引言/導讀
為加快推進煤炭行業(yè)供給側結構性改革，推動智能化技術與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，國家發(fā)展改革委、國家能源局、應急部等八部委聯(lián)合印發(fā)《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》。指導意見指出，到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，初步形成煤礦開拓設計、地質保障、生產(chǎn)、安全等主要環(huán)節(jié)的信息化傳輸、自動化運行技術體系，基本實現(xiàn)掘進工作面減人提效、綜采工作面內(nèi)少人或無人操作、井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監(jiān)控。到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現(xiàn)智能化，形成煤礦智能化建設技術規(guī)范與標準體系。到2035年，各類煤礦基本實現(xiàn)智能化，構建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。
中移(上海)信息通信科技有限公司（中移（上海）產(chǎn)業(yè)研究院）是中國移動通信集團的全資子公司，自成立以來，立足上海、輻射全國，面向交通、工業(yè)能源、金融三大行業(yè)方向開展深入行業(yè)技術、平臺、產(chǎn)品、解決方案研發(fā)，以信息化、智能化為杠桿培育新動能，儲備通用行業(yè)信息化能力，支撐中國移動在5G時代的垂直行業(yè)的市場開拓和發(fā)展。中移（上海）產(chǎn)業(yè)研究院積極布局智慧礦山行業(yè)的關鍵能力，參與礦山行業(yè)相關標準制定，結合自身優(yōu)勢推出“公網(wǎng)專享＋用戶專網(wǎng)”雙5G核心網(wǎng)，現(xiàn)已形成“1+1+N”智慧礦山整體解決方案，可為礦山行業(yè)客戶提供端到端一體化服務。同時聯(lián)合業(yè)內(nèi)龍頭共建開放共享的新型產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，形成成熟的產(chǎn)業(yè)合作模式。公司已在山西、內(nèi)蒙落成多個智慧礦山試點示范項目，不斷實現(xiàn)技術創(chuàng)新，填補了國內(nèi)5G技術場景應用空白，更加快了礦山行業(yè)智能化升級的速度。
一、 關鍵詞
智慧礦山、5G、無人化采掘、無人駕駛
2.1. 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
中移（上海）信息信息通信科技有限公司
曹雪：15117965347，caoxue@cmsr.chinamobile.com
中國移動通信集團內(nèi)蒙古有限公司
劉寧：18204710525，liuning3@nm.chinamobile.com
2.2. 合作公司
內(nèi)蒙古智能煤炭有限責任公司
中國礦業(yè)大學
上海山源電子科技有限公司
暢加風行(蘇州)智能科技有限公司
三、 測試床項目目標
智慧礦山是基于現(xiàn)代智能化理念，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術深度融合，形成礦山全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井開拓、采掘、運通、分選、安全保障、生態(tài)保護、生產(chǎn)管理等全過程的智能化運行。5G網(wǎng)絡以其大帶寬、低時延、廣連接的特性與礦山領域數(shù)據(jù)采集及智能控制的場景契合度非常高，是打造智慧礦山的基礎條件。中移(上海)產(chǎn)業(yè)研究院基于自身技術創(chuàng)新能力及行業(yè)經(jīng)驗積累，自主研發(fā)智慧礦山融合管控平臺（中國移動礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺），平臺打造智慧決策、生產(chǎn)管理、安全管理、移動應用等功能模塊，打通專業(yè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通道，為行業(yè)客戶實現(xiàn)綜合管控、數(shù)字化運維提供使能。同時結合5G技術優(yōu)勢，為行業(yè)客戶提供端到端一體化智慧礦山服務。
