山东能源全球首套矿用5G专网系统为同行业提供“山能方案”

□ 本刊记者 徐天宝／通讯员 范兴驰 孟洋

2020年10月17日，北京。

山东能源集团“全球首套矿用高可靠5G专网系统”（以下简称“5G专网系统”）发布暨煤矿智能开采论坛举行，团队拥有整体系统硬件设计及软件研发全自主知识产权的“5G专网系统”发布亮相。

煤矿智能化建设被认为是中国煤炭工业继炮采、普采、综采之后的“第四次技术革命”。据了解，“5G专网系统”具有专网独立运行、分层环型组网、多元参数平衡、控制面与用户面下沉等四大特点，并创新性采用了矿用边缘计算控制技术来进一步降低时延。经井下采煤工作面实测，现场数据传输最低达到6毫秒，可广泛适用于极端严苛的煤矿生产控制场景，标志着我国煤炭工业第四次技术革命迈进智能化建设时代，填补了世界空白。

使命担当：为行业破冰突围

煤矿井下作业环境不同于其他行业，空间小、温度高、湿度大、光线暗，加之多为常态化移动性地下作业，地质条件经常发生变化，对通信系统及设备的可靠性要求异常之高，主要移动式生产设备的实时监测和远程控制更是要求网络通信不能中断。全球各大煤炭企业至今仍未有实质性解决方案。打破技术桎梏，向世界煤企提供“中国”方案，成为山东能源集团研发团队所有人员的共识。

据介绍，目前煤矿井下应用的通信网络主要包括工业以太环网、4G无线网络、Wi-Fi无线网络、有线调度通讯系统、应急广播、定位系统等。煤矿智能化是新一代信息技术和煤炭开发利用的深度融合，是开采工艺、智能装备、应用软件、网络技术、先进标准等多种要素的集成，更是一种网络化、平台化协同的合作生态。

近年来，煤矿生产智能化程度对网络传输的质量和能力提出前所未有的要求，高带宽、低延时、高可靠的无线传输网络成为实现智能化开采的重要环节和纽带。各大矿业集团均先后提出实现煤矿开采智能化要求。随着煤矿生产智能化程度的提高，智能协调控制系统、高密度传感器接入系统、智能机器人巡检系统、高清视频回传系统等共同组成的设备群，需要通过中心控制系统进行统一协调处理和快速反馈控制。

2018年以来，“中兴通讯”“华为芯片”等连续被国外“卡脖子”的事件深深刺痛着山东能源研发团队每一个人的心。打铁还需自身硬，突破西方制约，唯有贴上“中国”标签，从根源解决对外依赖。正是带着为组织分忧解难、为行业破冰突围的使命担当，山东能源北斗天地矿用高可靠5G专网系统研发实践团队正式组建成立，踏上填补全球矿用5G专网系统空白的攻坚征程。

自主研发：创新技术集大成

“由于煤矿井下开采的特殊要求，5G基站等设备下井必须满足煤矿防爆、特殊电磁环境和使用空间的要求。在产品研发过程中，团队完全遵循国家安全标志中心要求，先后历经40余次更新迭代设计，克服了矿用5G设备功耗较高、信号发射功率受限、井下环境变动导致线缆故障、煤矿生产现场大功率电气设备电磁干扰等难题，按照工业化设计要求，实现了5G专网系统在煤矿井下高温高湿等恶劣环境下长期稳定运行。”山东能源北斗产品线经理彭继国给记者介绍说。

5G专网系统发布会现场

按照产品研发设计、安全标志认证、工程技术实施等分工要求，山东能源研发团队成立了“1+3”团队。“1”即一个技术专家委员会，主要负责研判技术发展趋势，研究开发方向、重大技术问题及项目进展情况的评估决策。“3”即三个技术专班，其中产品研发设计专班具体负责矿用5G系统成套装备设计研发工作及相关知识产权申请；安全标志认证专班具体负责按照国家安全标志中心要求，推进矿用5G系统成套装备认证；工程技术实施专班，具体负责矿用5G系统与煤矿生产业务结合应用及现场工程实施技术工作。

目前，团队设计核心设备采用国产化零部件率为100%，核心芯片国产化率近80%。例如：矿用5G边缘计算控制器、高可靠控制器均采用国产中科曙光海光处理器；矿用5G手机采用海思麒麟国产5G SOC；5G信号转换器采用紫光展锐虎贲系列处理器及春藤系列基带芯片；5G核心网传输设备采用东土科技WX8065网络交换芯片等，有效提高了设备自主可控程度，并直接带动了国内相关产业链发展。

2020年6月17日，国家矿用产品安标中心发布《煤矿5G通信系统安全技术要求》《5G通信系统安全标志管理方案》，规范了矿用5G通信系统的研发和认证要求。同年8月28日，山东能源5G专网系统顺利拿到国家矿用5G系统“安全标志证”，正式宣告矿用高可靠5G专网系统研发成功。

