5G賦能，擁抱智慧礦山時代

文/任志青

5G技術(shù)具有超高速率、超低時延、超大連接的技術(shù)特點，能夠為煤礦物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供有效解決方案，賦能傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)的智能化轉(zhuǎn)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(yè)區(qū)，這里距離地面534米，這里開通了世界首個煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)，也是世界上距離地表最深的5G網(wǎng)絡(luò)。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(shù)，與煤礦井下生產(chǎn)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)讓全世界實時共享和見證了登頂珠峰的盛況，中國5G技術(shù)登上了地球之巔。

有高度，就有深度。對于煤炭行業(yè)來說，5G技術(shù)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(yè)的深度融合，在于促進煤炭產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、推動煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)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(lǐng)卻不小，能夠360度視頻監(jiān)測、音頻采集、紅外熱成像，精準(zhǔn)記錄設(shè)備故障發(fā)生的時間、地點以及故障類型。

基于5G技術(shù)，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(shù)據(jù)都能夠精準(zhǔn)迅捷地回傳到地面總調(diào)度室，便于井上對硐室環(huán)境、設(shè)備進行遠程監(jiān)測；同樣是基于5G技術(shù)，在地面，就可以對機器人的動作進行實時控制。

從遠程監(jiān)測到遠程監(jiān)控，井下機電硐室的作業(yè)方式被徹底顛覆，真正實現(xiàn)了無人值守、無人巡檢。

5G為什么要下井？

從通信行業(yè)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(yè)務(wù)成為5G第一波特色應(yīng)用，顯著提升了消費者的個人體驗。

不過，在業(yè)內(nèi)人士看來，這些面向消費端的業(yè)務(wù)提升只是4G服務(wù)的自然演進，要真正發(fā)揮5G的巨大價值，還要看工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(2B)的應(yīng)用。

5月20日，工業(yè)和信息化部新聞發(fā)言人、信息通信發(fā)展司司長聞庫在國務(wù)院新聞發(fā)布會上表示，將加速5G應(yīng)用由2C向2B拓展，加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，開啟我國數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)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(lián)技術(shù)優(yōu)勢，其核心是產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。而礦山是產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的一個重要市場?！鼻迦A大學(xué)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院副院長劉大成說。

從煤炭行業(yè)來看。

20 19 年，煤炭占我國基礎(chǔ)能源生產(chǎn)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(xiàn)有煤礦5200多處，分布區(qū)域廣泛，開采地質(zhì)條件復(fù)雜多變，煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水、火等多種災(zāi)害并存。推動能源革命，建設(shè)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(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，吹響了我國煤礦智能化建設(shè)的號角。

中國煤炭工業(yè)協(xié)會副會長劉峰表示，煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，代表著煤炭行業(yè)先進生產(chǎn)力的發(fā)展方向。然而，大容量快速通信一直是智能礦山發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸，5G技術(shù)具有超高速率、超低時延、超大連接的技術(shù)特點，能夠為煤礦物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供有效解決方案。煤礦5G技術(shù)突破與應(yīng)用，將有力推動我國智能化礦山建設(shè)。

“原有的井下數(shù)字通信技術(shù)，對于實現(xiàn)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(shù)廣連接、大帶寬、低時延的三大特性，契合了煤礦智能化發(fā)展的需求。”

“5G在煤礦是剛需，是安全生產(chǎn)的堅強保障。”陽煤集團黨委書記、董事長翟紅說，“根據(jù)煤礦井下地理條件復(fù)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(xiàn)在所認識到的語言通信、信息下載等功能，關(guān)鍵是實現(xiàn)了工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控的安全可靠性，更是井下安全生產(chǎn)的有力支撐，起著無人、少人的關(guān)鍵作用。”

從信息化到網(wǎng)絡(luò)化再到數(shù)字化，從自動化到少人化再到無人化，5G下井，賦能傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。

在陽煤集團新元公司調(diào)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(fā)布會采用“現(xiàn)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(lián)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(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)盟；2019年9月21日至10月1日，經(jīng)過多次深入研討，確定新元公司為陽煤集團5G技術(shù)礦井應(yīng)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(chǔ)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(fù)雜，在這里試點成功，后續(xù)會具有較強的推廣價值?！钡约t介紹。

5G與煤礦的結(jié)合應(yīng)用，業(yè)內(nèi)尚屬空白，加之井下環(huán)境復(fù)雜，所有的工作都是一邊摸索一邊研究。

在中國礦業(yè)大學(xué)（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(fā)瓦斯爆炸，好事變壞事。