本測試床主要基于中移（上海）產(chǎn)業(yè)研究院自主研發(fā)的礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，落地井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、5G機器人巡檢、5G井下無軌膠輪車無人駕駛、5G無人化采掘5大場景，驗證5G網(wǎng)絡技術在智慧礦山行業(yè)的應用的可行性、可靠性和必要性。形成可規(guī)模復制推廣的智慧礦山解決方案，切實解決礦山行業(yè)智能化升級過程中面臨的數(shù)據(jù)采集不完整、無AI輔助決策手段、缺失邊緣計算能力、設備監(jiān)管與控制手段待升級等問題。
四、 測試床方案架構
4.1. 測試床應用場景
本測試床應用在礦山行業(yè)采、掘、機、運、通、綜合等各個業(yè)務環(huán)節(jié)，涉及井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、5G機器人巡檢、5G井下無軌膠輪車無人駕駛、5G無人化采掘等應用。
4.2. 測試床架構
本測試床架構圖如4.1 所示，中國移動上研院以5G行業(yè)專網(wǎng)為基礎，打造“1+1+N”5G智慧礦山整體解決方案。1張行業(yè)專網(wǎng)包括露天移動專網(wǎng)和井下融合專網(wǎng)，實現(xiàn)礦山高瓦斯、高輻射等復雜環(huán)境下的高品質5G網(wǎng)絡覆蓋，實現(xiàn)多網(wǎng)融合、超大帶寬、超低時延、海量接連。1個平臺是指借助中國移動礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可接入礦山設備并集成礦山各業(yè)務子系統(tǒng)，實現(xiàn)有效整合、集中管控，及時處理、指導和調節(jié)礦山各生產(chǎn)系統(tǒng)和環(huán)節(jié)運行，為5G智慧礦山提供開放統(tǒng)一的平臺支撐和服務。N大應用場景是指聚焦無人化采掘、井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、無軌膠輪車無人駕駛等重點場景，提供一體化服務，助力提升礦區(qū)本質安全與生產(chǎn)效率。
圖4.1 測試床總體架構
本測試床符合AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體架構2.0，本測試床架構驗證了AII總體架構中的功能架構，包括網(wǎng)絡體系架構中的網(wǎng)絡互連、數(shù)據(jù)互通，平臺體系架構中的邊緣層、PaaS 層和應用層功能組成，安全體系架構中的隱私數(shù)據(jù)保護等。
4.3. 測試床方案
1.網(wǎng)絡方案
本測試床提供井上及井下的4/5G網(wǎng)絡覆蓋，部署MEC打造5G專網(wǎng)，實現(xiàn)端到端的按需定制，與互聯(lián)網(wǎng)物理隔離，在內(nèi)部即可實現(xiàn)與云計算同樣的數(shù)據(jù)計算，保證數(shù)據(jù)無鏈路可上傳至公網(wǎng)，完全杜絕數(shù)據(jù)泄露的可能性。
圖4.2 測試床網(wǎng)絡方案
2.平臺方案
中國移動礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺可接入測試床礦山設備并集成已有礦山行業(yè)子系統(tǒng)，打通信息孤島，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的互通互聯(lián)，提升信息傳遞效率及準確性、優(yōu)化人工處理過程、減少危險作業(yè)區(qū)域人員數(shù)量、提升生產(chǎn)效率和經(jīng)營管理水平，建成集資源的數(shù)字化管理，面向智能決策、生產(chǎn)管理、安全監(jiān)控于一體智慧礦山融合管控大腦。
中國移動礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺可提供智能決策、生產(chǎn)管理、安全管理等典型業(yè)務應用，智能決策提供礦山的三維信息綜合管理、礦山數(shù)據(jù)分析、智能聯(lián)動服務；生產(chǎn)管理提供采煤機等井下設備的生產(chǎn)監(jiān)視與控制、生產(chǎn)調度；安全管理提供采煤機等設備的安全監(jiān)控和安全巡檢；另外，平臺還提供其他桌面及移動應用等功能，提升礦山生產(chǎn)效率、降低安全風險，支撐礦山智能化發(fā)展。
中國移動礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺通過對礦山“人、機、環(huán)”數(shù)據(jù)進行精準化采集、網(wǎng)絡化傳輸、規(guī)范化集成，實現(xiàn)可視化展現(xiàn)、自動化操作和智能化服務的礦山智慧體。
