工業5G蜂窩無線技術在智慧礦山的應用

柳東林，任志剛，王鵬，溫琦，徐飛龍，王濤，羅飛

（1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 彬州 713500；2.西安華云智聯信息科技有限公司，陜西 西安 710061）

0 引言

2020年3 月，由國家發展改革委等8部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[1]，意見指出煤炭板塊是我國國民經濟發展的重要基礎，其智能發展能力是中國煤炭產業高質量快速發展的重要技術保證和核心技術支撐[2]。目前，煤礦行業正由機械化向數字化、網絡化、智能化轉型。

煤礦生產中大部分系統采用的是分布式移動系統，伴隨著開采、掘進速度的提升，高速移動生產條件下的設備保障、安全監測、人員管理需求陡增，傳統礦用系統獨立、開放性差，線纜拆裝復雜；同時礦用設備的自動化控制，通訊功能差，處于自動化孤島狀態[3]；設備之間協同交互能力差，難以及時準確掌握井下信息；工作環境惡劣，事故無法精準預測[4]等問題凸顯。

5G技術作為新一代移動通信技術，通過“大帶寬、低時延、廣連接”特征，構建智能礦井的工業5G蜂窩無線網絡；構建智能、安全可視化監控系統[5]；重構基于優先級服務質量（Quality of Service，QoS）技術下的分布物聯網多元異構智能感知系統；同時5G組網技術還可以將井下大量的智能感知數據快速反饋給中央預警系統，通過有效的分析從而進行故障、災難預測[6]。

彬長小莊礦業位于西北聚煤區的渭北黃隴侏羅紀煤田中段，井田面積45.82 km2，礦井主采4#煤層，地質儲量為920.89 Mt，設計可采儲量為544.96 Mt。礦區儲煤環境復雜，地質條件不穩定，是全國水、火、瓦斯、煤塵、頂板、地熱和礦壓等災害最嚴重礦區，其原煤處理能力與洗選能力為6.0 Mt/a。

綜上，彬長小莊礦業的5G+智慧礦區及其智能場景的應用，對于提升我國煤礦安全生產水平、提高煤炭開采工作效率具有積極意義。

1 5G+智慧礦區建設目標

彬長小莊礦業的5G+智慧礦區驗證平臺旨在建立基于5G的工業蜂窩無線網絡技術的智慧礦區驗證平臺，分別應用5G獨立組網技術（Sdandalone，SA）和5G-IoT窄帶蜂窩無線技術（包括NB-IoT、2G和LTEeMTC等多種組網技術）實現廣域移動生產環境下的高清視頻傳輸、多源異構感知、礦井數字孿生、生產智能調度、災害分類預測，從而基于礦山工業互聯網環境下，提升實時信息采集與傳輸、跨媒體數據交互與融合，打造小莊礦業“1+3+1+N”模式：

（1）1個平臺：“5G+智慧礦區”基礎設施。

（2）3個系統：井下高清視頻圖像5G傳輸應用系統、5G安全監測泛在感知物聯網應用系統、5G數字孿生工作面和煤礦生產應用系統。

（3）1個標準：煤炭行業（或企業）智能化標準。

（4）N個智能化應用：圍繞跨媒體融合、自適應控制、生產調度、安全預警、災害預防和MR培訓等子系統。

5G技術貫穿于整個方案架構，形成礦山數據全融合、生產安全全感知、數據算力全共享、工藝場景全覆蓋的復合應用環境下的5G智慧礦區建設目標。如圖1所示，建立生產網、工業網、辦公網“三網合一”的煤礦網絡通信方案。通過環網交換機建立4G+5G+Wi-Fi6井下工業環網，采集與傳輸井下生產系統與井上洗煤廠生產數據；通過核心交換機打通生產網與工業網，數據中心搭建超融合服務器群和云計算服務器群，對生產數據進行計算、分析以及決策，打造高性能的智能綜合管控平臺，調度指揮中心則通過調度大屏實時監測和調度生產過程；辦公網與生產網兩者不同的業務系統之間通過安全隔離網閘進行數據交互。

圖1 煤礦網絡通信方案

2 典型礦山通信技術對比

2.1 現有礦山網絡通信技術

現有礦山網絡通信主要有光纖通信、線纜通信、Wi-Fi技術和4G通信技術，其特性對比見表1。

表1 各連接類型特性對比

2.2 5G網絡通信技術

5G NR的頻率范圍分別定義為不同的FR：FR1與FR2。頻率范圍FR1即通常所講的5G Sub-6 GHz（6 GHz以下）頻段，頻率范圍FR2則是5G毫米波頻段。同時5G NR中也同樣為FDD與TDD劃分了不同的頻段，同時還引入了新的SDL（補充下行）與SUL（補充上行）頻段，5G作為先進通信技術，具有以下特點，見表2。

表2 先進通信技術特點

彬長小莊礦業圍繞45.87平方公里，井上井下覆蓋場景復雜，采用國內5G多頻段設備進行5G無線網絡規劃設計。利用不同的頻段特性，引入AR路由器實現雙頻無線鏈路備份進一步提升5G工業無線網絡可靠性。同時基于業務特征進行業務頻段分層，如3.5/2.1G大帶寬作為視頻回傳承載頻譜，1.8G/900M作為感知控制業務流承載頻譜。

