5G技术赋能阳煤煤矿智能化

　　煤炭人讯：“此时此刻，我所在的位置是距离地面534 米、阳煤集团新元公司的井下采煤作业区。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。本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，在山西阳煤集团新元公司井下 534 米处，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。

　　5G 能“上”珠峰，也能“下”深井。对于煤炭行业来说，5G 技术下井，其作用不仅仅是实现实时通话和高清视频直播，真正意义在于和实体行业深度融合，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 技术下井 ？

　　原有的井下数字通信技术支撑力不足；5G技术广连接、大带宽、低时延的特性，契合煤矿智能化发展需求

　　在 500 多米深的井下机电硐室，一个小小的巡检机器人正沿着轨道自主行走。它虽然个头不大，本领却不小，不仅能进行 360度视频监测、音频采集、红外热成像，还能精准记录设备故障发生的时间、地点以及类型。

　　基于5G技术，巡检机器人通过 4K 高清视频画面“看到”的所有场景、“感知”到的所有数据都能精准迅速地回传至地面总调度室，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，职工在地面就可以远程控制机器人的动作。

　　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，新元公司真正实现了无人值守、无人巡检。

　　5G技术为什么要下井？

　　从通信行业来看，5G 技术正式投入商用以来，譬如云游戏、云 AR/VR、个人视频直播等各种沉浸式实时视频业务风生水起，让消费者耳目一新。

　　但是，在业内人士看来，消费端的业务提升仅仅是 4G 技术服务的自然演进。5G 技术的巨大价值要得到充分发挥，关键在于工业互联网。

　　“5G 技术具有超大容量、高可靠性的超低时延以及千亿级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，2019 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。

　　据了解，我国现有煤矿 5300 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，八部委联合印发了 《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。

　　煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。中国煤炭工业协会副会长刘峰表示，大容量快速通信一直是智慧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 技术的突破与应用，将有力推动我国智慧矿山建设。

　　“原有的井下数字通信技术对于实现煤矿智能化支撑力不足。”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 技术在煤矿是刚需，是安全生产的坚强保障。”阳煤集团党委书记、董事长翟红说，“根据煤矿井下地质条件复杂多变、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 技术把有线、无线彻底打通，让大家不再因为通道问题而被‘卡脖子’。它不仅具有大家现在所了解的语言通信、信息下载等功能，而且实现了工业监测监控的安全可靠，更是井下安全生产的有力支撑。”

　　5G 技术下井克服了哪些困难 ？

　　井下环境复杂，除了要优化防护性能，还要让基站更小型化，实现精准授时、超千兆上行、数据安全等

　　在新元公司落成的 5G 煤矿网络，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，各方多次深入研讨后，确定新元公司为 5G技术矿井试点。
　　
　　“选择新元公司，一是因为这里的煤矿是一座年轻的煤矿，信息化、智能化基础较好；二是因为该公司属于煤与瓦斯突出矿井，开采条件相对复杂，在这里试点成功的话，后续会有较大的推广价值。”翟红介绍。

　　5G 技术与煤矿的结合应用在业内尚属空白，加之井下环境复杂，所有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 技术下井，首先要解决的是防爆问题，否则引发瓦斯爆炸的话，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。、

　　“过去，我们开发的 5G基站主要在地表应用。虽然我们之前加强了防水、防尘、防盐等防护工作，但井下的环境更复杂。除了要满足防爆要求之外，还要通过结构化改造，进一步提升设备其他方面的防护等级。另外，井下环境狭小，要求我们把基站做得尽量小型化，功能要尽量强大。”华为公司全球 5G市场部部长赵志鹏介绍。

　　更多创新点让一个个问题迎刃而解，确保5G技术顺利下井。

　　精准授时。地面上的 5G基站由卫星定位系统进行精准的同步授时。如果时间不能同步，设备之间数据传输就会产生误差，如同生活中两个人握手，一个人已经伸出了手，另一个人的手却还静静袖着 — —对于工业而言，失之毫厘，则谬以千里。

　　“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、高可控性、超高安全性。”中国移动山西分公司能源行业 5G技术总监吕乐说。

