5G+智能矿山的山西实践*

刘 晔，王云珠

（山西省社会科学院，山西 太原 030032）

5G 是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。2019 年我国正式开启5G 商用时代，依托高速率、低时延、广连接等独特优势，地面5G 应用场景不断拓宽。山西作为煤炭生产大省，紧抓开展能源革命综合改革试点的重大机遇，认真贯彻落实八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，推动智能化技术与煤炭产业融合发展[1]，积极探索智能化矿山建设的新路径、新模式。阳泉煤业（集团）有限责任公司（现更名为华阳新材料科技集团有限公司，文中表述延用原名并简称为“阳煤集团”）新元煤矿，积极引深5G 与智能矿山融合运用，填补5G 煤矿井下应用全国空白，建成全国首座5G 煤矿，树立了全省乃至全国煤矿智能化建设的标杆，为全国推进煤矿智能化建设提供了可借鉴可复制的山西经验。

1 5G+智能矿山的建设举措

5G 技术在煤矿领域的应用不仅受诸多技术因素影响，而且涉及井下复杂环境，推进过程一波三折，需要创新引领，不断探索实践。

1.1 超前谋划及先行先试

2019 年5 月25 日，阳煤集团在北京组织召开了5G 技术矿井应用研讨会，邀请中国煤炭工业协会副会长刘峰、中国矿业大学（北京）副校长孙继平等专家共同对5G 技术在煤矿的应用进行研讨。同年11 月18 日，新元公司成功开通全国首个井下5G 测试基站并实现高清视频回传。经初步优化，单个基站可以有效覆盖400 m 巷道，下行速率大于800 Mbps，上行速率大于70 Mbps，空口时延小于20 ms，基本满足实际需求，标志着5G+智能矿井建设迈出关键的一步。

1.2 确定方案并有序推进

阳煤集团与中国移动通信集团有限公司、华为技术有限公司三方共同研究确定组网方案，井下部分采用4G/5G 双模大增益、定向外置天线+分体式分站，满足“4G+5G”网络协同覆盖。分站至主站采取回传光路交叉部署，主站连接双环路光交换机。边缘计算服务器配置在光交换机与已有融合调度平台服务器之间，处理边缘计算业务。方案满足工业应用安全冗余需求，同时可实现地面工业厂区5G 网络全覆盖。

2020 年4 月29 日，新元公司取得全国首个5G无线传输设备煤安认证，其井上、井下5G 网络的开通和优化工作全部完成，取得以下主要成果。

1）研发完成5G 无线通信传输速率时隙配比优化。由于民用的2∶8 上下行时隙配比（上行速率为200 Mbps，下行速率为800 Mbps）不能满足井下数据实时上传需求，合作三方联合研发完成了上行峰值速率1 100 Mbps、下行峰值速率300 Mbps 的时隙配比为3∶1 的典型工业应用5G 网络。

2）完成独立组网+边缘计算整体部署。数据处理不出矿，满足工业现场低时延、高安全要求，并实现工业环网与5G 网络数据的互联互通。

3）针对井下无GPS 的情况，由主站上游设备完成同步授时。

4）井下分站可同时发射3 种制式、2 种频段网络，最大传输速率为20 Gbps。

5）成功申报山西省科技厅“2020 年度山西省高新领域重点研发计划”——基于5G 通信的全矿井无线覆盖关键技术研究项目。

2 5G+智能矿山的应用探索

5G 下井，无经验可借鉴，无模式可参考。新元公司与中国移动通信集团有限公司、华为技术有限公司联手，通过井下5G 专用网络成功实现了机电硐室无人巡检、掘进面无人操作、综采面无人操作等应用场景，打造了5G 与煤炭行业融合的“样板间”[2]，在推动5G 技术与煤矿智能化融合运用方面取得了丰硕成果。

2.1 煤矿固定岗位无人值守探索测试

在新元公司的9 号煤中央配电室和水泵房，通过5G 网络实现了硐室固定高清视频、机器人监测数据、移动高清视频回传和机器人动作实时控制。通过探索基于5G 技术的远程机器人巡检技术，为解决井下设备无人巡检提供技术支撑，推动井下安全监测、大范围传感接入和视频识别预警等应用场景的研发。

2.2 井下综采工作面5G 应用探索测试

新元公司在31004 工作面设备列车处覆盖5G网络，工作面集成的数据通过接入设备实现了5G网络上传，实现了地面对工作面“三机” （采煤机、刮板输送机及液压支架）等设备的远程控制，以及工作面视频的回传显示。综采工作面是一个复杂的人-机-环境系统，未来，该公司将探索基于5G 技术的综采工作面高清视频大容量同步传输和生产监控数据低时延远程交互技术研究，解决当前困扰综采工作面移动设备远程实时控制难题。

2.3 井下掘进工作面5G 应用探索测试

纵轴式掘进机实现无人化掘进是一个世界难题，新元公司计划在31006 掘进工作面投入使用EBZ160 掘进机，探索搭建基于5G 技术的掘进设备远程操控试验测试平台，通过5G 网络实现矿山井下巷道掘进视频回传、运行监测，进行远程模拟井下实时操控。研究5G 技术应用在危险区域设备远程操控方面的关键技术，可为将来实现更高智能化程度的掘锚一体化作业奠定基础。

