中国移动面向智慧矿山行业应用的5G无线网规划研究

［樊正茂 赵婧 戴俊 吴正华］

1 引言

当前我国经济从高速发展向高质量发展转变，数字经济上升为国家战略高度，成为高质量发展的重要引擎。“5G+工业互联网”与实体经济的深度融合带来产业数字化是数字经济发展的主要驱动力。《国家中长期科技发展规划》明确指出智慧矿山是未来矿山发展的方向和重要任务；2020 年国家发改委、国家能源局等八部门联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，到2025 年大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，井下重点岗位机器人作业，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输；到2035年各类煤矿基本实现智能化，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。《“十四五”矿山安全生产规划》也明确提出加快5G、大数据等先进技术与矿山安全生产的深度融合，推动建设一批无人少人智能化示范矿山。因此基于5G 网络打造“安全、高效、智能、绿色”的新型矿山建设模式，以建设少人、无人矿山是矿山行业转型发展目标。

2 行业网络部署面临挑战分析

矿山主要包括露天矿和井工矿两种类型。矿山向无人化转型需要一张高容量、大带宽、低时延、高可靠的网络进行支撑，从当前智慧矿山网络部署来看，存在以下挑战：

（1）单一靠5G 大网难以满足全部智慧矿山应用需求

智慧矿山应用主要包括采掘远控、运输控制、大量视频监控等应用，属工业级应用，对网络要求极高，且矿山作业环境复杂、作业面变化快，同时井工矿为地下作业，地面公网无法覆盖，另外网络数据安全性要求高，因此单靠公网难以满足全部应用需求。

（2）矿区地形复杂，站址选择难

露天矿地理环境往往较为复杂，站址选择，不仅需要根据矿区地理环境实现对矿区无线信号的有效覆盖，更需要在考虑矿区供电传输、环境随采掘面变化、矿区存在爆破区域等实际情况下，结合实际开采业务需求进行确定。基于露天矿的环境及特点，需要对矿区工作面进行专项覆盖及管理，同时兼顾专网与公网的协同规划，避免干扰。

（3）覆盖易存盲区

为实现露天矿矿区的有效覆盖，无线基站往往选择较高位置，对于作业面凹陷矿坑（部分垂直落差达到百米），网络需要向下实现有效覆盖；另外，道路、作业面可能被山体等遮盖，导致影响矿区业务开展。因此，应根据矿区实际情况适度规划可移动基站，保障矿区网络覆盖。

（4）大带宽上行

实现矿区车辆的自动驾驶，相关工程机械设备的远程操控，依赖于大量安装于车辆、工程机械设备、矿区道路及周边环境的摄像机、传感器、雷达对作业环境数据的采集，一个作业面往往涉及上百个数据采集单元，设备密集，尤其是多路高清视频同时上传，网络负担大，需要网络有效的大带宽上行保障。

（5）低时延控制

无论是矿区车辆的自动驾驶，还是钻机、挖掘机等工程机械设备的远程操控，在无人矿山解决方案中，都需要对现场特殊作业事件的远程处理，对网络端到端时延提出较高要求；以矿区电铲远程操控为例，时延要求低于20 ms。网络低时延保障将影响远程操作体验及现场作业安全。

（6）网络安全性

矿山场景应用需要基于网络实现装备之间的互联，无人矿山需要实现人在对作业现场装备的远程操控，或者基于AI 实现矿区车辆的自动驾驶，相关数据承载在网络上，差分定位等服务需要获取公网服务器数据资源，因此，网络存在一定的安全隐患。在矿区业务数据层面，需要通过一定的技术及管理机制，保障数据不出矿区，保障数据的安全，需要在网络层面建立分层分级的技术保障体系，保障网络安全。

