基于5G的水泥行业数字矿山应用场景及网络建设难点

赵慧杰，张学智，谢东

（1.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209； 2.中国电信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

5G具备更低的时延、更高的速率、更大的接入数量、更高的稳定性，有望成为未来工业互联网的网络基石，解决工业设备互联互通、设备上云的数字化转型难题。2019年11月，工业和信息化部发布《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，指出到2022年，将突破一批面向工业互联网特定需求的5G关键技术，加快垂直领域“5G+工业互联网”的先导应用，内网建设改造覆盖10个重点行业。2021年1月13日，工业和信息化部发布《工业互联网创新发展行动计划（2021－2023年）》，明确提出到2023年，进一步完善新型基础设施，在10个重点行业打造30个5G全连接工厂。

我国是水泥生产和消费大国，水泥产量占世界水泥总产量的60%左右。水泥行业作为我国建材工业的最大板块、基础建设的重要工业之一，面临淘汰落后产能、优化产业结构、推进企业联合重组、化解产能过剩、加快两化融合、实施智能制造战略的发展需求，处于行业数字化转型的关键阶段，需要应用5G网络融合工业互联网技术对企业安全生产和精益管理等方面进行整体提升。5G通信网络结合人工智能、无人机、物联网等技术，将加速水泥行业转型升级，推动其高质量发展。

水泥工厂为节约运输成本，就近加工，通常靠近矿山而建，涉及矿区开采、矿石研磨、生料加工、回转烧结、熟料加工、成品储运等环节，作业区域主要为矿山、厂区（工厂产线）两大部分。其中，在空旷的矿区存在安全问题突出，作业环境恶劣、招工难、生产效率低下等问题。水泥行业石灰石开采属于典型的露天矿模式。光纤接入困难，传统4G蜂窝网带宽不足且稳定性安全性欠佳。5G作为新一代无线通信技术，是矿山网络覆盖的理想解决方案。本文分析了矿山5G应用的主要场景及网络诉求，结合水泥5G数字矿山实际部署经验，重点分析了目前网络建设的难点，并提出了初步解决方案及建议。

2 5G智慧矿山业务场景及网络需求

5G水泥行业智慧矿山的业务场景主要有无人机矿山爆破警戒、无人机矿山3D建模、矿车无人驾驶等。

2.1 无人机矿山爆破警戒

水泥生产所需的矿石原料开采需预先对矿区进行爆破，以使埋在地下的矿石暴露，因此矿区的爆破是矿石原料开采的一个重要环节。水泥原料石灰石矿山大多处于半开放状态，覆盖范围几千米，周围难以完全封闭，时常有村民误入。在矿坑爆破前，需要拉警戒线避免人员闯入被炸伤，传统通过人工巡检方式效率低下，且存在巡检范围死角，无法完全杜绝人员误入，目前矿山仍普遍存在爆破引起人员死伤的情况。通过5G无人机航拍巡检，结合AI图像识别和人员定位，可实现智能爆破警戒，无人机加载4K超高清摄像机，通过5G大带宽、低时延网络，实时将现场视频传到边缘计算服务器，在边缘端部署AI算法实时检测人、动物、矿车等异常情况并实时告警，同时可在无人机加载高音喊话装置，用于驱散闲散人员。中国电信通过与客户合作试点，实现将警戒覆盖范围从500 m扩大到2 km，将原来2 h的人工检查工作量降低至0.5 h，有效地提高了生产效率，减小了安全事故发生系数。

5G无人机AI爆破警戒的主要业务场景及网络需求见表1。

表1 5G无人机AI爆破警戒主要业务场景及网络需求

2.2 无人机矿山3D建模

矿山开采后需及时更新地形地表信息，传统方式为通过软件手工输入采矿点、经纬度等数据，再由软件自动生成数据，效率较低，准确性差。通过无人机航拍矿山地表信息，通过5G网络回传到地面接收装置，进行预处理，预处理后的数据发送给3D建模服务器（可部署在本地MEC或云服务器上），实现矿山三维建模，自动完成环境扫描和地图刷新，进一步通过行业软件，进行土方量测算及挖掘车运输车的路线及排产规划，该系统能有效提高水泥矿山开采生产效率和自动化智能化管理水平。由于基于目前业界的运算能力，矿山建模运算要一周的时间，在此基础上还需要人工进行调整，因而对于该场景实时性要求较低。

