中國移動(dòng)面向智慧礦山行業(yè)應(yīng)用的5G無線網(wǎng)規(guī)劃研究

［樊正茂 趙婧 戴俊 吳正華］

1 引言

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，數(shù)字經(jīng)濟(jì)上升為國家戰(zhàn)略高度，成為高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合帶來產(chǎn)業(yè)數(shù)字化是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力?！秶抑虚L期科技發(fā)展規(guī)劃》明確指出智慧礦山是未來礦山發(fā)展的方向和重要任務(wù)；2020 年國家發(fā)改委、國家能源局等八部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，到2025 年大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，井下重點(diǎn)崗位機(jī)器人作業(yè)，露天煤礦實(shí)現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無人化運(yùn)輸；到2035年各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系?！丁笆奈濉钡V山安全生產(chǎn)規(guī)劃》也明確提出加快5G、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)與礦山安全生產(chǎn)的深度融合，推動(dòng)建設(shè)一批無人少人智能化示范礦山。因此基于5G 網(wǎng)絡(luò)打造“安全、高效、智能、綠色”的新型礦山建設(shè)模式，以建設(shè)少人、無人礦山是礦山行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展目標(biāo)。

2 行業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署面臨挑戰(zhàn)分析

礦山主要包括露天礦和井工礦兩種類型。礦山向無人化轉(zhuǎn)型需要一張高容量、大帶寬、低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行支撐，從當(dāng)前智慧礦山網(wǎng)絡(luò)部署來看，存在以下挑戰(zhàn)：

（1）單一靠5G 大網(wǎng)難以滿足全部智慧礦山應(yīng)用需求

智慧礦山應(yīng)用主要包括采掘遠(yuǎn)控、運(yùn)輸控制、大量視頻監(jiān)控等應(yīng)用，屬工業(yè)級(jí)應(yīng)用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求極高，且礦山作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)面變化快，同時(shí)井工礦為地下作業(yè)，地面公網(wǎng)無法覆蓋，另外網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全性要求高，因此單靠公網(wǎng)難以滿足全部應(yīng)用需求。

（2）礦區(qū)地形復(fù)雜，站址選擇難

露天礦地理環(huán)境往往較為復(fù)雜，站址選擇，不僅需要根據(jù)礦區(qū)地理環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)無線信號(hào)的有效覆蓋，更需要在考慮礦區(qū)供電傳輸、環(huán)境隨采掘面變化、礦區(qū)存在爆破區(qū)域等實(shí)際情況下，結(jié)合實(shí)際開采業(yè)務(wù)需求進(jìn)行確定?；诼短斓V的環(huán)境及特點(diǎn)，需要對(duì)礦區(qū)工作面進(jìn)行專項(xiàng)覆蓋及管理，同時(shí)兼顧專網(wǎng)與公網(wǎng)的協(xié)同規(guī)劃，避免干擾。

（3）覆蓋易存盲區(qū)

為實(shí)現(xiàn)露天礦礦區(qū)的有效覆蓋，無線基站往往選擇較高位置，對(duì)于作業(yè)面凹陷礦坑（部分垂直落差達(dá)到百米），網(wǎng)絡(luò)需要向下實(shí)現(xiàn)有效覆蓋；另外，道路、作業(yè)面可能被山體等遮蓋，導(dǎo)致影響礦區(qū)業(yè)務(wù)開展。因此，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況適度規(guī)劃可移動(dòng)基站，保障礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

（4）大帶寬上行

實(shí)現(xiàn)礦區(qū)車輛的自動(dòng)駕駛，相關(guān)工程機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，依賴于大量安裝于車輛、工程機(jī)械設(shè)備、礦區(qū)道路及周邊環(huán)境的攝像機(jī)、傳感器、雷達(dá)對(duì)作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，一個(gè)作業(yè)面往往涉及上百個(gè)數(shù)據(jù)采集單元，設(shè)備密集，尤其是多路高清視頻同時(shí)上傳，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)大，需要網(wǎng)絡(luò)有效的大帶寬上行保障。

（5）低時(shí)延控制

無論是礦區(qū)車輛的自動(dòng)駕駛，還是鉆機(jī)、挖掘機(jī)等工程機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，在無人礦山解決方案中，都需要對(duì)現(xiàn)場特殊作業(yè)事件的遠(yuǎn)程處理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延提出較高要求；以礦區(qū)電鏟遠(yuǎn)程操控為例，時(shí)延要求低于20 ms。網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延保障將影響遠(yuǎn)程操作體驗(yàn)及現(xiàn)場作業(yè)安全。

