引言/导读
为加快推进煤炭行业供给侧结构性改革，推动智能化技术与煤炭产业融合发展，提升煤矿智能化水平，国家发展改革委、国家能源局、应急部等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。指导意见指出，到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系。到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。
中移(上海)信息通信科技有限公司（中移（上海）产业研究院）是中国移动通信集团的全资子公司，自成立以来，立足上海、辐射全国，面向交通、工业能源、金融三大行业方向开展深入行业技术、平台、产品、四海资讯全讯新2的解决方案研发，以信息化、智能化为杠杆培育新动能，储备通用行业信息化能力，支撑中国移动在5g时代的垂直行业的市场开拓和发展。中移（上海）产业研究院积极布局智慧矿山行业的关键能力，参与矿山行业相关标准制定，结合自身优势推出“公网专享＋用户专网”双5g核心网，现已形成“1 1 n”智慧矿山整体四海资讯全讯新2的解决方案，可为矿山行业客户提供端到端一体化服务。同时联合业内龙头共建开放共享的新型产业生态圈，形成成熟的产业合作模式。公司已在山西、内蒙落成多个智慧矿山试点示范项目，不断实现技术创新，填补了国内5g技术场景应用空白，更加快了矿山行业智能化升级的速度。
一、 关键词
智慧矿山、5g、无人化采掘、无人驾驶
2.1. 发起公司和主要联系人四海资讯全讯新2的联系方式
中移（上海）信息信息通信科技有限公司
曹雪：15117965347，caoxue@cmsr.chinamobile.com
中国移动通信集团内蒙古有限公司
刘宁：18204710525，liuning3@nm.chinamobile.com
2.2. 合作公司
内蒙古智能煤炭有限责任公司
中国矿业大学
上海山源电子科技有限公司
畅加风行(苏州)智能科技有限公司
三、 测试床项目目标
智慧矿山是基于现代智能化理念，将工业互联网、云计算、大数据等与现代矿山开发技术深度融合，形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行。5g网络以其大带宽、低时延、广连接的特性与矿山领域数据采集及智能控制的场景契合度非常高，是打造智慧矿山的基础条件。中移(上海)产业研究院基于自身技术创新能力及行业经验积累，自主研发智慧矿山融合管控平台（中国移动矿山工业互联网平台），平台打造智慧决策、生产管理、安全管理、移动应用等功能模块，打通专业子系统之间的数据通道，为行业客户实现综合管控、数字化运维提供使能。同时结合5g技术优势，为行业客户提供端到端一体化智慧矿山服务。
本测试床主要基于中移（上海）产业研究院自主研发的，落地井下融合组网、高清视频监控、5g机器人巡检、5g井下无轨胶轮车无人驾驶、5g无人化采掘5大场景，验证5g网络技术在智慧矿山行业的应用的可行性、可靠性和必要性。形成可规模复制推广的智慧矿山四海资讯全讯新2的解决方案，切实解决矿山行业智能化升级过程中面临的数据采集不完整、无ai辅助决策手段、缺失边缘计算能力、设备监管与控制手段待升级等问题。
四、 测试床方案架构
4.1. 测试床应用场景
本测试床应用在矿山行业采、掘、机、运、通、综合等各个业务环节，涉及井下融合组网、高清视频监控、5g机器人巡检、5g井下无轨胶轮车无人驾驶、5g无人化采掘等应用。
4.2. 测试床架构
本测试床架构图如4.1 所示，中国移动上研院以5g行业专网为基础，打造“1 1 n”5g智慧矿山整体四海资讯全讯新2的解决方案。1张行业专网包括露天移动专网和井下融合专网，实现矿山高瓦斯、高辐射等复杂环境下的高品质5g网络覆盖，实现多网融合、超大带宽、超低时延、海量接连。1个平台是指借助中国移动矿山工业互联网平台，可接入矿山设备并集成矿山各业务子系统，实现有效整合、集中管控，及时处理、指导和调节矿山各生产系统和环节运行，为5g智慧矿山提供开放统一的平台支撑和服务。n大应用场景是指聚焦无人化采掘、井下融合组网、高清视频监控、无轨胶轮车无人驾驶等重点场景，提供一体化服务，助力提升矿区本质安全与生产效率。