3 5G 技术在煤矿生产中的应用优势

结合新元公司的应用实践，未来5G 技术在煤矿生产中有以下典型的预期应用，可带动煤炭行业发生根本性变革，实现数字化转型和智慧发展。

3.1 5G 助力矿井监测监控安全、高效、可靠

5G 技术能更好地为煤矿智能化开采提供优质服务。对于有线工业环网来说，煤矿井下采掘头面环境复杂，末端通信光纤易损坏、难维护，不能保证数据安全可靠传输，而现有无线通信技术不能满足煤矿智能化开采的信息与技术需求。5G 大带宽、低时延和广连接的特性以及微基站、切片技术和端到端的连接新模式有效保障了煤矿智能化开采的数据传输处理需要，保证了矿井监测监控数据的安全、高效、可靠传输。

3.2 5G 助力矿井无人化

传输高时延导致的生产实时性控制实现困难是制约煤矿智能化开采全面应用的重要因素。在现有网络中，生产实时性控制所需的各类监控、报警、传感、视频等信息（信号）的远程传送主要依托传统的基于分组交换的传输网络。受技术体制固有缺陷和路由器、交换机等设备固有性能的影响，网络远程端到端时延较大，难以满足各类高实时性业务需求。在实际生产活动中，出于安全考虑，生产实时性控制难以基于现有网络实现，影响了煤矿智能化开采的全面普及。

5G 低时延的特征为实现实时性控制提供了技术支撑，立足5G 的“三无”场景将有望实现。

采掘头面无人操作：基于5G 的综采工作面高清视频大容量同步传输和生产监控数据低时延远程交互技术可实现综采工作面移动设备远程实时控制；基于5G 的危险区域掘进设备远程操控关键技术可实现更高智能化程度的掘锚一体化无人作业。

设备硐室无人巡检：基于5G 的井下安全监测、大范围传感接入和视频识别预警技术可实现井下设备无人巡检。

运输车辆无人驾驶：基于5G 的高精实时定位与应用服务可实现井下胶轮车无人驾驶。

3.3 5G 助力矿井透明可视化

目前，煤矿井下很多控制系统都实现了远程集中监测，设备运行的电流、电压、温度、振动等参数以及视频信息都已传输至地面集控中心，但是受网络带宽的限制，现在的视频清晰度较低，不能满足远程控制的需要。

运用5G 技术在地面就可以直观、实时地看到井下采掘作业活动，使看井下就像在看地面一样。另外，结合智能视频分析技术可实现对作业现场人员操作行为、设备运行状况、环境变化情况等的智能识别，有效管控作业安全，从而实现从“雾里看花”监测到“身临其境”操控的转变。

3.4 5G 助力矿井万物互联

将5G 技术应用于矿井，可打通不同层面的管理平台瓶颈，实现全流程、全方位管控；可通过安全生产运营管理系统（Operational Management System，OMS）、企业资源计划 （Enterprise Resource Planning，ERP）系统、设备全生命周期管理系统，实现安全生产大数据的网上实时更新和移动端使用，使决策层能够随时、直观、全面、准确地掌握安全生产数据和信息，及时针对安全生产进行决策；可使用移动视频终端设备，如带摄像功能的头灯、防爆执法记录仪等，实现井下安全检查、安全监管动态管理。

3.5 5G 助力矿井设备远程协同运维

随着智能化开采的广泛普及和井下设备复杂度的显著提升，系统的运维远非单人、单工种所能胜任，必须依赖具备专业素养的专家团队持续跟进实施，远程协同运维的态势已经初现端倪。利用5G传输网络的优良特性，辅以虚拟现实 （Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等前沿技术，全息构建现实设备的虚拟模型，通过虚实融合操控等方式，便于专家团队远程感知设备状态、定位故障节点、云端操控维修，实现深度协同运维。

4 以5G 技术助力智能矿山建设的建议

新一轮能源技术革命方兴未艾，先进信息技术与能源行业加速融合，数字化、网络化、智能化发展快速演进，加快煤矿智能化发展是煤炭工业高质量发展、数字化转型的战略要求。煤炭大省山西应把煤矿数字化、网络化、智能化[3]发展作为煤炭工业提质增效的重要推动力，走出一条数字经济和煤炭工业融合发展之路。

1）加强项目申报，示范建设先行。要以项目为载体，抢抓各方面有利机遇，积极申报并力争列入国家智慧矿山建设、 “新基建”等重点项目，通过加快示范项目建设，推动煤炭工业高质量发展。

2）加强顶层设计，强化标准引领。针对5G 智能化矿井安全规程和标准缺失等问题，超前谋划，以制定标准为契机，占领行业制高点。支持企业加快制定全国5G+智能化矿井标准，推动地方标准上升为国家标准，掌握“5G+智能煤矿”标准话语权，引领、推进我国智能化矿山建设。依托太原智能矿山创新实验室[4]，集聚跨行业、跨学科、跨领域的技术创新力量，突出技术研发，在井下5G 专用频段、组网架构、多网融合等关键性问题方面有所突破，加快技术转移扩散，为抢占未来产业制高点提供技术支撑[5]。

3）加强资金扶持，建立产业联盟。矿山智能化改造投资巨大、涉及领域广、技术瓶颈多，并且有一定的投资风险。建议政府或有关金融部门建立专项资金或融资机制，科技部门组织开展产学研对接，成立更广泛的技术应用联盟，推动5G+智能矿山产业技术融合创新，支持、支撑此项工作。在开发通用5G 物联网模组、VR 高清视频、热成像技术以及采用5G+AICDE （人工智能、物联网、云平台、大数据、边缘计算）等方面，加快技术创新和应用，推动矿山智能化发展。