（6）網(wǎng)絡(luò)安全性

礦山場景應(yīng)用需要基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)裝備之間的互聯(lián)，無人礦山需要實(shí)現(xiàn)人在對(duì)作業(yè)現(xiàn)場裝備的遠(yuǎn)程操控，或者基于AI 實(shí)現(xiàn)礦區(qū)車輛的自動(dòng)駕駛，相關(guān)數(shù)據(jù)承載在網(wǎng)絡(luò)上，差分定位等服務(wù)需要獲取公網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)資源，因此，網(wǎng)絡(luò)存在一定的安全隱患。在礦區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層面，需要通過一定的技術(shù)及管理機(jī)制，保障數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，保障數(shù)據(jù)的安全，需要在網(wǎng)絡(luò)層面建立分層分級(jí)的技術(shù)保障體系，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

3 礦石開采主要流程

3.1 露天礦

露天采礦是一個(gè)移走礦體上的覆蓋物，得到所需礦物的過程，從敞露地表的采礦場采出有用礦物的過程?，F(xiàn)場情況如圖1 所示，作業(yè)流程如圖2 所示。

圖1 露天礦現(xiàn)場示意圖

圖2 露天開采作業(yè)流程圖

露天開采作業(yè)主要包括穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸和排土等流程。

（1）穿孔、爆破：在露天采場礦巖內(nèi)鉆鑿一定直徑和深度的定向爆破孔，以炸藥爆破，對(duì)礦巖進(jìn)行破碎和松動(dòng)。

（2）采裝：用人工或機(jī)械將礦巖裝入運(yùn)輸設(shè)備，或直接卸到指定地點(diǎn)。

（3）運(yùn)輸：是將露天采場的礦、巖分別運(yùn)送到卸載點(diǎn)（或選礦廠）和排土場，同時(shí)把生產(chǎn)人員、設(shè)備和材料運(yùn)送到采礦場。

（4）排土：從露天采場將剝離覆蓋在礦床上部及其周圍的大量表土和巖石，運(yùn)送到專門設(shè)置的場地（如排土場或廢石場）進(jìn)行排棄的作業(yè)。

3.2 井工礦

（1）煤礦：關(guān)鍵作業(yè)場景包含綜（回）采面、掘進(jìn)面、硐室、巷道以及全域。如圖3 所示。

圖3 井工礦（煤礦）關(guān)鍵作業(yè)場景圖

綜（回）采面：采煤工作面，一般2～4 m 高（取決于煤層的厚度，使用的采煤機(jī)不同），國內(nèi)一個(gè)礦一般有2～3個(gè)工作面，國外多一礦一面，國內(nèi)多使用回退式采煤法。

掘進(jìn)面：綜采工作面形成初期由掘進(jìn)機(jī)開辟通道，U型，一側(cè)為運(yùn)輸順槽，一側(cè)為回風(fēng)順槽，底邊為綜采面。

硐室：機(jī)電設(shè)備存放，人員躲避，排水，縱深約100 m以上。如晉控三元礦的中央變電所。

巷道：即主運(yùn)巷道（運(yùn)煤），輔運(yùn)巷道（運(yùn)人，物料），長度幾公里至數(shù)十公里，一般可以并排通行兩輛膠輪車。

全域：井上井下全域范圍，人、車等的定位、實(shí)時(shí)通信和統(tǒng)一調(diào)度。

（2）非煤礦

非煤礦開采主要流程如圖4 所示。

圖4 井工礦（非煤礦）開采流程圖

①掘（爆破）：在礦體內(nèi)裝填炸藥進(jìn)行爆破，爆破后礦石形成礦石塊。

② 采（出礦）：通過礦石鏟運(yùn)機(jī)將礦石運(yùn)輸?shù)搅锞庍M(jìn)行匯聚。

③運(yùn)（礦井內(nèi)運(yùn)輸）：通過電機(jī)車將礦石運(yùn)輸?shù)叫遁d站，準(zhǔn)備破碎。初碎：采用破碎機(jī)對(duì)礦石進(jìn)行破碎，便于皮帶傳輸。

④ 運(yùn)（運(yùn)輸至選廠）：通過皮帶傳送將初碎后礦石運(yùn)輸至選礦廠，進(jìn)行選礦作業(yè)。

4 典型業(yè)務(wù)及其網(wǎng)絡(luò)需求

4.1 典型業(yè)務(wù)一：視頻回傳（上行大帶寬需求）

4.1.1 業(yè)務(wù)描述

部署視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)人流、物流的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常行為，避免安全事故發(fā)生。一般推薦1080p 高清視頻，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高。