圖4.3 測試床平臺方案
3.應用方案
應用1：井下融合組網(wǎng)
利用5G與已有網(wǎng)絡建設融合，解決井下融合組網(wǎng)問題，適應井下復雜的工作環(huán)境，并最大化復用已有網(wǎng)絡投資。將移動5G基站引入井下，融合4G、光纖環(huán)網(wǎng)、WiFi等技術，實現(xiàn)井下巷道各區(qū)域的無線覆蓋，保證端到端安全、可靠、穩(wěn)定，滿足基本通信需求的基礎上，賦能生產(chǎn)環(huán)節(jié)，同時聯(lián)合合作伙伴提供與網(wǎng)絡強相關的智慧融合通信管控平臺，實現(xiàn)礦山行業(yè)語音、視頻、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、調度、管理、聯(lián)動及礦山融合組網(wǎng)的統(tǒng)一管理。
圖4.4 測試床井下融合組網(wǎng)應用方案
應用2：高清視頻監(jiān)控
利用5G大帶寬、低時延的特點，通過井下高清視頻采集終端實時采集高清視頻并回傳至地面監(jiān)控平臺，并基于機器視覺技術實現(xiàn)人員行為異常、設備故障、環(huán)境突發(fā)等不安全因素智能識別。麻地梁智慧礦山利用5G大帶寬特性，配套自動除塵高清攝像頭，實現(xiàn)井下綜采、掘進工作面以及其他監(jiān)控場景多路高清視頻監(jiān)控回傳，助力井下透明化，實現(xiàn)地面控制中心對井下采掘情況實時監(jiān)控。
圖4.5 測試床高清視頻監(jiān)控應用方案
應用3：5G機器人巡檢
5G+機器人巡檢以防爆智能機器人巡檢為核心，整合機器人技術、設備非接檢測技術、多傳感器融合技術、模式識別技術以及導航定位技術等，能夠實現(xiàn)煤礦井下配電房、水泵房、輸送帶全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控，有效降低勞動強度，降低煤礦井下配運維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的自動化和智能化水平，實現(xiàn)真正的無人化值守。
圖4.6 測試床5G機器人巡檢應用方案
場景4：5G井下無軌膠輪車無人駕駛
礦區(qū)無人駕駛依托于5G專用網(wǎng)絡，在無軌膠輪車本體加裝激光雷達、毫米波雷達、高清攝像頭、差分GPS定位等數(shù)據(jù)采集終端和車輛控制終端實現(xiàn)無軌膠輪車改裝工作，基于邊緣計算能力和礦山無人調度系統(tǒng)平臺，利用無人駕駛感知模塊、地下礦區(qū)RTK定位方案以及無人駕駛控制系統(tǒng)實現(xiàn)無軌膠輪車無人駕駛。
圖4.7 測試床5G井下無軌膠輪車無人駕駛應用方案
場景5：5G無人化采掘
基于5G專用網(wǎng)絡，在井下采煤機遠程控制本體加裝5G工業(yè)級模組、遠程操控系統(tǒng)及配套的控制傳感以及視頻監(jiān)控終端，替代原先5G+CPE的過渡方案，同時基于遠程控制操作臺和視頻監(jiān)控平臺，實現(xiàn)井下采煤機真正的5G遠程操控，一鍵啟停，成為改寫煤炭行業(yè)發(fā)展歷史的創(chuàng)新成果。
圖4.8 5G+無人化采掘系統(tǒng)示意圖
4.4. 方案重點技術
1、井下高精度同步授時
針對井下無法使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行精準授時的問題，采用網(wǎng)絡授時技術，完成高精度（30ns）同步授時。
2、超千兆大上行：
原有普通5G網(wǎng)絡僅能實現(xiàn)上下行時隙配比為2:8或3:7，即大部分帶寬資源用于下行，通過改變時隙配比可增加上行帶寬資源。通過研發(fā)“3：1上下行時隙配比方案”，實現(xiàn)“超千兆上行5G”功能。
3、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出礦
通過部署煤礦5G邊緣計算（MEC）單元，發(fā)揮5G交換、轉發(fā)核心網(wǎng)作用，確保煤礦信息不出礦、端到端低時延小于20ms。同時通過手機行為管控平臺，實現(xiàn)井下“通信號碼白名單”“接入應用白名單”功能，確保煤礦信息安全。
4、基于5G工業(yè)模組的采煤機遠程操控
基于5G專用網(wǎng)絡，在井下采煤機遠程控制本體加裝5G工業(yè)級模組、遠程操控系統(tǒng)及配套的控制傳感以及視頻監(jiān)控終端，替代原先5G+CPE的過渡方案，同時基于遠程控制操作臺和視頻監(jiān)控平臺，實現(xiàn)井下采煤機真正的5G遠程操控，一鍵啟停。