3 矿石开采主要流程

3.1 露天矿

露天采矿是一个移走矿体上的覆盖物，得到所需矿物的过程，从敞露地表的采矿场采出有用矿物的过程。现场情况如图1 所示，作业流程如图2 所示。

图1 露天矿现场示意图

图2 露天开采作业流程图

露天开采作业主要包括穿孔、爆破、采装、运输和排土等流程。

（1）穿孔、爆破：在露天采场矿岩内钻凿一定直径和深度的定向爆破孔，以炸药爆破，对矿岩进行破碎和松动。

（2）采装：用人工或机械将矿岩装入运输设备，或直接卸到指定地点。

（3）运输：是将露天采场的矿、岩分别运送到卸载点（或选矿厂）和排土场，同时把生产人员、设备和材料运送到采矿场。

（4）排土：从露天采场将剥离覆盖在矿床上部及其周围的大量表土和岩石，运送到专门设置的场地（如排土场或废石场）进行排弃的作业。

3.2 井工矿

（1）煤矿：关键作业场景包含综（回）采面、掘进面、硐室、巷道以及全域。如图3 所示。

图3 井工矿（煤矿）关键作业场景图

综（回）采面：采煤工作面，一般2～4 m 高（取决于煤层的厚度，使用的采煤机不同），国内一个矿一般有2～3个工作面，国外多一矿一面，国内多使用回退式采煤法。

掘进面：综采工作面形成初期由掘进机开辟通道，U型，一侧为运输顺槽，一侧为回风顺槽，底边为综采面。

硐室：机电设备存放，人员躲避，排水，纵深约100 m以上。如晋控三元矿的中央变电所。

巷道：即主运巷道（运煤），辅运巷道（运人，物料），长度几公里至数十公里，一般可以并排通行两辆胶轮车。

全域：井上井下全域范围，人、车等的定位、实时通信和统一调度。

（2）非煤矿

非煤矿开采主要流程如图4 所示。

图4 井工矿（非煤矿）开采流程图

①掘（爆破）：在矿体内装填炸药进行爆破，爆破后矿石形成矿石块。

② 采（出矿）：通过矿石铲运机将矿石运输到溜井处进行汇聚。

③运（矿井内运输）：通过电机车将矿石运输到卸载站，准备破碎。初碎：采用破碎机对矿石进行破碎，便于皮带传输。

④ 运（运输至选厂）：通过皮带传送将初碎后矿石运输至选矿厂，进行选矿作业。

4 典型业务及其网络需求

4.1 典型业务一：视频回传（上行大带宽需求）

4.1.1 业务描述

部署视频监控实现对人流、物流的监控，及时发现异常行为，避免安全事故发生。一般推荐1080p 高清视频，对网络带宽要求高。

4.1.2 部署环境分析：视频回传使用较为广泛。

露天矿：采掘设备远程操作控制以及车辆运输控制、矿山日常巡检、皮带传送巡检、爆破时智能警戒监控等。覆盖场景包含室外点状、线状、面状覆盖。

井工矿：综采面和巷道视频监控，井工矿综采面通常为U 型巷道结构，典型采煤工作面长约240 m，根据不同煤矿类型及煤层分布，最长有320 m，短的也有160 m。主运巷道主要用于把地下采出的矿通过皮带输送至井上，该巷道距离较长一般大于10 km，宽高约5～6 m。此类覆盖场景基本为室内线状覆盖。

视频回传如图5 所示。

图5 视频回传示意图

4.2 典型业务二：远程操控（高可靠、低时延需求）

4.2.1 业务描述

在距离矿区采场一定距离的室内部署遥控驾驶舱，操作员可实时远程操控大型采掘设备，下发远程操控指令，如推压、提升、旋转、行走等。

4.2.2 部署环境分析：铲矿车远控

铲矿车远程操控过程如图6 所示。

图6 远程操控示意图

矿道内存在安全隐患（如突泥灾害），对人身安全造成威胁，给安全生产带来潜在影响。5G 远控铲运车进行装卸，无需人工穿操作，在远控中心进行操作，降低生产安全风险，提升人员工作环境。该类覆盖场景基本为点状或线状场景。

4.3 典型业务三：无人驾驶（高速率、高可靠、低时延需求）

4.3.1 业务描述

通过5G 与矿业的深度融合，不断优化矿用车联网平台智能驾驶系统，利用5G 高速率、低时延、高可靠性的特点，实现精准控制的无人驾驶矿用车辆。

4.3.2 部署环境分析：

（1）非有轨场景

露天煤矿采矿区，通过汽车完成煤矿运输工作，与外部环境相对封闭，行驶速度一般不超过35 km/h。通过后台规划好运行轨迹，通过5G 网络实现对汽车运输全流程控制。具体流程如图7 所示。

