5G賦能，擁抱智慧礦山時代

文/任志青

5G技術具有超高速率、超低時延、超大連接的技術特點，能夠為煤礦物聯網的實現提供有效解決方案，賦能傳統煤炭產業的智能化轉型

“此時此刻，我所在的位置，是陽煤集團新元煤礦的井下采煤作業區，這里距離地面534米，這里開通了世界首個煤礦井下5G網絡，也是世界上距離地表最深的5G網絡。這次由新華通訊社為您帶來的井下直播，在世界直播史上是第一次……”

6月12日，在陽煤集團新元礦井下534米，跟隨新華社記者的直播鏡頭，全球觀眾通過5G技術，與煤礦井下生產現場來了一次“零距離”接觸。

5月27日，為珠峰“量身高”的隊員們，利用5G網絡讓全世界實時共享和見證了登頂珠峰的盛況，中國5G技術登上了地球之巔。

有高度，就有深度。對于煤炭行業來說，5G技術下井，其作用不僅僅是實時通話和高清視頻直播，真正意義在于和實體行業的深度融合，在于促進煤炭產業的轉型升級、推動煤炭產業鏈的生態變革。

為什么要推動5G下井

在500多米深的陽煤集團新元公司井下機電硐室，一個小小的巡檢機器人正沿著軌道自主行走。別看它個頭不大，本領卻不小，能夠360度視頻監測、音頻采集、紅外熱成像，精準記錄設備故障發生的時間、地點以及故障類型。

基于5G技術，它“看到”的所有場景都能夠以4K高清視頻畫面的方式、“感知”到的所有數據都能夠精準迅捷地回傳到地面總調度室，便于井上對硐室環境、設備進行遠程監測；同樣是基于5G技術，在地面，就可以對機器人的動作進行實時控制。

從遠程監測到遠程監控，井下機電硐室的作業方式被徹底顛覆，真正實現了無人值守、無人巡檢。

5G為什么要下井？

從通信行業來看。

5G正式商用以來，從云游戲、云AR/VR到個人視頻直播等，各種沉浸式實時視頻業務成為5G第一波特色應用，顯著提升了消費者的個人體驗。

不過，在業內人士看來，這些面向消費端的業務提升只是4G服務的自然演進，要真正發揮5G的巨大價值，還要看工業互聯網(2B)的應用。

5月20日，工業和信息化部新聞發言人、信息通信發展司司長聞庫在國務院新聞發布會上表示，將加速5G應用由2C向2B拓展，加快傳統產業數字化轉型，開啟我國數字經濟高質量發展的新篇章。

“5G具有超大容量、高可靠性的超低時延以及高達1000億的海量物聯技術優勢，其核心是產業互聯網。而礦山是產業互聯網上的一個重要市場。”清華大學互聯網產業研究院副院長劉大成說。

從煤炭行業來看。

20 19 年，煤炭占我國基礎能源生產量的69.3%、消費量的57.7%，是我國能源的基石。煤炭的“壓艙石”作用無以替代。

我國現有煤礦5200多處，分布區域廣泛，開采地質條件復雜多變，煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水、火等多種災害并存。推動能源革命，建設安全、高效、綠色的智慧礦山勢在必行。

今年2月，國家八部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，吹響了我國煤礦智能化建設的號角。

中國煤炭工業協會副會長劉峰表示，煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，代表著煤炭行業先進生產力的發展方向。然而，大容量快速通信一直是智能礦山發展的主要技術瓶頸，5G技術具有超高速率、超低時延、超大連接的技術特點，能夠為煤礦物聯網的實現提供有效解決方案。煤礦5G技術突破與應用，將有力推動我國智能化礦山建設。

“原有的井下數字通信技術，對于實現煤礦智能化支撐不足，”中國工程院院士王國法認為，“恰恰是5G技術廣連接、大帶寬、低時延的三大特性，契合了煤礦智能化發展的需求。”

“5G在煤礦是剛需，是安全生產的堅強保障。”陽煤集團黨委書記、董事長翟紅說，“根據煤礦井下地理條件復雜多變、支護強度大、信號衰減快等特殊條件，在井下推廣無線通信意義重大。5G把有線、無線徹底打通，讓大家不再因為通道問題而“卡脖子”。它不僅具有大家現在所認識到的語言通信、信息下載等功能，關鍵是實現了工業監測監控的安全可靠性，更是井下安全生產的有力支撐，起著無人、少人的關鍵作用。”

從信息化到網絡化再到數字化，從自動化到少人化再到無人化，5G下井，賦能傳統煤炭產業的智能化轉型。

在陽煤集團新元公司調度中心，實時感受5G智慧礦山的魅力

5G下井克服了哪些困難

6月18日上午，全國首座5G煤礦落成發布會采用“現場+線上”方式，在太原、北京兩地舉行。在陽煤集團新元煤礦落成的全國首座5G煤礦，由陽煤集團與中國移動、華為公司聯手打造。