針對設(shè)備安全問題，創(chuàng)新聯(lián)盟對5G基站進行了特殊防爆改造，成功研發(fā)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(fā)應(yīng)用的5G基站，主要應(yīng)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(dāng)設(shè)備應(yīng)用到井下時，環(huán)境變得更加復(fù)雜，除了滿足防爆要求之外，還要通過結(jié)構(gòu)化改造，對設(shè)備其他方面的防護等級進一步升級。另外，井下環(huán)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?！比A為公司全球5G市場部部長趙志鵬介紹。

更多的創(chuàng)新也讓一個個問題迎刃而解，保證了5G順利下井。

——精準(zhǔn)授時。傳統(tǒng)的地面5G基站，需要使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行精準(zhǔn)的同步授時。如果時間不能同步，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸就會產(chǎn)生誤差，如同生活中兩個人握手，一個已經(jīng)伸出了手，另一個的手卻還靜靜袖著——對于工業(yè)而言，則失之毫厘，謬以千里?！霸诰?00多米，顯然無法接收衛(wèi)星信號。為此，我們專門研發(fā)了井下5G基站網(wǎng)絡(luò)同步授時技術(shù)，精度為100納秒以下，也就是億分之一秒，保證了網(wǎng)絡(luò)的高可靠性、可高控性、超高安全性?！敝袊苿由轿鞣止灸茉葱袠I(yè)5G技術(shù)總監(jiān)呂樂介紹。

——超千兆上行?！?G應(yīng)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(jiān)測數(shù)據(jù)上傳量大、指令下傳量小?！壁w志鵬說。為此，創(chuàng)新聯(lián)盟將傳統(tǒng)大下載的上/下行2:8 時隙比研發(fā)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(yè)上傳下控典型應(yīng)用需求。

——數(shù)據(jù)安全。“我們部署全國首個‘獨立組網(wǎng)+邊緣計算’架構(gòu)，實現(xiàn)了主數(shù)據(jù)處理不出礦，確保了數(shù)據(jù)安全，降低了數(shù)據(jù)傳輸時延?！眳螛方榻B。經(jīng)實際測量，傳輸時延小于20ms。

根據(jù)井下巷道起伏變化的特性，為保證5G網(wǎng)絡(luò)性能，創(chuàng)新聯(lián)盟還研發(fā)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(fù)雜的一個綜采工作面提供完整、全面、有效的5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）校長葛世榮認為，在500多米深的井下，5G網(wǎng)絡(luò)依舊能夠安全、穩(wěn)定運行，并且成功解決基站設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)授時、上行數(shù)據(jù)傳輸、礦山信息安全等難題，這為礦山5G技術(shù)的應(yīng)用闖出了一條新路。

5G下井現(xiàn)在能做什么

“目前正在小列車集控室，進風(fēng)巷工作面情況正常?！币煌ㄒ曨l電話“搭乘”5G網(wǎng)絡(luò)，從地下534米處打來；井上調(diào)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?jié)舛群蜏貪穸鹊戎笜?biāo)一覽無余；技術(shù)人員正在進行遠程監(jiān)控操作。

在山西陽煤集團新元煤礦，5 G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“聯(lián)袂出演”，讓這座傳統(tǒng)煤礦實現(xiàn)著智能化嬗變。

5G因其顯著的性能優(yōu)勢，正革新著傳統(tǒng)井下作業(yè)模式。

近年來，井下很多控制系統(tǒng)都實現(xiàn)了遠程集中監(jiān)測，但受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，視頻清晰度相當(dāng)于“霧里看花”。和4G小于20Mbps的上行帶寬相比，陽煤新元5G專網(wǎng)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(jié)合視頻智能AI分析技術(shù)，讓技術(shù)人員從“霧里看花”到“身臨其境”——井上看清井下。

生產(chǎn)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(xiàn)實——井上控制井下。

在井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的末端，傳統(tǒng)方式是敷設(shè)大量復(fù)雜的通信線纜。通過5G無線傳輸，可以輕松“剪”掉設(shè)備通信線纜，方便設(shè)備移動，大大減少通信線纜敷設(shè)、維護、排障工作量——末端設(shè)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(tǒng)一張網(wǎng)、信息互相隔離的情況成為過去。同時，融合統(tǒng)一的數(shù)據(jù)借助邊緣計算能力，使數(shù)據(jù)統(tǒng)一運算成為現(xiàn)實——井下萬物互聯(lián)、多網(wǎng)歸一、統(tǒng)一運算。

陽煤集團新元公司副總經(jīng)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(yīng)用，幫助煤礦實現(xiàn)礦井無人化、自動化、可視化運行?！?/p>