4.5. 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進性
1.自主研發(fā)性
本測試床網(wǎng)絡及平臺方案由上海產(chǎn)業(yè)研究院自主研發(fā)完成，終端部分由上海產(chǎn)業(yè)研究院與合作伙伴合作研發(fā)完成。
2.創(chuàng)新性
本測試床從頂層設計、關鍵技術、現(xiàn)網(wǎng)試點、終端模組到業(yè)務運營等方面取得突破，完成5G智慧礦山場景技術層面的深度驗證，包括超千兆大上行、高精度同步授時、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出礦及礦用設備5G遠程控制測試等。
3、行業(yè)創(chuàng)新突破
（1）模式與理念創(chuàng)新：利用采掘機遠程一鍵控制、井下膠輪車無人駕駛項目，實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理模式與產(chǎn)業(yè)設計理念的創(chuàng)新，
（2）數(shù)據(jù)管控創(chuàng)新：通過5G技術實時溝通供需兩端信息數(shù)據(jù)，提高煤礦工作效率，實現(xiàn)煤礦企業(yè)成本管控的創(chuàng)新；
（3）管理機制創(chuàng)新：取消礦井檢修班與夜班，使工作人員在操控間完成遠程作業(yè)，實現(xiàn)煤礦企業(yè)管理機制的創(chuàng)新。
4.6. 方案安全風險控制
測試床設計充分考慮到設備安全、網(wǎng)絡安全等需求，采取了隔爆改造、成環(huán)保護、備份冗余等設計措施，整體專網(wǎng)可靠性達到了99.999%，且實現(xiàn)了傳輸自愈性和通信自交換性。
1.終端安全防護
本測試床下井設備均通過防爆及煤安認證處理，滿足井下終端安全需求。
2.網(wǎng)絡安全防護
測試床網(wǎng)絡方案采用5G SA網(wǎng)絡架構，依靠5G邊緣計算及切片能力，滿足客戶視頻專網(wǎng)、應急通信特殊業(yè)務可靠性優(yōu)先保障需求。為滿足礦山數(shù)據(jù)不出礦需求，本測試提供5G專網(wǎng)尊享模式，通過專用基站、專用頻率、超級上行等手段實現(xiàn)定制建網(wǎng)。
同時，本測試床充分考慮5G與現(xiàn)網(wǎng)LTE的切換保障、系統(tǒng)鏈路冗余等措施，主要設備在停電的情況下應有至少2小時的續(xù)航能力，當設備出現(xiàn)故障后，能實現(xiàn)容災備份保障業(yè)務不中斷，建議與大網(wǎng)系統(tǒng)間組成資源池，實現(xiàn)容災自動切換
3.全網(wǎng)態(tài)勢感知
通過安全數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等技術，實現(xiàn)態(tài)勢感知監(jiān)測預警，做到全網(wǎng)安全情況的可觀、可測、可控。
5.1. 測試床實施規(guī)劃
2021年1月-2021年3月：需求調研，架構設計；
2021年4月-2021年5月：搭建智能礦山網(wǎng)絡環(huán)境；
2021年6月-2021年10月：項目應用部署實施；
2021年11月-2021年12月：應用效果驗證評估。
5.2. 測試床實施的技術支撐及保障措施
測試床由中移（上海）產(chǎn)業(yè)研究院提供技術支撐，并聯(lián)合行業(yè)客戶進行應用場景落地及驗證。
5.3. 測試床實施的自主可控性
本測試床網(wǎng)絡及平臺方案由中移（上海）產(chǎn)業(yè)研究院及內(nèi)蒙古移動自主完成，終端部分由上海產(chǎn)業(yè)研究院與戰(zhàn)略合作伙伴合作完成，具有自主可控性。
六、 測試床預期成果
本測試床以5G行業(yè)專網(wǎng)為基礎打造，實現(xiàn)井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、5G機器人巡檢、5G井下無軌膠輪車無人駕駛、5G無人化采掘等應用。
6.2. 測試床的商業(yè)價值、經(jīng)濟效益
本測試床通過部署5G無線專網(wǎng)，實現(xiàn)煤礦井上全覆蓋及井下巷道的部分無線覆蓋，利用5G網(wǎng)絡高速率、低時延、高可靠性和海量連接的特性，實現(xiàn)煤礦井上及井下巷道的信息化、自動化、智能化融合，提高了生產(chǎn)效率及安全性；高清視頻監(jiān)控助力井下透明化，實現(xiàn)地面控制中心對井下采掘情況實時監(jiān)控，提高作業(yè)安全；5G無人機器人巡檢和5G井下無軌膠輪車無人駕駛的實現(xiàn)降低煤礦井下配運維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的自動化和智能化水平，助力煤礦實現(xiàn)少人化無人化；5G無人化采掘實現(xiàn)井下采煤機5G遠程操控，一鍵啟停，成為改寫煤炭行業(yè)發(fā)展歷史的創(chuàng)新成果。