图4.1 测试床总体架构
本测试床符合aii工业互联网总体架构2.0，本测试床架构验证了aii总体架构中的功能架构，包括网络体系架构中的网络互连、数据互通，平台体系架构中的边缘层、paas 层和应用层功能组成，安全体系架构中的隐私数据保护等。
4.3. 测试床方案
1.网络方案
本测试床提供井上及井下的4/5g网络覆盖，部署mec打造5g专网，实现端到端的按需定制，与互联网物理隔离，在内部即可实现与云计算同样的数据计算，保证数据无链路可上传至公网，完全杜绝数据泄露的可能性。
图4.2 测试床网络方案
2.平台方案
中国移动矿山工业互联网平台可接入测试床矿山设备并集成已有矿山行业子系统，打通信息孤岛，实现各系统之间的互通互联，提升信息传递效率及准确性、优化人工处理过程、减少危险作业区域人员数量、提升生产效率和经营管理水平，建成集资源的数字化管理，面向智能决策、生产管理、安全监控于一体智慧矿山融合管控大脑。
中国移动矿山工业互联网平台可提供智能决策、生产管理、安全管理等典型业务应用，智能决策提供矿山的三维信息综合管理、矿山数据分析、智能联动服务；生产管理提供采煤机等井下设备的生产监视与控制、生产调度；安全管理提供采煤机等设备的安全监控和安全巡检；另外，平台还提供其他桌面及移动应用等功能，提升矿山生产效率、降低安全风险，支撑矿山智能化发展。
中国移动矿山工业互联网平台通过对矿山“人、机、环”数据进行精准化采集、网络化传输、规范化集成，实现可视化展现、自动化操作和智能化服务的矿山智慧体。
图4.3 测试床平台方案
3.应用方案
应用1：井下融合组网
利用5g与已有网络建设融合，解决井下融合组网问题，适应井下复杂的工作环境，并最大化复用已有网络投资。将移动5g基站引入井下，融合4g、光纤环网、wifi等技术，实现井下巷道各区域的无线覆盖，保证端到端安全、可靠、稳定，满足基本通信需求的基础上，赋能生产环节，同时联合002全讯白菜官方网站的合作伙伴提供与网络强相关的智慧融合通信管控平台，实现矿山行业语音、视频、数据的统一接入、调度、管理、联动及矿山融合组网的统一管理。
图4.4 测试床井下融合组网应用方案
应用2：高清视频监控
利用5g大带宽、低时延的特点，通过井下高清视频采集终端实时采集高清视频并回传至地面监控平台，并基于机器视觉技术实现人员行为异常、设备故障、环境突发等不安全因素智能识别。麻地梁智慧矿山利用5g大带宽特性，配套自动除尘高清摄像头，实现井下综采、掘进工作面以及其他监控场景多路高清视频监控回传，助力井下透明化，实现地面控制中心对井下采掘情况实时监控。
图4.5 测试床高清视频监控应用方案
应用3：5g机器人巡检
5g 机器人巡检以防爆智能机器人巡检为核心，整合机器人技术、设备非接检测技术、多传感器融合技术、模式识别技术以及导航定位技术等，能够实现煤矿井下配电房、水泵房、输送带全天候、全方位、全自主智能巡检和监控，有效降低劳动强度，降低煤矿井下配运维成本，提高正常巡检作业和管理的自动化和智能化水平，实现真正的无人化值守。
图4.6 测试床5g机器人巡检应用方案
场景4：5g井下无轨胶轮车无人驾驶
矿区无人驾驶依托于5g专用网络，在无轨胶轮车本体加装激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头、差分gps定位等数据采集终端和车辆控制终端实现无轨胶轮车改装工作，基于边缘计算能力和矿山无人调度系统平台，利用无人驾驶感知模块、地下矿区rtk定位方案以及无人驾驶控制系统实现无轨胶轮车无人驾驶。
图4.7 测试床5g井下无轨胶轮车无人驾驶应用方案
场景5：5g无人化采掘
