工业5G蜂窝无线技术在智慧矿山的应用

柳东林，任志刚，王鹏，温琦，徐飞龙，王涛，罗飞

（1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 彬州 713500；2.西安华云智联信息科技有限公司，陕西 西安 710061）

0 引言

2020年3 月，由国家发展改革委等8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[1]，意见指出煤炭板块是我国国民经济发展的重要基础，其智能发展能力是中国煤炭产业高质量快速发展的重要技术保证和核心技术支撑[2]。目前，煤矿行业正由机械化向数字化、网络化、智能化转型。

煤矿生产中大部分系统采用的是分布式移动系统，伴随着开采、掘进速度的提升，高速移动生产条件下的设备保障、安全监测、人员管理需求陡增，传统矿用系统独立、开放性差，线缆拆装复杂；同时矿用设备的自动化控制，通讯功能差，处于自动化孤岛状态[3]；设备之间协同交互能力差，难以及时准确掌握井下信息；工作环境恶劣，事故无法精准预测[4]等问题凸显。

5G技术作为新一代移动通信技术，通过“大带宽、低时延、广连接”特征，构建智能矿井的工业5G蜂窝无线网络；构建智能、安全可视化监控系统[5]；重构基于优先级服务质量（Quality of Service，QoS）技术下的分布物联网多元异构智能感知系统；同时5G组网技术还可以将井下大量的智能感知数据快速反馈给中央预警系统，通过有效的分析从而进行故障、灾难预测[6]。

彬长小庄矿业位于西北聚煤区的渭北黄陇侏罗纪煤田中段，井田面积45.82 km2，矿井主采4#煤层，地质储量为920.89 Mt，设计可采储量为544.96 Mt。矿区储煤环境复杂，地质条件不稳定，是全国水、火、瓦斯、煤尘、顶板、地热和矿压等灾害最严重矿区，其原煤处理能力与洗选能力为6.0 Mt/a。

综上，彬长小庄矿业的5G+智慧矿区及其智能场景的应用，对于提升我国煤矿安全生产水平、提高煤炭开采工作效率具有积极意义。

1 5G+智慧矿区建设目标

彬长小庄矿业的5G+智慧矿区验证平台旨在建立基于5G的工业蜂窝无线网络技术的智慧矿区验证平台，分别应用5G独立组网技术（Sdandalone，SA）和5G-IoT窄带蜂窝无线技术（包括NB-IoT、2G和LTEeMTC等多种组网技术）实现广域移动生产环境下的高清视频传输、多源异构感知、矿井数字孪生、生产智能调度、灾害分类预测，从而基于矿山工业互联网环境下，提升实时信息采集与传输、跨媒体数据交互与融合，打造小庄矿业“1+3+1+N”模式：

（1）1个平台：“5G+智慧矿区”基础设施。

（2）3个系统：井下高清视频图像5G传输应用系统、5G安全监测泛在感知物联网应用系统、5G数字孪生工作面和煤矿生产应用系统。

（3）1个标准：煤炭行业（或企业）智能化标准。

（4）N个智能化应用：围绕跨媒体融合、自适应控制、生产调度、安全预警、灾害预防和MR培训等子系统。

5G技术贯穿于整个方案架构，形成矿山数据全融合、生产安全全感知、数据算力全共享、工艺场景全覆盖的复合应用环境下的5G智慧矿区建设目标。如图1所示，建立生产网、工业网、办公网“三网合一”的煤矿网络通信方案。通过环网交换机建立4G+5G+Wi-Fi6井下工业环网，采集与传输井下生产系统与井上洗煤厂生产数据；通过核心交换机打通生产网与工业网，数据中心搭建超融合服务器群和云计算服务器群，对生产数据进行计算、分析以及决策，打造高性能的智能综合管控平台，调度指挥中心则通过调度大屏实时监测和调度生产过程；办公网与生产网两者不同的业务系统之间通过安全隔离网闸进行数据交互。

图1 煤矿网络通信方案

2 典型矿山通信技术对比

2.1 现有矿山网络通信技术

现有矿山网络通信主要有光纤通信、线缆通信、Wi-Fi技术和4G通信技术，其特性对比见表1。

表1 各连接类型特性对比

2.2 5G网络通信技术

5G NR的频率范围分别定义为不同的FR：FR1与FR2。频率范围FR1即通常所讲的5G Sub-6 GHz（6 GHz以下）频段，频率范围FR2则是5G毫米波频段。同时5G NR中也同样为FDD与TDD划分了不同的频段，同时还引入了新的SDL（补充下行）与SUL（补充上行）频段，5G作为先进通信技术，具有以下特点，见表2。

