5G赋能，拥抱智慧矿山时代

文/任志青

5G技术具有超高速率、超低时延、超大连接的技术特点，能够为煤矿物联网的实现提供有效解决方案，赋能传统煤炭产业的智能化转型

“此时此刻，我所在的位置，是阳煤集团新元煤矿的井下采煤作业区，这里距离地面534米，这里开通了世界首个煤矿井下5G网络，也是世界上距离地表最深的5G网络。这次由新华通讯社为您带来的井下直播，在世界直播史上是第一次……”

6月12日，在阳煤集团新元矿井下534米，跟随新华社记者的直播镜头，全球观众通过5G技术，与煤矿井下生产现场来了一次“零距离”接触。

5月27日，为珠峰“量身高”的队员们，利用5G网络让全世界实时共享和见证了登顶珠峰的盛况，中国5G技术登上了地球之巅。

有高度，就有深度。对于煤炭行业来说，5G技术下井，其作用不仅仅是实时通话和高清视频直播，真正意义在于和实体行业的深度融合，在于促进煤炭产业的转型升级、推动煤炭产业链的生态变革。

为什么要推动5G下井

在500多米深的阳煤集团新元公司井下机电硐室，一个小小的巡检机器人正沿着轨道自主行走。别看它个头不大，本领却不小，能够360度视频监测、音频采集、红外热成像，精准记录设备故障发生的时间、地点以及故障类型。

基于5G技术，它“看到”的所有场景都能够以4K高清视频画面的方式、“感知”到的所有数据都能够精准迅捷地回传到地面总调度室，便于井上对硐室环境、设备进行远程监测；同样是基于5G技术，在地面，就可以对机器人的动作进行实时控制。

从远程监测到远程监控，井下机电硐室的作业方式被彻底颠覆，真正实现了无人值守、无人巡检。

5G为什么要下井？

从通信行业来看。

5G正式商用以来，从云游戏、云AR/VR到个人视频直播等，各种沉浸式实时视频业务成为5G第一波特色应用，显著提升了消费者的个人体验。

不过，在业内人士看来，这些面向消费端的业务提升只是4G服务的自然演进，要真正发挥5G的巨大价值，还要看工业互联网(2B)的应用。

5月20日，工业和信息化部新闻发言人、信息通信发展司司长闻库在国务院新闻发布会上表示，将加速5G应用由2C向2B拓展，加快传统产业数字化转型，开启我国数字经济高质量发展的新篇章。

“5G具有超大容量、高可靠性的超低时延以及高达1000亿的海量物联技术优势，其核心是产业互联网。而矿山是产业互联网上的一个重要市场。”清华大学互联网产业研究院副院长刘大成说。

从煤炭行业来看。

20 19 年，煤炭占我国基础能源生产量的69.3%、消费量的57.7%，是我国能源的基石。煤炭的“压舱石”作用无以替代。

我国现有煤矿5200多处，分布区域广泛，开采地质条件复杂多变，煤与瓦斯突出、冲击地压、水、火等多种灾害并存。推动能源革命，建设安全、高效、绿色的智慧矿山势在必行。

今年2月，国家八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，吹响了我国煤矿智能化建设的号角。

中国煤炭工业协会副会长刘峰表示，煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，代表着煤炭行业先进生产力的发展方向。然而，大容量快速通信一直是智能矿山发展的主要技术瓶颈，5G技术具有超高速率、超低时延、超大连接的技术特点，能够为煤矿物联网的实现提供有效解决方案。煤矿5G技术突破与应用，将有力推动我国智能化矿山建设。

“原有的井下数字通信技术，对于实现煤矿智能化支撑不足，”中国工程院院士王国法认为，“恰恰是5G技术广连接、大带宽、低时延的三大特性，契合了煤矿智能化发展的需求。”

“5G在煤矿是刚需，是安全生产的坚强保障。”阳煤集团党委书记、董事长翟红说，“根据煤矿井下地理条件复杂多变、支护强度大、信号衰减快等特殊条件，在井下推广无线通信意义重大。5G把有线、无线彻底打通，让大家不再因为通道问题而“卡脖子”。它不仅具有大家现在所认识到的语言通信、信息下载等功能，关键是实现了工业监测监控的安全可靠性，更是井下安全生产的有力支撑，起着无人、少人的关键作用。”

从信息化到网络化再到数字化，从自动化到少人化再到无人化，5G下井，赋能传统煤炭产业的智能化转型。

在阳煤集团新元公司调度中心，实时感受5G智慧矿山的魅力

5G下井克服了哪些困难

6月18日上午，全国首座5G煤矿落成发布会采用“现场+线上”方式，在太原、北京两地举行。在阳煤集团新元煤矿落成的全国首座5G煤矿，由阳煤集团与中国移动、华为公司联手打造。