基于5g专用网络，在井下采煤机远程控制本体加装5g工业级模组、远程操控系统及配套的控制传感以及视频监控终端，替代原先5g cpe的过渡方案，同时基于远程控制操作台和视频监控平台，实现井下采煤机真正的5g远程操控，一键启停，成为改写煤炭行业发展历史的创新成果。
图4.8 5g 无人化采掘系统示意图
4.4. 方案重点技术
1、井下高精度同步授时
针对井下无法使用卫星定位系统进行精准授时的问题，采用网络授时技术，完成高精度（30ns）同步授时。
2、超千兆大上行：
原有普通5g网络仅能实现上下行时隙配比为2:8或3:7，即大部分带宽资源用于下行，通过改变时隙配比可增加上行带宽资源。通过研发“3：1上下行时隙配比方案”，实现“超千兆上行5g”功能。
3、生产数据不出矿
通过部署煤矿5g边缘计算（mec）单元，发挥5g交换、转发核心网作用，确保煤矿信息不出矿、端到端低时延小于20ms。同时通过手机行为管控平台，实现井下“通信号码白名单”“接入应用白名单”功能，确保煤矿信息安全。
4、基于5g工业模组的采煤机远程操控
基于5g专用网络，在井下采煤机远程控制本体加装5g工业级模组、远程操控系统及配套的控制传感以及视频监控终端，替代原先5g cpe的过渡方案，同时基于远程控制操作台和视频监控平台，实现井下采煤机真正的5g远程操控，一键启停。
4.5. 方案自主研发性、创新性及先进性
1.自主研发性
本测试床网络及平台方案由上海产业研究院自主研发完成，终端部分由上海产业研究院与002全讯白菜官方网站的合作伙伴合作研发完成。
2.创新性
本测试床从顶层设计、关键技术、现网试点、终端模组到业务运营等方面取得突破，完成5g智慧矿山场景技术层面的深度验证，包括超千兆大上行、高精度同步授时、生产数据不出矿及矿用设备5g远程控制测试等。
3、行业创新突破
（1）模式与理念创新：利用采掘机远程一键控制、井下胶轮车无人驾驶项目，实现安全生产管理模式与产业设计理念的创新，
（2）数据管控创新：通过5g技术实时沟通供需两端信息数据，提高煤矿工作效率，实现煤矿企业成本管控的创新；
（3）管理机制创新：取消矿井检修班与夜班，使工作人员在操控间完成远程作业，实现煤矿企业管理机制的创新。
4.6. 方案安全风险控制
测试床设计充分考虑到设备安全、网络安全等需求，采取了隔爆改造、成环保护、备份冗余等设计措施，整体专网可靠性达到了99.999%，且实现了传输自愈性和通信自交换性。
1.终端安全防护
本测试床下井设备均通过防爆及煤安认证处理，满足井下终端安全需求。
2.网络安全防护
测试床网络方案采用5g sa网络架构，依靠5g边缘计算及切片能力，满足客户视频专网、应急通信特殊业务可靠性优先保障需求。为满足矿山数据不出矿需求，本测试提供5g专网尊享模式，通过专用基站、专用频率、超级上行等手段实现定制建网。
同时，本测试床充分考虑5g与现网lte的切换保障、系统链路冗余等措施，主要设备在停电的情况下应有至少2小时的续航能力，当设备出现故障后，能实现容灾备份保障业务不中断，建议与大网系统间组成资源池，实现容灾自动切换
3.全网态势感知
通过安全数据采集，数据挖掘、机器学习等技术，实现态势感知监测预警，做到全网安全情况的可观、可测、可控。
5.1. 测试床实施规划
2021年1月-2021年3月：需求调研，架构设计；
2021年4月-2021年5月：搭建智能矿山网络环境；
2021年6月-2021年10月：项目应用部署实施；
2021年11月-2021年12月：应用效果验证评估。
5.2. 测试床实施的技术支撑及保障措施
测试床由中移（上海）产业研究院提供技术支撑，并联合行业客户进行应用场景落地及验证。
5.3. 测试床实施的自主可控性
本测试床网络及平台方案由中移（上海）产业研究院及内蒙古移动自主完成，终端部分由上海产业研究院与战略002全讯白菜官方网站的合作伙伴合作完成，具有自主可控性。
六、 测试床预期成果
本测试床以5g行业专网为基础打造，实现井下融合组网、高清视频监控、5g机器人巡检、5g井下无轨胶轮车无人驾驶、5g无人化采掘等应用。
6.2. 测试床的商业价值、经济效益