　　超千兆上行。“5G 技术在生活中应用时，普通消费者需要更多的是下载，但对于矿井来说，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时隙比研发调整为大上传 3:1时隙比，单个基站上行峰值速率达到 1100Mbps（兆 比 特 每 秒）以 上 ，下 行 峰 值 速 率 达 到300Mbps以上，满足了工业上传下控的典型应用需求。

　　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（毫秒）。

　　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，确保只要通过两个 5G基站，就可以为煤矿一个最复杂的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，并且成功解决了基站设备安全、网络授时、上行数据传输、矿山信息安全等难题，这为矿山 5G技术应用闯出了一条新路。

　　5G 技术下井现在能做什么 ？

　　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，使人“身临其境”；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；减少通信线缆铺设、维护、排障工作量等

　　“现在我正在小列车集控室，进风巷工作面正常。”5月 27日，新元公司跟班队长郗书博在地下 534 米， “搭乘”5G 网络与井上总调度室进行视频通话。井上，总调度室电子显示屏实时显示着井下瓦斯浓度、温湿度和高清采煤场景。旁边，技术人员进行着远程监控操作。

　　5G 网络因其显著的性能优势，革新着传统井下作业模式。

　　井上看清井下 — —近年来，井下很多控制系统实现了远程集中监测，但受限于网络带宽的限制，视频清晰度如同“雾里看花”。和4G网络小于 20Mbps的上行带宽相比，新元公司 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“身临其境”。

　　井上控制井下 — —实时控制生产过程一直是煤矿智能化开采“卡脖子”的难题。相较于 4G 网络、WIFI网络大于 50ms的时延，5G 网络小于 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。

　　末端设备轻松“剪辫子” — —在井下工业环网的末端，传统处理方式是敷设大量复杂的通信线缆。借助5G网络，职工可以轻松“剪”掉设备通信线缆，同时方便移动设备，大大减少了通信线缆铺设、维护、排障工作量。

　　井下万物互联、多网归一、统一运算 — —5G 网络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，借助边缘计算能力，数据的融合统一、统一运算成为现实。

　　新元公司副总经理王海钢介绍：“目前，我们在新元公司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 技术应用，帮助煤矿实现矿井无人化、自动化、可视化运行，有效解决了传统人工作业操作危险系数高、劳动强度高的问题，同时提升了生产效率。”

　　“ 近 年 来 ，新 元 公 司 井 下 系统已减少操作人员321 人 。随 着 5G 技 术的应用，集团有望在产能进一步提升的同时，再减少 1000 人。”翟红表示。

　　5G技术未来还需要做什么 ？

　　要研究制定煤矿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；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；此外，还要变革基于5G技术的设计理念，加强基于5G传输技术的煤矿设备及其智能控制系统的研发

　　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，借助阳煤集团示范项目的原创和先发优势，共同研究制定煤矿 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。

　　“智能矿山，标准先行。”刘峰表示， “标准化应用是煤矿 5G技术应用和智慧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，有利于指导企业更科学、有效地开展井下应用。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。

　　中国移动上海产业研究院副总经理陈豫蓉告诉记者，下一步，要提升 5G 网络能力，开发通用 5G网络物联网模组，实现现有设备“即插即用”，让煤矿“剪”得更放心、更方便；通过不断升级 VR 高清视频、热成像、激光扫描、智能 AI 识别等技术，为煤矿提供更加自主灵活的视角，实现暗环境画面可见，让煤矿“看”得更 全 面 、更 智 能 ；利 用 5G+AICDE，让 煤 矿“控”得更智能。

　　切实推动 5G 落地应用，需要整个煤炭上下游产业链行动起来。

　　“5G 技术倒逼我们转变思路，推动基于5G 技术的设计理念变革，加强基于 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。

　　5G 技术下井将推动煤炭产业链的巨大变革。但 5G 技术工业应用研发投入大，涉及领域广，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。

　　“将来，5G 网络会变成像水、电、煤一样的基础设施。当前，越早投入 5G 技术应用领域创新，越早抢占市场先机。华为公司将和全球的合作伙伴一起，共享经验，统一标准，创造更多价值。”赵志鹏说。

　　可喜的是，为引导资源共建共享，加快核心技术突破，中国移动联合清华大学、中国矿业大学（北京）、阳煤集团、中煤科工集团、华为公司等 70 多家单位，于 6 月 18 日正式成立了5G智慧矿山联盟。（文/任志青）