图7 非有轨场景操作流程图

（2）有轨场景

有轨电机车：由蓄电池提供动力类轨道运输设备，在主要的运输巷道、辅助运输巷道、掘进巷道中对矿车进行牵引，完成原煤，矿石，矸石，材料，设备，人员等的运输任务。如图8 所示。

图8 有轨场景示意图

4.4 典型业务四：大规模数据采集（大连接、高可靠需求）

4.4.1 业务描述

为保证矿区生产有序进行，需对矿区运行参数（温湿度、气体浓度等）进行检测传感，并上传至综合管理平台。保障回传数据准确率达99.99%，避免告警类数据丢包形成误告。数据采集回传过程如图9 所示。

图9 数据采集回传示意图

4.4.2 部署环境分析：使用较为广泛，基本涵盖全部矿区。

4.5 典型业务需求汇总

典型业务需求如表1 所示。

表1 典型业务需求汇总

5 5G 无线网规划建议

（1）频率选择

中国移动5G 网络频率有2.6 GHz、4.9 GHz、700 MHz，其中700 MHz为广电所有，中国移动与中国广电共建共享。2.6 GHz、4.9 GHz 频段既可用于公网，也可以用于行业专网。2.6 GHz 具有160 M 带宽，容量大特点；4.9 GHz 频段高是5G 容量的有效补充，4.9 GHz 应用于行业应用可避免与大网2.6 GHz 干扰。

（2）设备选型

①2.6 GHz设备通道选择：2.6GHz设备存在多种类型，覆盖能力和应用场景均存在一定差异。

64 通道：主要用于楼高高于30 米或CBD 等高容量场景；

32 通道：主要用于楼高低于30 米或容量不高场景，相比64 通道，小区吞吐量下降约15%～20%；

8 通道：用于64 通道、32 通道工程实施困难场景。

② 在井工矿内设备选型时，需选择具有防爆特性设备。

（3）上行容量保障

结合专属帧结构(1D3U)、载波聚合(CA)、全上行(SUL)等专属上行方案，分阶段提供分场景分档大上行方案，满足行业需求。目前载波聚合已完成700 MHz+2.6 GHz、2.6 GHz 频段内、2.6 GHz+4.9 GHz 两载波聚合相关标准化工作，SUL 已完成700 MHz+2.6 GHz 两载波相关标准化工作。基站可同时支持两种技术，上行方面，二者性能基本相当；在2.6 GHz 下行覆盖较好、上行受限的区域，可以采用SUL 技术。5G 上行容量保障建议如图10 所示。

图10 5G 上行容量保障建议

（4）低时延保障

结合行业场景类型和时延需求，选择对应时延分档方案，启用对应原子能力。5G 低时延保障建议如图11 所示。

图11 5G 低时延保障建议

（5）规划指标

各类业务场景规划指标需求如表2 所示。

表2 规划指标需求

（6）无线网资源配置

无线侧可分别采用复用无线公网优先调度、按需定制或新建无线专频专网方式，满足优、专、尊享服务需求;针对无明显地域性的应用场景，优先复用公网资源覆盖，采用优享和专享模式，保障差异化网络服务质量；针对有明显地域性的应用场景，在公网无法满足需求的情况下，按需预留专项资源，采用尊享模式，实现无线资源独享。优专享组网差异情况如图12 所示，服务及应用场景差异如表3 所示。

表3 优专尊服务及应用场景差异

6 小结

综上所述，基于5G 网络打造的无人化、少人化智慧矿山将是未来矿山行业发展方向。智慧矿山业务需求主要为视频回传、远程操控、无人驾驶、大规模数据采集，需要一张高容量、大带宽、低时延、高可靠的5G 网络作为支撑。但由于矿山生产作业环境较为复杂，当前面向智慧矿山应用的5G 无线网部署存在较多挑战，例如选址难、无线覆盖易存盲区、电磁干扰多以及上行大带宽、低时延、网络安全要求高等。智慧矿山5G 无线网规划应基于业务需求分级分类，从频率选择、设备选型，子帧配比等角度合理规划，并积极使用上行带宽和低时延保障等5G 关键技术，充分发挥公专网协同作用，以打造一张“安全、高效、智能、绿色”的5G 行业网络为最终目标。

图12 优专尊组网及服务差异