2019年9月5日，陽煤集團、中國移動、華為公司成立5G通信煤炭產業應用創新聯盟；2019年9月21日至10月1日，經過多次深入研討，確定新元公司為陽煤集團5G技術礦井應用試點。

“選擇在新元，一是新元公司是一座年輕的煤礦，信息化、智能化基礎較好；二是新元公司屬于煤與瓦斯突出礦井，開采條件相對復雜，在這里試點成功，后續會具有較強的推廣價值。”翟紅介紹。

5G與煤礦的結合應用，業內尚屬空白，加之井下環境復雜，所有的工作都是一邊摸索一邊研究。

在中國礦業大學（北京）原副校長、教授孫繼平看來，5G下井，首要的是要解決防爆問題，否則，極可能引發瓦斯爆炸，好事變壞事。

針對設備安全問題，創新聯盟對5G基站進行了特殊防爆改造，成功研發出首款礦用5G基站，于2020年4月28日獲得全國首張5G基站防爆、煤安雙認證。

“過去，我們開發應用的5G基站，主要應用在地表。雖然也做了很強的防水、防塵、防鹽等方面的防護工藝，但當設備應用到井下時，環境變得更加復雜，除了滿足防爆要求之外，還要通過結構化改造，對設備其他方面的防護等級進一步升級。另外，井下環境狹小，要求我們把基站做得盡量小型化，但功能要盡量強大。”華為公司全球5G市場部部長趙志鵬介紹。

更多的創新也讓一個個問題迎刃而解，保證了5G順利下井。

——精準授時。傳統的地面5G基站，需要使用衛星定位系統進行精準的同步授時。如果時間不能同步，設備之間的數據傳輸就會產生誤差，如同生活中兩個人握手，一個已經伸出了手，另一個的手卻還靜靜袖著——對于工業而言，則失之毫厘，謬以千里。“在井下500多米，顯然無法接收衛星信號。為此，我們專門研發了井下5G基站網絡同步授時技術，精度為100納秒以下，也就是億分之一秒，保證了網絡的高可靠性、可高控性、超高安全性。”中國移動山西分公司能源行業5G技術總監呂樂介紹。

——超千兆上行。“5G應用于生活，普通消費者更多的是下行需求，但對于井下，則是監測數據上傳量大、指令下傳量小。”趙志鵬說。為此，創新聯盟將傳統大下載的上/下行2:8 時隙比研發為大上傳的上/下行3:1時隙比，單臺基站上行峰值速率達到1100Mbps以上，下行峰值速率達到300Mbps以上，滿足了工業上傳下控典型應用需求。

——數據安全。“我們部署全國首個‘獨立組網+邊緣計算’架構，實現了主數據處理不出礦，確保了數據安全，降低了數據傳輸時延。”呂樂介紹。經實際測量，傳輸時延小于20ms。

根據井下巷道起伏變化的特性，為保證5G網絡性能，創新聯盟還研發了大功率分體式礦用5G BOOK基站和礦用大增益天饋，確保通過兩個5G基站，就可以為煤礦最復雜的一個綜采工作面提供完整、全面、有效的5G網絡服務。

中國礦業大學（北京）校長葛世榮認為，在500多米深的井下，5G網絡依舊能夠安全、穩定運行，并且成功解決基站設備安全、網絡授時、上行數據傳輸、礦山信息安全等難題，這為礦山5G技術的應用闖出了一條新路。

5G下井現在能做什么

“目前正在小列車集控室，進風巷工作面情況正常。”一通視頻電話“搭乘”5G網絡，從地下534米處打來；井上調度中心里，巨大的電子屏實時顯示著礦工采煤場景，井下瓦斯濃度和溫濕度等指標一覽無余；技術人員正在進行遠程監控操作。

在山西陽煤集團新元煤礦，5 G 與工業互聯網的“聯袂出演”，讓這座傳統煤礦實現著智能化嬗變。

5G因其顯著的性能優勢，正革新著傳統井下作業模式。

近年來，井下很多控制系統都實現了遠程集中監測，但受限于網絡帶寬的限制，視頻清晰度相當于“霧里看花”。和4G小于20Mbps的上行帶寬相比，陽煤新元5G專網具有超千兆上行帶寬，使單站擁有同時傳送50路以上4K高清畫面的能力，結合視頻智能AI分析技術，讓技術人員從“霧里看花”到“身臨其境”——井上看清井下。

生產實時性控制一直是煤礦智能化開采“卡脖子”的難題。相較于4G、WIFI大于50ms的時延，5G小于20ms的低時延、快切換和抗干擾、高可靠的能力，使遠程控制成為現實——井上控制井下。

在井下工業環網的末端，傳統方式是敷設大量復雜的通信線纜。通過5G無線傳輸，可以輕松“剪”掉設備通信線纜，方便設備移動，大大減少通信線纜敷設、維護、排障工作量——末端設備輕松“剪辮子”。