5G无人机矿山3D建模的主要业务场景及网络需求见表2。

表2 5G无人机矿山3D建模的主要业务场景及网络需求

2.3 矿车无人驾驶

矿山主要车辆类型有运输车、挖掘机、加油车等。通过矿山质量信息安排排班计划系统结合矿卡调度系统给运输矿卡车辆下发驾驶指令，车辆根据指令要求的行驶路线自动驾驶到目的挖掘地点，并实现倒车入位、精准停靠、自动倾斜等车辆控制行为。通过5G网络可以实现车辆监控及调度系统，除采集车辆实时运行信息、设备油耗数据、车辆位置信息等基本运行数据外，还可通过多路超高清摄机用于对车内驾驶员视野和车外路况的监控。单车需要5～7路高清摄像机。4～6路车身摄像机和1路车内摄像机，可增加视觉辅助能力，对远距离和多目标进行实时自动识别。由于石灰石矿山存在大量山坡地形，运载路线通常沿山坡从山上向山下运行，矿车载重约105kg，惯性极大，当矿车行驶出现异常情况，需要远程干预，接管车辆控制驾驶权限时，因而需要较大的提前量判断，单向网络时延要求较高。以矿车行驶速度为30 km/h测算，1 m制动距离仅有120 ms反应时间，其中扣除机械传导大约50 ms，软件运行10 ms，视频处理30 ms，网络反应时延仅剩30 ms。

矿车无人驾驶主要业务场景及网络需求见表3。

表3 矿车无人驾驶主要业务场景及网络需求

3 5G网络矿山覆盖案例分析

水泥石灰石矿山多为地上露天矿，按照地形条件分类又存在山坡露天矿和凹陷露天矿两种。矿山地形复杂且供电困难，光纤布放受限，矿坑低于地平面，道路、作业易被山体遮挡，网络覆盖差，存在站址选择难、覆盖存盲区、矿山三维建模困难的问题与挑战。本文选取某客户矿区开展了5G网络覆盖试点验证。

3.1 矿山5G网络覆盖方案

矿区采用3.5 GHz 64T64R室外站进行网络覆盖，根据地形条件，确定了位于矿区周边3个高点的基站部署位置，基站对矿区内部进行宏基站覆盖。

3.2 网络测试结果

采用路测（drive test，DT）方法，对5G网络的相关关键数据进行了测试。通过测试获得的矿山平均小区参考信号接收强度（reference signal received power，RSRP）为−87.90 dBm，平均覆盖率为99.87%，达到了UL 25 Mbit/s、DL 300 Mbit/s、边缘覆盖98 dBm的建网标准。为进行对比，表4列出了矿山和厂区的路测数据，从数据可以看出，矿山5G信号强度和覆盖率等性能指标都与厂区覆盖的效果存在一定差距。

表4 矿区5G网络覆盖路测数据

3.3 覆盖方案仿真与分析

对5G网络的RSRP和PDCP下行吞叶量（PDCP throughput downlink，PDCP Thr.D）等相关网络性能参数进行热力图仿真，进一步分析网络覆盖问题。

在矿山的南面部署了5G基站1、5G基站2，在矿山北面部署了5G基站3，3个基站约呈等腰锐三角形分布。在矿区范围内，北面的基站3下方大约200 m处出现了夹杂区域（圆圈标识位置），信号覆盖较差。5G数字矿山网络覆盖热力图如图1所示。