表2 先进通信技术特点

彬长小庄矿业围绕45.87平方公里，井上井下覆盖场景复杂，采用国内5G多频段设备进行5G无线网络规划设计。利用不同的频段特性，引入AR路由器实现双频无线链路备份进一步提升5G工业无线网络可靠性。同时基于业务特征进行业务频段分层，如3.5/2.1G大带宽作为视频回传承载频谱，1.8G/900M作为感知控制业务流承载频谱。

3 5G智慧矿山关键技术研究

3.1 5G-SA组网设计

独立组网（Standalone，SA）采用5G核心网络架构，5G终端接入5G基站再接入5G核心网。煤矿矿用5G通信系统主要由地面5G核心网、环网交换机、多接入边缘计算单元（Mobile Edge Computing，MEC）、地面基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）、5G环网路由器、时钟同步服务器、矿用本安型基带处理单元（BBU）、矿用隔爆型远端汇聚站（RHUB）、矿用隔爆兼本安型5G基站（pRRU）、矿用本安型信号转换器（CPE）等构成。

如图2所示，基于“5G+智慧矿区”的5G-SA组网，井上MEC网络部署在彬长小庄矿业数据中心，实现“数据不出矿”的安全标准。通过5G及IPRAN环网切片，实现本地部署矿用独立核心网，采用SA架构组网，就近控制专网数据独立，可以与公网兼容升级工业环网性能，新型环网支持高带宽、低时延、数据切片技术。另外无线设备采用多模基站，可实现井下4/5G、5G-IoT无线全网络覆盖，最大化满足开采掘进、安全监测、灾害防治、调度运输、设备运维、洗选装车、人员定位等复合应用场景需要。

图2 小庄网络拓扑图

3.2 井下高清视频图像5G传输技术

根据5G大带宽的特点，实现试点应用场景的可视化监控，安装5G无线高清摄像仪，通过5G网络接入无线基站，或利用现有无线Wifi或光纤网络有线方式接入，实现视频图像的实时传输和智能呈现。构建基于井下云-边-端的基于5G矿用本安可见光高清摄像仪与红外热成像摄像仪等的多场景无线视频网络系统。如图3，通过视频图像采集与AI智能识别技术，构建彬长小庄矿业智能化监控系统，实现对设备安全、区域安全管理等的图像数据采集与智能分析。视频图像采集分析的主要内容包括：煤矿关键生产设备监控、煤矿重点工作区域监控、中央变电所、运输大巷、等的安全监控等视频图像数据。数据采集方式通过对以上关键部位架设可见光摄像仪、红外摄像仪等设备，实时监测并上传图像数据，并利用AI视频图像识别技术，进行综合分析与预/报警管理。

图3 井下高清视频图像5G传输应用

3.3 5G工作面数字孪生技术

5G数字孪生工作面生产系统应用，主要解决环境-装备-工艺的相互关系，通过对采掘工作面的物理数据、虚拟数据、环境数据、图像数据、知识和服务数据形成智能工作面的数据融合交互等动态应用场景。具体包括基于动态数字孪生技术的采掘面智能生产执行系统、支持高并发实时数据库和关系数据库，以及基于数字孪生技术的采掘工作面的生产执行、设备管理、环境安全监测单元。如图4所示，系统通过建设基于5G无线技术采集、数字孪生技术融合，形成物理体数据、虚拟体数据和能量信息间的动态交互，实时反映采掘工作面及设备的实时运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动等的动态过程数据，形成物理模型相关数据，数字模型的驱动因素、环境扰动、运行机制等行为模型相关评估、分析、预测等数据和模型，最终建立工作面生产、设备、安全知识和管理数据。

图4 5G数字孪生应用系统

4 实施效果及结论

5G无线通信技术覆盖地面及井下生产的前中后段，开发多场景高清视频分析系统，数字孪生工作面生产执行系统等，在小庄矿井生产中落地应用，实现矿用仪表和设备的感知数字化、传输网络化、数据标准化、分析智能化和呈现灵活化，将传统矿井生产体系中分裂的工艺、孤立的设备衔接起来，提升小庄矿采煤掘进效率、安全生产能力和应急管理水平。并分别在彬长小庄煤矿的机头、运输大巷以及40205回采工作面进行测试，测试结果见表3、表4。

表3 测试结果

表4 测试结果

地面矿区覆盖测试中，5G平均下载速率为633.4 Mbps，为4G的9倍，整体覆盖良好，感知速率卓越。两座煤矿总体测试结果较为满意，可以满足煤矿智能化装备及应用的实际需求。

“5G+智慧矿区”帮助煤矿解决连接协同和动态交互的技术瓶颈，同时利用智慧矿区的煤炭物联网、可靠采掘、安全生产等应用技术和实现手段满足智慧矿区的海量数据、全域数据连接和覆盖，以及人—网—物三元互联的实际需求，实现感知、采集、分析和预警可视化呈现和智能化分析；实现“万物互联+智能生产”的高质量发展愿景，解决行业劳动力人口不足的问题，完成可持续发展的保障和依托。