機電硐室無人巡檢應(yīng)用，針對煤礦企業(yè)機電設(shè)備在長期運行過程中易發(fā)生故障的現(xiàn)實量身定制，降低了工作人員的勞動強度和風(fēng)險，有助于提高巡檢質(zhì)量與效率。

掘進面無人操作應(yīng)用，可以進行遠程操作截割和支護作業(yè)，實現(xiàn)了掘進作業(yè)的遠程安全精準(zhǔn)操控，有效解決了傳統(tǒng)人工作業(yè)操作危險系數(shù)大、勞動強度高的問題。

綜采面無人操作應(yīng)用，解決了井下設(shè)備運行過程中線纜維護量大、信號經(jīng)常缺失等問題，為遠程操作人員提供全景高清作業(yè)視野，既有效降低危險作業(yè)區(qū)域安全事故發(fā)生率，也節(jié)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(yīng)用綜采工作面自動化開采技術(shù)，井下系統(tǒng)已減少操作人員321人。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，有望在產(chǎn)能進一步提升的同時，再減少1000人?！钡约t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(yè)協(xié)會簽署了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能化礦山建設(shè)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架協(xié)議，雙方將依托各自優(yōu)勢，借助陽煤示范項目的原創(chuàng)和先發(fā)優(yōu)勢，研究制定煤礦5G總體網(wǎng)絡(luò)框架、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺及相關(guān)技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)，推動5G深入應(yīng)用和煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

“智能礦山，標(biāo)準(zhǔn)先行。”劉峰表示，“標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用是煤礦5G應(yīng)用和智能礦山建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。”

翟紅同樣認為，制定煤礦5G技術(shù)指導(dǎo)性規(guī)范和推薦性標(biāo)準(zhǔn)，有利于指導(dǎo)企業(yè)更加科學(xué)、有效地開展5G技術(shù)井下應(yīng)用。尤其是需要明確井下5G專用頻段、組網(wǎng)架構(gòu)、多網(wǎng)融合等關(guān)鍵性問題。

“中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國煤炭學(xué)會將按照‘即用先行、開放合作’的原則，聯(lián)合通信運營商、設(shè)備提供商等，盡快開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究工作，并在企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，逐步推動升級為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)?！眲⒎逭f。

結(jié)合應(yīng)用場景對5G網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計優(yōu)化，深入推進各鏈條的“剪、看、控”能力，同樣是工作重點。

據(jù)中國移動上海產(chǎn)業(yè)研究院副總經(jīng)理陳豫蓉介紹，下一步，要提升5G網(wǎng)絡(luò)能力，開發(fā)通用5G物聯(lián)網(wǎng)模組，實現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)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(shù)的不斷升級，提供更加自主靈活的視角，實現(xiàn)暗環(huán)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(yīng)用，還應(yīng)該是整個煤炭上下游產(chǎn)業(yè)鏈的行為。

“5G技術(shù)為工業(yè)現(xiàn)場提供了大帶寬、低時延數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在井下動態(tài)環(huán)境實現(xiàn)了可靠的無線傳輸，由此倒逼我們轉(zhuǎn)變思路，推動基于5G技術(shù)的設(shè)計理念變革，加大基于5G傳輸技術(shù)的煤礦設(shè)備及其智能控制系統(tǒng)的研發(fā)?！钡约t說。

上海創(chuàng)力電氣研究院院長石勇直言，過去，因為沒有數(shù)據(jù)傳輸通道，采掘設(shè)備很多環(huán)節(jié)上并沒有加裝傳感器。現(xiàn)在，設(shè)計人員的思維方式需要徹底轉(zhuǎn)變。

天津華寧公司總經(jīng)理吳國強表示，基于5G技術(shù)，在后續(xù)巡檢機器人的研發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈的巨大變革。而5G工業(yè)應(yīng)用研發(fā)投入大，涉及領(lǐng)域廣，這就需要政府、行業(yè)、企業(yè)通力合作，成立更廣泛的技術(shù)應(yīng)用聯(lián)盟，互有重點、互通有無、互相借鑒，擴大5G+智能煤礦產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。

“在很近的將來，5G會變成像水、電、煤一樣的基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前，越是早投入5G應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)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(jīng)驗，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，共同推動5G給千行百業(yè)帶來更多價值?！壁w志鵬說。

可喜的是，6月18日上午，由中國移動聯(lián)合清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（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(lián)盟。聯(lián)盟將以5G智慧礦山建設(shè)為載體，聯(lián)合各方力量構(gòu)建智慧礦山合作平臺，加快關(guān)鍵核心技術(shù)突破，引導(dǎo)資源共建共享，推動5G與礦山行業(yè)融合創(chuàng)新。

5 G 賦能，智慧礦山時代，來了！