3 5G智慧礦山關鍵技術研究

3.1 5G-SA組網設計

獨立組網（Standalone，SA）采用5G核心網絡架構，5G終端接入5G基站再接入5G核心網。煤礦礦用5G通信系統主要由地面5G核心網、環網交換機、多接入邊緣計算單元（Mobile Edge Computing，MEC）、地面基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）、5G環網路由器、時鐘同步服務器、礦用本安型基帶處理單元（BBU）、礦用隔爆型遠端匯聚站（RHUB）、礦用隔爆兼本安型5G基站（pRRU）、礦用本安型信號轉換器（CPE）等構成。

如圖2所示，基于“5G+智慧礦區”的5G-SA組網，井上MEC網絡部署在彬長小莊礦業數據中心，實現“數據不出礦”的安全標準。通過5G及IPRAN環網切片，實現本地部署礦用獨立核心網，采用SA架構組網，就近控制專網數據獨立，可以與公網兼容升級工業環網性能，新型環網支持高帶寬、低時延、數據切片技術。另外無線設備采用多模基站，可實現井下4/5G、5G-IoT無線全網絡覆蓋，最大化滿足開采掘進、安全監測、災害防治、調度運輸、設備運維、洗選裝車、人員定位等復合應用場景需要。

圖2 小莊網絡拓撲圖

3.2 井下高清視頻圖像5G傳輸技術

根據5G大帶寬的特點，實現試點應用場景的可視化監控，安裝5G無線高清攝像儀，通過5G網絡接入無線基站，或利用現有無線Wifi或光纖網絡有線方式接入，實現視頻圖像的實時傳輸和智能呈現。構建基于井下云-邊-端的基于5G礦用本安可見光高清攝像儀與紅外熱成像攝像儀等的多場景無線視頻網絡系統。如圖3，通過視頻圖像采集與AI智能識別技術，構建彬長小莊礦業智能化監控系統，實現對設備安全、區域安全管理等的圖像數據采集與智能分析。視頻圖像采集分析的主要內容包括：煤礦關鍵生產設備監控、煤礦重點工作區域監控、中央變電所、運輸大巷、等的安全監控等視頻圖像數據。數據采集方式通過對以上關鍵部位架設可見光攝像儀、紅外攝像儀等設備，實時監測并上傳圖像數據，并利用AI視頻圖像識別技術，進行綜合分析與預/報警管理。

圖3 井下高清視頻圖像5G傳輸應用

3.3 5G工作面數字孿生技術

5G數字孿生工作面生產系統應用，主要解決環境-裝備-工藝的相互關系，通過對采掘工作面的物理數據、虛擬數據、環境數據、圖像數據、知識和服務數據形成智能工作面的數據融合交互等動態應用場景。具體包括基于動態數字孿生技術的采掘面智能生產執行系統、支持高并發實時數據庫和關系數據庫，以及基于數字孿生技術的采掘工作面的生產執行、設備管理、環境安全監測單元。如圖4所示，系統通過建設基于5G無線技術采集、數字孿生技術融合，形成物理體數據、虛擬體數據和能量信息間的動態交互，實時反映采掘工作面及設備的實時運行狀況、實時性能、環境參數、突發擾動等的動態過程數據，形成物理模型相關數據，數字模型的驅動因素、環境擾動、運行機制等行為模型相關評估、分析、預測等數據和模型，最終建立工作面生產、設備、安全知識和管理數據。

圖4 5G數字孿生應用系統

4 實施效果及結論

5G無線通信技術覆蓋地面及井下生產的前中后段，開發多場景高清視頻分析系統，數字孿生工作面生產執行系統等，在小莊礦井生產中落地應用，實現礦用儀表和設備的感知數字化、傳輸網絡化、數據標準化、分析智能化和呈現靈活化，將傳統礦井生產體系中分裂的工藝、孤立的設備銜接起來，提升小莊礦采煤掘進效率、安全生產能力和應急管理水平。并分別在彬長小莊煤礦的機頭、運輸大巷以及40205回采工作面進行測試，測試結果見表3、表4。

表3 測試結果

表4 測試結果

地面礦區覆蓋測試中，5G平均下載速率為633.4 Mbps，為4G的9倍，整體覆蓋良好，感知速率卓越。兩座煤礦總體測試結果較為滿意，可以滿足煤礦智能化裝備及應用的實際需求。

“5G+智慧礦區”幫助煤礦解決連接協同和動態交互的技術瓶頸，同時利用智慧礦區的煤炭物聯網、可靠采掘、安全生產等應用技術和實現手段滿足智慧礦區的海量數據、全域數據連接和覆蓋，以及人—網—物三元互聯的實際需求，實現感知、采集、分析和預警可視化呈現和智能化分析；實現“萬物互聯+智能生產”的高質量發展愿景，解決行業勞動力人口不足的問題，完成可持續發展的保障和依托。