图1 5G数字矿山网络覆盖热力图

结合现场地形勘察，基站采用抱杆建设。抱杆架设高度为4～5 m，山体较采掘平面高度为25 m左右。基站3部署所处的山坡垂直角度为70°～80°，由于石灰石矿山由于沿山坡开采，平面呈阶梯多层级分布（如图2所示），就基站3单点情况的平面分析如图3所示，其中阴影部分即非视距通信区域，对应信号较差区域。综合以上所有分析，可以判断图1中圆圈标识区域信号覆盖较差的原因为近处的低洼区域受到山体遮挡。站点高度及天线下倾角受限、山石遮挡环境形成了穿透损耗场景以及多径干扰等原因，造成了部分区域覆盖率不足以及信号强度弱的问题。

图2 石灰石山坡露天矿山开采地貌

图3 信号受山体遮挡平面分析

4 5G 数字化矿山建设难点

通过项目实践及分析，5G水泥行业矿山存在较多难点。

（1）网络配套设施建设难度大，费用高

矿山地处郊区，没有直接可用的电源和光纤，且矿山内部由于爆破地形随时变化，无法铺设管线，需要从山的背面引入电缆和光纤。为了尽可能高地架设基站，采用4～5 m高的双抱杆形式，为后续架设4G基站预留点位，单站配套建设成本在60万～70万元，耗费人力物力巨大，且后续维护存在较大困难。

（2）室外网络规划无成型工具，主要依靠经验

目前暂无结合矿山地形及3D经纬度、海拔数据的矿山5G网络仿真成熟产品。实际项目主要根据现场条件、专家经验静态配置选址，实际部署网络后通过路测获得网络性能指标，发现问题后通过波束成形等方式对天线覆盖范围进行调优，部分区域甚至需要建站补点，建网效率和智能化有待提高。5G相比传统3G/4G而言，网络将更加复杂和立体。与低频无线传播特性相比，高频对无线传播路径上的建筑物材质、植被、雨衰/氧衰等更敏感，LOS和NLOS场景下，高频相比低频，链路损耗将分别增加16～24 dB和10～18 dB。同时随着大规模 MIMO天线、复杂天线成形技术的出现，多径建模的重要性凸显，缺乏多径小尺度信息，将很难保证网络规划准确性。因此，基于高精度矿山三维坐标地图和具备多径建模的射线追踪传播模型在5G无线网络规划中具有不可替代的作用和地位。

（3）矿山不断被开采引起网络覆盖动态变化

由于矿山被不断开采，矿山地形逐年变化。一座典型的石灰石矿山采掘寿命在30～50年不等。随着爆破和不断开采，采掘面逐年降低，形成坑状地形。目前采用的抱杆挂载AAU的方式，方向角较为固定，由于3.5 GHz 64T64R AAU重量可到40 kg，部署面倾斜角度受限，一般为15°～20°，因此对部署高度和范围要求较高。由于2B 5G客户专网通常由某家运营商负责，并不涉及三家共享，铁塔公司不会介入建塔，因而站点的部署高度条件有限，在某种程度上也对覆盖造成影响。对于网络带宽要求不高的场景，采用RRU+电调天线的方法解决部署角度变化问题。天线大约15 kg，可以90°垂直部署，能够解决未来地面下沉后，网络覆盖变化的问题。在保障其可靠性与时延的同时，降低单站成本（从设备和配套均能降低）。

5 结束语

5G水泥行业数字矿山网络建设需结合实际2B客户业务需求规划网络建设，完善室外网络仿真工具，提高网络建设智能化水平，进而提升建网效率、降低成本。根据客户实际业务需求，可通过使用机器学习、深度学习等智能化手段，进行3D MIMO天线参数配置在不同场景下的快速灵活配置，以便适应未来矿山地表形态的变化，从而完成客户业务的最小成本建网，更好地实现项目的商业逻辑自洽和未来的建网复制。同时，在政策上，铁塔公司成立后，运营商无法自建铁塔的规定在5G 2B场景上是否继续适用还有待进一步探讨和商榷。抱杆承重和高度有限，这给网络覆盖带来了一定后续影响。2B网络主要用于企业生产，通常由某一运营商承建，企业单独所有，基本不存在多运营商共享的问题，建议政策上可以进一步松绑，以释放5G专网建设的自由度，促进产业经济的发展。