4.1.2 部署環(huán)境分析：視頻回傳使用較為廣泛。

露天礦：采掘設(shè)備遠(yuǎn)程操作控制以及車輛運(yùn)輸控制、礦山日常巡檢、皮帶傳送巡檢、爆破時(shí)智能警戒監(jiān)控等。覆蓋場景包含室外點(diǎn)狀、線狀、面狀覆蓋。

井工礦：綜采面和巷道視頻監(jiān)控，井工礦綜采面通常為U 型巷道結(jié)構(gòu)，典型采煤工作面長約240 m，根據(jù)不同煤礦類型及煤層分布，最長有320 m，短的也有160 m。主運(yùn)巷道主要用于把地下采出的礦通過皮帶輸送至井上，該巷道距離較長一般大于10 km，寬高約5～6 m。此類覆蓋場景基本為室內(nèi)線狀覆蓋。

視頻回傳如圖5 所示。

圖5 視頻回傳示意圖

4.2 典型業(yè)務(wù)二：遠(yuǎn)程操控（高可靠、低時(shí)延需求）

4.2.1 業(yè)務(wù)描述

在距離礦區(qū)采場一定距離的室內(nèi)部署遙控駕駛艙，操作員可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控大型采掘設(shè)備，下發(fā)遠(yuǎn)程操控指令，如推壓、提升、旋轉(zhuǎn)、行走等。

4.2.2 部署環(huán)境分析：鏟礦車遠(yuǎn)控

鏟礦車遠(yuǎn)程操控過程如圖6 所示。

圖6 遠(yuǎn)程操控示意圖

礦道內(nèi)存在安全隱患（如突泥災(zāi)害），對(duì)人身安全造成威脅，給安全生產(chǎn)帶來潛在影響。5G 遠(yuǎn)控鏟運(yùn)車進(jìn)行裝卸，無需人工穿操作，在遠(yuǎn)控中心進(jìn)行操作，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，提升人員工作環(huán)境。該類覆蓋場景基本為點(diǎn)狀或線狀場景。

4.3 典型業(yè)務(wù)三：無人駕駛（高速率、高可靠、低時(shí)延需求）

4.3.1 業(yè)務(wù)描述

通過5G 與礦業(yè)的深度融合，不斷優(yōu)化礦用車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)智能駕駛系統(tǒng)，利用5G 高速率、低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的無人駕駛礦用車輛。

4.3.2 部署環(huán)境分析：

（1）非有軌場景

露天煤礦采礦區(qū)，通過汽車完成煤礦運(yùn)輸工作，與外部環(huán)境相對(duì)封閉，行駛速度一般不超過35 km/h。通過后臺(tái)規(guī)劃好運(yùn)行軌跡，通過5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)輸全流程控制。具體流程如圖7 所示。

圖7 非有軌場景操作流程圖

（2）有軌場景

有軌電機(jī)車：由蓄電池提供動(dòng)力類軌道運(yùn)輸設(shè)備，在主要的運(yùn)輸巷道、輔助運(yùn)輸巷道、掘進(jìn)巷道中對(duì)礦車進(jìn)行牽引，完成原煤，礦石，矸石，材料，設(shè)備，人員等的運(yùn)輸任務(wù)。如圖8 所示。

圖8 有軌場景示意圖

4.4 典型業(yè)務(wù)四：大規(guī)模數(shù)據(jù)采集（大連接、高可靠需求）

4.4.1 業(yè)務(wù)描述

為保證礦區(qū)生產(chǎn)有序進(jìn)行，需對(duì)礦區(qū)運(yùn)行參數(shù)（溫濕度、氣體濃度等）進(jìn)行檢測傳感，并上傳至綜合管理平臺(tái)。保障回傳數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)99.99%，避免告警類數(shù)據(jù)丟包形成誤告。數(shù)據(jù)采集回傳過程如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集回傳示意圖

4.4.2 部署環(huán)境分析：使用較為廣泛，基本涵蓋全部礦區(qū)。

4.5 典型業(yè)務(wù)需求匯總

典型業(yè)務(wù)需求如表1 所示。

表1 典型業(yè)務(wù)需求匯總

5 5G 無線網(wǎng)規(guī)劃建議

（1）頻率選擇

中國移動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)頻率有2.6 GHz、4.9 GHz、700 MHz，其中700 MHz為廣電所有，中國移動(dòng)與中國廣電共建共享。2.6 GHz、4.9 GHz 頻段既可用于公網(wǎng)，也可以用于行業(yè)專網(wǎng)。2.6 GHz 具有160 M 帶寬，容量大特點(diǎn)；4.9 GHz 頻段高是5G 容量的有效補(bǔ)充，4.9 GHz 應(yīng)用于行業(yè)應(yīng)用可避免與大網(wǎng)2.6 GHz 干擾。