据了解，山东能源5G专网系统取得四大核心优势功能：专网独立运行，核心网直接部署在矿井地面机房，与井下矿用5G设备共同组成一套完整的、可以独立运行的专网系统，不受运营商网络影响；分层环型组网，地面核心网与井下基站控制器之间、井下基站控制器之间、井下基站控制器与基站之间，三个层次均使用环型组网结构；多元参数平衡，充分考虑网络安全、传输速率、系统延时、覆盖距离等多方面因素，专注系统实用性；控制面与用户面下沉，实现关键场景独立运行、现场数据就地转发，将核心网用户面网元独立拆分并下沉至井下。

技术突破：涵盖生产业务场景

“其中的突破之一，就是信号的冗余覆盖。基站采用异频设计，可在同一区域安装2台矿用5G基站，实现5G信号冗余覆盖的同时，避免同频率信号在同一覆盖范围内的同频干扰。同时，核心网元井上下备份部署。将核心网控制面部分网元下沉部署到井下或某一重要区域，实现井下基站与地面核心网断网时，原有业务保持不中断。”研发团队负责人杨木易介绍。

北斗天地公司结合煤矿生产应用场景实际需求，遵循安标中心具体技术要求，开发了适用于煤矿的5G成套装备，包括轻量化核心网、边缘计算控制器、基站控制器、基站、信号转换器、手机等。主要包括矿用5G核心网、5G基站、5G基站控制器、5G高可靠控制器、5G边缘计算控制器、5G CPE、5G智能手机等。涵盖煤矿主要核心生产业务场景，包括5G+采煤、5G+掘进、5G+辅助运输等。

5G+采煤方面，在工作面部署矿用5G基站，汇聚至在工作面顺槽部署的矿用基站控制器。利用自主研发的高精度惯导定位导航及工作面自动取直算法系统，结合5G CPE将高精度惯导装置采集到的采煤机姿态、位置等参数，以及5G高清摄像仪采集的现场视频等信息，高速率、高可靠性、低时延回传至采煤控制中心及矿调度指挥中心，为实现采煤工作面三机一架的有序协同联动和连续高效作业提供技术支撑。

5G+掘进方面，在掘进工作面部署矿用5G基站，汇聚至在集控中心部署的矿用基站控制器。利用5G CPE将掘进机远程控制、定位截割等数据以及5G高清摄像仪采集的现场视频等信息，高速率、高可靠性、低时延回传至集控中心及矿调度指挥中心，进行远程遥控、地面远程控制展示。同时，将5G CPE 集成至掘进面巡检机器人内，远程控制巡检机器人并将工作面巡检的设备状态、环境监测等信息实时动态展示。

应用前景：助推煤矿本质安全

2020年9月24至25日,全国煤矿智能化建设现场推进会在山东能源集团召开，国务委员王勇出席会议并讲话。出席会议的专家认为，山东能源自主研发的5G专网系统在煤炭行业的应用发展，必将推动煤炭行业生产模式、产业组织方式和商业运行机制的颠覆式创新，对煤炭行业产生全方位、深层次和革命性的影响。

一步一步用脚丈量20多对矿井，连续奋战42天，安装部署矿用5G成套装备320余台，完成2个智能采煤工作面、1个智能掘锚工作面、1个智能掘进工作面、2条辅助运输巷道、4个变电所及机电硐室信号覆盖和业务应用。山东能源研发团队成员实现了全球首套矿用高可靠5G专网系统在山东能源集团的落地。

“自动跟机率和记忆截割率达到90%以上，以前综放工作面生产人员每班需要14-16人，现在仅需7人，工效达到156吨/工。”在山东能源鲍店煤矿，现场参观的嘉宾见证了5G专网系统的“神奇”应用。副矿长徐长厚介绍，依托这一系统，鲍店煤矿实现了国内首个真正意义上的智能化综放工作面常态化运行，达到了“国内一流、世界领先”水平。

据介绍，目前山东能源集团已建成80个智能采煤工作面、71个智能掘进工作面、10个智能矿山示范点，36对矿井取消夜班采掘作业，累计减少井下作业人员9700余人，有力推动了煤矿生产安全的进步。因为“把5G技术与煤炭开采工艺相结合，能够大大提高煤矿开采数据可视化、开采过程透明化、开采设备智能化、开采现场少人化的进程，有力促进我国煤矿本质安全生产”，今年初，山东能源5G专网系统研发团队获得山东省“干事创业好班子（好团队）”荣誉称号。

记者了解到，目前山东能源5G专网系统正依托西安、北京、青岛等地的特色资源禀赋，拓展技术、市场、资源的全国战略布局，跟随山东能源集团全球能源战略，以前瞻视野布局全球，开拓5G专网系统技术应用新格局。

5G专网系统设备