5G海量連接和大帶寬的特性，使井下每個系統一張網、信息互相隔離的情況成為過去。同時，融合統一的數據借助邊緣計算能力，使數據統一運算成為現實——井下萬物互聯、多網歸一、統一運算。

陽煤集團新元公司副總經理王海鋼介紹：“目前我們在新元煤礦，主要推出機電硐室無人巡檢、掘進面無人操作、綜采面無人操作三項5G應用，幫助煤礦實現礦井無人化、自動化、可視化運行。”

機電硐室無人巡檢應用，針對煤礦企業機電設備在長期運行過程中易發生故障的現實量身定制，降低了工作人員的勞動強度和風險，有助于提高巡檢質量與效率。

掘進面無人操作應用，可以進行遠程操作截割和支護作業，實現了掘進作業的遠程安全精準操控，有效解決了傳統人工作業操作危險系數大、勞動強度高的問題。

綜采面無人操作應用，解決了井下設備運行過程中線纜維護量大、信號經常缺失等問題，為遠程操作人員提供全景高清作業視野，既有效降低危險作業區域安全事故發生率，也節省大量人力物力。

“近年來，陽煤集團以新元公司為代表，推廣應用綜采工作面自動化開采技術，井下系統已減少操作人員321人。隨著5G技術的應用，有望在產能進一步提升的同時，再減少1000人。”翟紅表示。

5G未來還需要做什么

6月9日，陽煤集團與中國煤炭工業協會簽署了5G+工業互聯網與智能化礦山建設企業技術標準框架協議，雙方將依托各自優勢，借助陽煤示范項目的原創和先發優勢，研究制定煤礦5G總體網絡框架、工業互聯網應用平臺及相關技術要求標準，推動5G深入應用和煤炭產業高質量發展。

“智能礦山，標準先行。”劉峰表示，“標準化應用是煤礦5G應用和智能礦山建設的重要技術基礎。”

翟紅同樣認為，制定煤礦5G技術指導性規范和推薦性標準，有利于指導企業更加科學、有效地開展5G技術井下應用。尤其是需要明確井下5G專用頻段、組網架構、多網融合等關鍵性問題。

“中國煤炭工業協會、中國煤炭學會將按照‘即用先行、開放合作’的原則，聯合通信運營商、設備提供商等，盡快開展相關標準研究工作，并在企業技術標準的基礎上，逐步推動升級為行業標準和國家標準。”劉峰說。

結合應用場景對5G網絡進行設計優化，深入推進各鏈條的“剪、看、控”能力，同樣是工作重點。

據中國移動上海產業研究院副總經理陳豫蓉介紹，下一步，要提升5G網絡能力，開發通用5G物聯網模組，實現現有設備“即插即用”5G化升級，讓“剪”得放心、“剪”得方便；通過VR高清視頻、熱成像、激光掃描、智能AI識別等技術的不斷升級，提供更加自主靈活的視角，實現暗環境畫面可見，讓“看”得更全面、更智能；利用5G+AICDE，讓“控”得更智能。

要切實推動煤礦5G落地應用，還應該是整個煤炭上下游產業鏈的行為。

“5G技術為工業現場提供了大帶寬、低時延數據傳輸鏈路，在井下動態環境實現了可靠的無線傳輸，由此倒逼我們轉變思路，推動基于5G技術的設計理念變革，加大基于5G傳輸技術的煤礦設備及其智能控制系統的研發。”翟紅說。

上海創力電氣研究院院長石勇直言，過去，因為沒有數據傳輸通道，采掘設備很多環節上并沒有加裝傳感器。現在，設計人員的思維方式需要徹底轉變。

天津華寧公司總經理吳國強表示，基于5G技術，在后續巡檢機器人的研發上，要考慮巡檢模式和智能識別的功能拓展，考慮電池性能的改善提高，等等。

5G下井，將推動煤炭產業鏈的巨大變革。而5G工業應用研發投入大，涉及領域廣，這就需要政府、行業、企業通力合作，成立更廣泛的技術應用聯盟，互有重點、互通有無、互相借鑒，擴大5G+智能煤礦產業生態圈。

“在很近的將來，5G會變成像水、電、煤一樣的基礎設施。當前，越是早投入5G應用領域的創新，越會更早地搶占市場先機。華為公司將會和全球的合作伙伴一起，共享經驗，統一標準，共同推動5G給千行百業帶來更多價值。”趙志鵬說。

可喜的是，6月18日上午，由中國移動聯合清華大學、中國礦業大學（北京）、陽煤集團、中煤科工、華為公司等70多家單位，成立了5G智慧礦山聯盟。聯盟將以5G智慧礦山建設為載體，聯合各方力量構建智慧礦山合作平臺，加快關鍵核心技術突破，引導資源共建共享，推動5G與礦山行業融合創新。

5 G 賦能，智慧礦山時代，來了！