（2）設(shè)備選型

①2.6 GHz設(shè)備通道選擇：2.6GHz設(shè)備存在多種類型，覆蓋能力和應(yīng)用場景均存在一定差異。

64 通道：主要用于樓高高于30 米或CBD 等高容量場景；

32 通道：主要用于樓高低于30 米或容量不高場景，相比64 通道，小區(qū)吞吐量下降約15%～20%；

8 通道：用于64 通道、32 通道工程實(shí)施困難場景。

② 在井工礦內(nèi)設(shè)備選型時(shí)，需選擇具有防爆特性設(shè)備。

（3）上行容量保障

結(jié)合專屬幀結(jié)構(gòu)(1D3U)、載波聚合(CA)、全上行(SUL)等專屬上行方案，分階段提供分場景分檔大上行方案，滿足行業(yè)需求。目前載波聚合已完成700 MHz+2.6 GHz、2.6 GHz 頻段內(nèi)、2.6 GHz+4.9 GHz 兩載波聚合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，SUL 已完成700 MHz+2.6 GHz 兩載波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。基站可同時(shí)支持兩種技術(shù)，上行方面，二者性能基本相當(dāng)；在2.6 GHz 下行覆蓋較好、上行受限的區(qū)域，可以采用SUL 技術(shù)。5G 上行容量保障建議如圖10 所示。

圖10 5G 上行容量保障建議

（4）低時(shí)延保障

結(jié)合行業(yè)場景類型和時(shí)延需求，選擇對(duì)應(yīng)時(shí)延分檔方案，啟用對(duì)應(yīng)原子能力。5G 低時(shí)延保障建議如圖11 所示。

圖11 5G 低時(shí)延保障建議

（5）規(guī)劃指標(biāo)

各類業(yè)務(wù)場景規(guī)劃指標(biāo)需求如表2 所示。

表2 規(guī)劃指標(biāo)需求

（6）無線網(wǎng)資源配置

無線側(cè)可分別采用復(fù)用無線公網(wǎng)優(yōu)先調(diào)度、按需定制或新建無線專頻專網(wǎng)方式，滿足優(yōu)、專、尊享服務(wù)需求;針對(duì)無明顯地域性的應(yīng)用場景，優(yōu)先復(fù)用公網(wǎng)資源覆蓋，采用優(yōu)享和專享模式，保障差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量；針對(duì)有明顯地域性的應(yīng)用場景，在公網(wǎng)無法滿足需求的情況下，按需預(yù)留專項(xiàng)資源，采用尊享模式，實(shí)現(xiàn)無線資源獨(dú)享。優(yōu)專享組網(wǎng)差異情況如圖12 所示，服務(wù)及應(yīng)用場景差異如表3 所示。

表3 優(yōu)專尊服務(wù)及應(yīng)用場景差異

6 小結(jié)

綜上所述，基于5G 網(wǎng)絡(luò)打造的無人化、少人化智慧礦山將是未來礦山行業(yè)發(fā)展方向。智慧礦山業(yè)務(wù)需求主要為視頻回傳、遠(yuǎn)程操控、無人駕駛、大規(guī)模數(shù)據(jù)采集，需要一張高容量、大帶寬、低時(shí)延、高可靠的5G 網(wǎng)絡(luò)作為支撐。但由于礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，當(dāng)前面向智慧礦山應(yīng)用的5G 無線網(wǎng)部署存在較多挑戰(zhàn)，例如選址難、無線覆蓋易存盲區(qū)、電磁干擾多以及上行大帶寬、低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)安全要求高等。智慧礦山5G 無線網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)基于業(yè)務(wù)需求分級(jí)分類，從頻率選擇、設(shè)備選型，子幀配比等角度合理規(guī)劃，并積極使用上行帶寬和低時(shí)延保障等5G 關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮公專網(wǎng)協(xié)同作用，以打造一張“安全、高效、智能、綠色”的5G 行業(yè)網(wǎng)絡(luò)為最終目標(biāo)。

圖12 優(yōu)專尊組網(wǎng)及服務(wù)差異