本测试床通过部署5g无线专网，实现煤矿井上全覆盖及井下巷道的部分无线覆盖，利用5g网络高速率、低时延、高可靠性和海量连接的特性，实现煤矿井上及井下巷道的信息化、自动化、智能化融合，提高了生产效率及安全性；高清视频监控助力井下透明化，实现地面控制中心对井下采掘情况实时监控，提高作业安全；5g无人机器人巡检和5g井下无轨胶轮车无人驾驶的实现降低煤矿井下配运维成本，提高正常巡检作业和管理的自动化和智能化水平，助力煤矿实现少人化无人化；5g无人化采掘实现井下采煤机5g远程操控，一键启停，成为改写煤炭行业发展历史的创新成果。
通过以上应用的实现，助力矿山行业在井下视频监控、井下巡检、无轨胶轮车驾驶等区域实现少人化无人化，降低企业生产成本，保证生产安全，提高生产效率，实现降本增效。
6.3. 测试床的社会价值
本测试床积极响应国家智能矿山发展要求，利用5g、物联网、云计算、大数据、人工智能、工业互联网、机器人化装备等与现代矿山开采深度融合，提升矿区安全性、开采效率、资源利用率，同时降低生产成本，促进矿山智能化建设。
6.4. 测试床初步推广应用案例
目前中国移动联合内蒙古麻地梁煤矿以及业内002全讯白菜官方网站的合作伙伴，从5g专网网络架构、井下融合组网、高清视频监控，层层突破，形成并成功验证了中国移动“1 1 n”智慧矿山四海资讯全讯新2的解决方案，并成功打造了多个行业第一，包括到5g工业级模组在井工矿采煤机上的首次应用、5g 无轨胶轮无人驾驶在井工矿的首次实现，在煤炭行业有着极高的可复制性和推广性，对其它类型的智慧矿山（煤矿、金属矿、非金属矿、气矿等）同样具有借鉴意义。
成果验证
本测试床对井下融合组网实现能力、高清视频监控效果、5g机器人巡检可行性、5g无轨胶轮车自动驾驶、5g无人化挖掘实现水平等进行测试。
7.2. 测试床成果验证方案
编号 | 应用 | 验证内容 |
1 | 井下融合组网 | 实现语音、视频、数据的统一接入、调度、管理、联动及矿山融合组网的统一管理 |
2 | 高清视频监控 | 实现井下综采、掘进工作面以及其他监控场景多路高清视频监控回传 |
3 | 5g机器人巡检 | 实现煤矿井下配电房、水泵房、输送带全天候、全方位、全自主智能巡检和监控 |
4 | 5g无轨胶轮车自动驾驶 | 实现无轨胶轮车无人驾驶 |
5 | 5g无人化挖掘 | 实现井下采煤机真正的5g远程操控，一键启停 |
本测试床与之前已经审批的测试床无任何关联。
9.1. 测试床成果交付件
测试床的交付件包括：
1）5g专网建设方案
2）应用场景测试报告
3）专利若干
9.2. 测试床可复制性
测试床可在矿山行业进行推广复制，可应用井下融合组网、高清视频监控、5g机器人巡检、5g无轨胶轮车自动驾驶、5g无人化挖掘等场景。
9.3. 测试床开放性
本测试床符合矿山行业方案相关要求，应用落地过程涉及多家相关企业参与。
10.1. 测试床使用者
非发起方的测试床参与者可以使用本测试床的所有操作功能，但仅限于功能的操作使用，禁止泄露给同行业的第三方。
10.2. 测试床知识产权说明
中国移动上海产业研究院拥有本测试床的建设、运营以及使用权。
10.3. 测试床运营及访问使用
平台部署在客户侧，由中国移动提供运营服务。
10.4. 测试床资金
测试床资金为自有资金，稳定充足，同时也会争取专项资金支持。
10.5. 测试床时间轴
本测试床为短期项目，测试床验证的时间进度安排如下：
2021年1月-2021年3月：需求调研，架构设计；
2021年4月-2021年5月：搭建智能矿山网络环境；
2021年6月-2021年10月：项目应用部署实施；
2021年11月-2021年12月：应用效果验证评估。
10.6. 附加信息
测试床具备良好的可复制性，可在矿山行业进行应用，提高矿山信息化水平，实现矿山行业语音、视频、数据的统一接入、调度、管理、联动及矿山融合组网的统一管理，降低劳动强度及井下配送运维成本，实现智能矿山少人化无人化需求，达到降本增效，保障生产安全目的。