2019年9月5日，阳煤集团、中国移动、华为公司成立5G通信煤炭产业应用创新联盟；2019年9月21日至10月1日，经过多次深入研讨，确定新元公司为阳煤集团5G技术矿井应用试点。

“选择在新元，一是新元公司是一座年轻的煤矿，信息化、智能化基础较好；二是新元公司属于煤与瓦斯突出矿井，开采条件相对复杂，在这里试点成功，后续会具有较强的推广价值。”翟红介绍。

5G与煤矿的结合应用，业内尚属空白，加之井下环境复杂，所有的工作都是一边摸索一边研究。

在中国矿业大学（北京）原副校长、教授孙继平看来，5G下井，首要的是要解决防爆问题，否则，极可能引发瓦斯爆炸，好事变坏事。

针对设备安全问题，创新联盟对5G基站进行了特殊防爆改造，成功研发出首款矿用5G基站，于2020年4月28日获得全国首张5G基站防爆、煤安双认证。

“过去，我们开发应用的5G基站，主要应用在地表。虽然也做了很强的防水、防尘、防盐等方面的防护工艺，但当设备应用到井下时，环境变得更加复杂，除了满足防爆要求之外，还要通过结构化改造，对设备其他方面的防护等级进一步升级。另外，井下环境狭小，要求我们把基站做得尽量小型化，但功能要尽量强大。”华为公司全球5G市场部部长赵志鹏介绍。

更多的创新也让一个个问题迎刃而解，保证了5G顺利下井。

——精准授时。传统的地面5G基站，需要使用卫星定位系统进行精准的同步授时。如果时间不能同步，设备之间的数据传输就会产生误差，如同生活中两个人握手，一个已经伸出了手，另一个的手却还静静袖着——对于工业而言，则失之毫厘，谬以千里。“在井下500多米，显然无法接收卫星信号。为此，我们专门研发了井下5G基站网络同步授时技术，精度为100纳秒以下，也就是亿分之一秒，保证了网络的高可靠性、可高控性、超高安全性。”中国移动山西分公司能源行业5G技术总监吕乐介绍。

——超千兆上行。“5G应用于生活，普通消费者更多的是下行需求，但对于井下，则是监测数据上传量大、指令下传量小。”赵志鹏说。为此，创新联盟将传统大下载的上/下行2:8 时隙比研发为大上传的上/下行3:1时隙比，单台基站上行峰值速率达到1100Mbps以上，下行峰值速率达到300Mbps以上，满足了工业上传下控典型应用需求。

——数据安全。“我们部署全国首个‘独立组网+边缘计算’架构，实现了主数据处理不出矿，确保了数据安全，降低了数据传输时延。”吕乐介绍。经实际测量，传输时延小于20ms。

根据井下巷道起伏变化的特性，为保证5G网络性能，创新联盟还研发了大功率分体式矿用5G BOOK基站和矿用大增益天馈，确保通过两个5G基站，就可以为煤矿最复杂的一个综采工作面提供完整、全面、有效的5G网络服务。

中国矿业大学（北京）校长葛世荣认为，在500多米深的井下，5G网络依旧能够安全、稳定运行，并且成功解决基站设备安全、网络授时、上行数据传输、矿山信息安全等难题，这为矿山5G技术的应用闯出了一条新路。

5G下井现在能做什么

“目前正在小列车集控室，进风巷工作面情况正常。”一通视频电话“搭乘”5G网络，从地下534米处打来；井上调度中心里，巨大的电子屏实时显示着矿工采煤场景，井下瓦斯浓度和温湿度等指标一览无余；技术人员正在进行远程监控操作。

在山西阳煤集团新元煤矿，5 G 与工业互联网的“联袂出演”，让这座传统煤矿实现着智能化嬗变。

5G因其显著的性能优势，正革新着传统井下作业模式。

近年来，井下很多控制系统都实现了远程集中监测，但受限于网络带宽的限制，视频清晰度相当于“雾里看花”。和4G小于20Mbps的上行带宽相比，阳煤新元5G专网具有超千兆上行带宽，使单站拥有同时传送50路以上4K高清画面的能力，结合视频智能AI分析技术，让技术人员从“雾里看花”到“身临其境”——井上看清井下。

生产实时性控制一直是煤矿智能化开采“卡脖子”的难题。相较于4G、WIFI大于50ms的时延，5G小于20ms的低时延、快切换和抗干扰、高可靠的能力，使远程控制成为现实——井上控制井下。

在井下工业环网的末端，传统方式是敷设大量复杂的通信线缆。通过5G无线传输，可以轻松“剪”掉设备通信线缆，方便设备移动，大大减少通信线缆敷设、维护、排障工作量——末端设备轻松“剪辫子”。

