解决的问题时，可利用XR远程专家协作系统，请地面专家进行指导。专家通过XR眼镜分享的第一人称视角画面，快速感知现场状况，在PC或者手机端提供解决方案，并在实时共享的画面上进行标注，最后以端到端分享、音视频沟通等形式，“手把手”地帮助现场人员解决实际问题。

在设备故障诊断与处理方面，通过所见即所得的知识图谱赋能一线员工成为超级专家，有效解决疑难杂症。XR提供了丰富的专家知识库，煤矿设备资料沉淀在系统中，各类图纸、音视频素材通过语音命令或扫码，随时调取查看，让现场人员身临其境地查阅或一键直达远程专家，极大地延伸了现场机电运维人员的能力水平，有效解决了维修力量薄弱、故障处理不及时和专业人员资源不足等问题，为企业降本增效奠定坚实的基础。

在智能巡检方面，提供“看向哪取证哪”的高效巡检，塑造“一专多能”巡检员。XR平台提供“拖拉拽”式的可视化编辑工具，快速形成巡检任务并发布至眼镜端，一线作业人员在巡检过程中随时记录现场问题，通过照片、视频等形式上传远程平台进行巡检归档，无需再通过手动录入现场问题，极大地提高了巡检工作效率和质量，有效解决煤矿井下隐患隐蔽性强、人为干预多、标准掌握不统一、巡检问题处理不及时等问题，确保安全生产。

在作业指导方面，提供无人化“手把手”的作业指导与智能监护，实现透明化管理。通过可视化的操作指引，使员工在一线环境下接受作业指导，煤矿管理者还可随时调用现场员工的摄像头进行远程监护，如临现场，从而落实标准作业流程的执行情况。

在远程应急救援指挥方面，即时和即视的画面保障和救援决策快速研判下达，最大限度减少损失。5G+XR不仅能让一线人员的第一视角画面及时反馈至调度指挥中心，还具有调度端和现场端的双向一键报警功能。在应急情况下，远程联动及时应对突发状况，有效解决企业分布边远、事故指挥救援不及时等问题，有效控制事故扩大，减少事故损失。

随着《5G+XR技术在智慧矿山领域的研究与应用》课题研究的不断深入，乌海能源信息技术公司与南京禹步信息科技正在形成不断迭代的智能知识库，助力老石旦煤矿打造“超级矿工”。5G+XR平台作为“云大脑”能够记录XR设备采集到的海量现场图片和视频，通过数据清洗和标注，形成数据湖，逐步沉淀矿山大数据，经过算法的不断迭代，有效形成知识图谱和预测性维护模型，助力企业数字化转型迈上更高台阶。