通過以上應用的實現(xiàn)，助力礦山行業(yè)在井下視頻監(jiān)控、井下巡檢、無軌膠輪車駕駛等區(qū)域實現(xiàn)少人化無人化，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)降本增效。
6.3. 測試床的社會價值
本測試床積極響應國家智能礦山發(fā)展要求，利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開采深度融合，提升礦區(qū)安全性、開采效率、資源利用率，同時降低生產(chǎn)成本，促進礦山智能化建設。
6.4. 測試床初步推廣應用案例
目前中國移動聯(lián)合內(nèi)蒙古麻地梁煤礦以及業(yè)內(nèi)合作伙伴，從5G專網(wǎng)網(wǎng)絡架構、井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控，層層突破，形成并成功驗證了中國移動“1+1+N”智慧礦山解決方案，并成功打造了多個行業(yè)第一，包括到5G工業(yè)級模組在井工礦采煤機上的首次應用、5G+無軌膠輪無人駕駛在井工礦的首次實現(xiàn)，在煤炭行業(yè)有著極高的可復制性和推廣性，對其它類型的智慧礦山（煤礦、金屬礦、非金屬礦、氣礦等）同樣具有借鑒意義。
七、 測試床成果驗證
本測試床對井下融合組網(wǎng)實現(xiàn)能力、高清視頻監(jiān)控效果、5G機器人巡檢可行性、5G無軌膠輪車自動駕駛、5G無人化挖掘實現(xiàn)水平等進行測試。
7.2. 測試床成果驗證方案
編號 | 應用 | 驗證內(nèi)容 |
1 | 井下融合組網(wǎng) | 實現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、調度、管理、聯(lián)動及礦山融合組網(wǎng)的統(tǒng)一管理 |
2 | 高清視頻監(jiān)控 | 實現(xiàn)井下綜采、掘進工作面以及其他監(jiān)控場景多路高清視頻監(jiān)控回傳 |
3 | 5G機器人巡檢 | 實現(xiàn)煤礦井下配電房、水泵房、輸送帶全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控 |
4 | 5G無軌膠輪車自動駕駛 | 實現(xiàn)無軌膠輪車無人駕駛 |
5 | 5G無人化挖掘 | 實現(xiàn)井下采煤機真正的5G遠程操控，一鍵啟停 |
本測試床與之前已經(jīng)審批的測試床無任何關聯(lián)。
9.1. 測試床成果交付件
測試床的交付件包括：
1）5G專網(wǎng)建設方案
2）應用場景測試報告
3）專利若干
9.2. 測試床可復制性
測試床可在礦山行業(yè)進行推廣復制，可應用井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、5G機器人巡檢、5G無軌膠輪車自動駕駛、5G無人化挖掘等場景。
9.3. 測試床開放性
本測試床符合礦山行業(yè)方案相關要求，應用落地過程涉及多家相關企業(yè)參與。
10.1. 測試床使用者
非發(fā)起方的測試床參與者可以使用本測試床的所有操作功能，但僅限于功能的操作使用，禁止泄露給同行業(yè)的第三方。
10.2. 測試床知識產(chǎn)權說明
中國移動上海產(chǎn)業(yè)研究院擁有本測試床的建設、運營以及使用權。
10.3. 測試床運營及訪問使用
平臺部署在客戶側，由中國移動提供運營服務。
10.4. 測試床資金
測試床資金為自有資金，穩(wěn)定充足，同時也會爭取專項資金支持。
10.5. 測試床時間軸
本測試床為短期項目，測試床驗證的時間進度安排如下：
2021年1月-2021年3月：需求調研，架構設計；
2021年4月-2021年5月：搭建智能礦山網(wǎng)絡環(huán)境；
2021年6月-2021年10月：項目應用部署實施；
2021年11月-2021年12月：應用效果驗證評估。
10.6. 附加信息
測試床具備良好的可復制性，可在礦山行業(yè)進行應用，提高礦山信息化水平，實現(xiàn)礦山行業(yè)語音、視頻、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、調度、管理、聯(lián)動及礦山融合組網(wǎng)的統(tǒng)一管理，降低勞動強度及井下配送運維成本，實現(xiàn)智能礦山少人化無人化需求，達到降本增效，保障生產(chǎn)安全目的。