5G海量连接和大带宽的特性，使井下每个系统一张网、信息互相隔离的情况成为过去。同时，融合统一的数据借助边缘计算能力，使数据统一运算成为现实——井下万物互联、多网归一、统一运算。

阳煤集团新元公司副总经理王海钢介绍：“目前我们在新元煤矿，主要推出机电硐室无人巡检、掘进面无人操作、综采面无人操作三项5G应用，帮助煤矿实现矿井无人化、自动化、可视化运行。”

机电硐室无人巡检应用，针对煤矿企业机电设备在长期运行过程中易发生故障的现实量身定制，降低了工作人员的劳动强度和风险，有助于提高巡检质量与效率。

掘进面无人操作应用，可以进行远程操作截割和支护作业，实现了掘进作业的远程安全精准操控，有效解决了传统人工作业操作危险系数大、劳动强度高的问题。

综采面无人操作应用，解决了井下设备运行过程中线缆维护量大、信号经常缺失等问题，为远程操作人员提供全景高清作业视野，既有效降低危险作业区域安全事故发生率，也节省大量人力物力。

“近年来，阳煤集团以新元公司为代表，推广应用综采工作面自动化开采技术，井下系统已减少操作人员321人。随着5G技术的应用，有望在产能进一步提升的同时，再减少1000人。”翟红表示。

5G未来还需要做什么

6月9日，阳煤集团与中国煤炭工业协会签署了5G+工业互联网与智能化矿山建设企业技术标准框架协议，双方将依托各自优势，借助阳煤示范项目的原创和先发优势，研究制定煤矿5G总体网络框架、工业互联网应用平台及相关技术要求标准，推动5G深入应用和煤炭产业高质量发展。

“智能矿山，标准先行。”刘峰表示，“标准化应用是煤矿5G应用和智能矿山建设的重要技术基础。”

翟红同样认为，制定煤矿5G技术指导性规范和推荐性标准，有利于指导企业更加科学、有效地开展5G技术井下应用。尤其是需要明确井下5G专用频段、组网架构、多网融合等关键性问题。

“中国煤炭工业协会、中国煤炭学会将按照‘即用先行、开放合作’的原则，联合通信运营商、设备提供商等，尽快开展相关标准研究工作，并在企业技术标准的基础上，逐步推动升级为行业标准和国家标准。”刘峰说。

结合应用场景对5G网络进行设计优化，深入推进各链条的“剪、看、控”能力，同样是工作重点。

据中国移动上海产业研究院副总经理陈豫蓉介绍，下一步，要提升5G网络能力，开发通用5G物联网模组，实现现有设备“即插即用”5G化升级，让“剪”得放心、“剪”得方便；通过VR高清视频、热成像、激光扫描、智能AI识别等技术的不断升级，提供更加自主灵活的视角，实现暗环境画面可见，让“看”得更全面、更智能；利用5G+AICDE，让“控”得更智能。

要切实推动煤矿5G落地应用，还应该是整个煤炭上下游产业链的行为。

“5G技术为工业现场提供了大带宽、低时延数据传输链路，在井下动态环境实现了可靠的无线传输，由此倒逼我们转变思路，推动基于5G技术的设计理念变革，加大基于5G传输技术的煤矿设备及其智能控制系统的研发。”翟红说。

上海创力电气研究院院长石勇直言，过去，因为没有数据传输通道，采掘设备很多环节上并没有加装传感器。现在，设计人员的思维方式需要彻底转变。

天津华宁公司总经理吴国强表示，基于5G技术，在后续巡检机器人的研发上，要考虑巡检模式和智能识别的功能拓展，考虑电池性能的改善提高，等等。

5G下井，将推动煤炭产业链的巨大变革。而5G工业应用研发投入大，涉及领域广，这就需要政府、行业、企业通力合作，成立更广泛的技术应用联盟，互有重点、互通有无、互相借鉴，扩大5G+智能煤矿产业生态圈。

“在很近的将来，5G会变成像水、电、煤一样的基础设施。当前，越是早投入5G应用领域的创新，越会更早地抢占市场先机。华为公司将会和全球的合作伙伴一起，共享经验，统一标准，共同推动5G给千行百业带来更多价值。”赵志鹏说。

可喜的是，6月18日上午，由中国移动联合清华大学、中国矿业大学（北京）、阳煤集团、中煤科工、华为公司等70多家单位，成立了5G智慧矿山联盟。联盟将以5G智慧矿山建设为载体，联合各方力量构建智慧矿山合作平台，加快关键核心技术突破，引导资源共建共享，推动5G与矿山行业融合创新。

5 G 赋能，智慧矿山时代，来了！