中國移動5G智慧礦山測試床
引言/導讀
為加快推進煤炭行業供給側結構性改革，推動智能化技術與煤炭產業融合發展，提升煤礦智能化水平，國家發展改革委、國家能源局、應急部等八部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》。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、安全等主要環節的信息化傳輸、自動化運行技術體系，基本實現掘進工作面減人提效、綜采工作面內少人或無人操作、井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監控。到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，形成煤礦智能化建設技術規范與標準體系。到2035年，各類煤礦基本實現智能化，構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執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）產業研究院）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、工業能源、金融三大行業方向開展深入行業技術、平臺、產品、解決方案研發，以信息化、智能化為杠桿培育新動能，儲備通用行業信息化能力，支撐中國移動在5G時代的垂直行業的市場開拓和發展。中移（上海）產業研究院積極布局智慧礦山行業的關鍵能力，參與礦山行業相關標準制定，結合自身優勢推出“公網專享＋用戶專網”雙5G核心網，現已形成“1+1+N”智慧礦山整體解決方案，可為礦山行業客戶提供端到端一體化服務。同時聯合業內龍頭共建開放共享的新型產業生態圈，形成成熟的產業合作模式。公司已在山西、內蒙落成多個智慧礦山試點示范項目，不斷實現技術創新，填補了國內5G技術場景應用空白，更加快了礦山行業智能化升級的速度。
一、 關鍵詞
智慧礦山、5G、無人化采掘、無人駕駛
2.1. 發起公司和主要聯系人聯系方式
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蒙古有限公司
劉寧：18204710525，liuning3@nm.chinamobile.com
2.2. 合作公司
內蒙古智能煤炭有限責任公司
中國礦業大學
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
智慧礦山是基于現代智能化理念，將工業互聯網、云計算、大數據等與現代礦山開發技術深度融合，形成礦山全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的完整智能系統，實現礦井開拓、采掘、運通、分選、安全保障、生態保護、生產管理等全過程的智能化運行。5G網絡以其大帶寬、低時延、廣連接的特性與礦山領域數據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)產業研究院基于自身技術創新能力及行業經驗積累，自主研發智慧礦山融合管控平臺（中國移動礦山工業互聯網平臺），平臺打造智慧決策、生產管理、安全管理、移動應用等功能模塊，打通專業子系統之間的數據通道，為行業客戶實現綜合管控、數字化運維提供使能。同時結合5G技術優勢，為行業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）產業研究院自主研發的礦山工業互聯網平臺，落地井下融合組網、高清視頻監控、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網絡技術在智慧礦山行業的應用的可行性、可靠性和必要性。形成可規模復制推廣的智慧礦山解決方案，切實解決礦山行業智能化升級過程中面臨的數據采集不完整、無AI輔助決策手段、缺失邊緣計算能力、設備監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采、掘、機、運、通、綜合等各個業務環節，涉及井下融合組網、高清視頻監控、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行業專網為基礎，打造“1+1+N”5G智慧礦山整體解決方案。1張行業專網包括露天移動專網和井下融合專網，實現礦山高瓦斯、高輻射等復雜環境下的高品質5G網絡覆蓋，實現多網融合、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互聯網平臺，可接入礦山設備并集成礦山各業務子系統，實現有效整合、集中管控，及時處理、指導和調節礦山各生產系統和環節運行，為5G智慧礦山提供開放統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、高清視頻監控、無軌膠輪車無人駕駛等重點場景，提供一體化服務，助力提升礦區本質安全與生產效率。
圖4.1 測試床總體架構
本測試床符合AII工業互聯網總體架構2.0，本測試床架構驗證了AII總體架構中的功能架構，包括網絡體系架構中的網絡互連、數據互通，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據保護等。
4.3. 測試床方案
1.網絡方案
本測試床提供井上及井下的4/5G網絡覆蓋，部署MEC打造5G專網，實現端到端的按需定制，與互聯網物理隔離，在內部即可實現與云計算同樣的數據計算，保證數據無鏈路可上傳至公網，完全杜絕數據泄露的可能性。
圖4.2 測試床網絡方案
2.平臺方案
中國移動礦山工業互聯網平臺可接入測試床礦山設備并集成已有礦山行業子系統，打通信息孤島，實現各系統之間的互通互聯，提升信息傳遞效率及準確性、優化人工處理過程、減少危險作業區域人員數量、提升生產效率和經營管理水平，建成集資源的數字化管理，面向智能決策、生產管理、安全監控于一體智慧礦山融合管控大腦。
中國移動礦山工業互聯網平臺可提供智能決策、生產管理、安全管理等典型業務應用，智能決策提供礦山的三維信息綜合管理、礦山數據分析、智能聯動服務；生產管理提供采煤機等井下設備的生產監視與控制、生產調度；安全管理提供采煤機等設備的安全監控和安全巡檢；另外，平臺還提供其他桌面及移動應用等功能，提升礦山生產效率、降低安全風險，支撐礦山智能化發展。
中國移動礦山工業互聯網平臺通過對礦山“人、機、環”數據進行精準化采集、網絡化傳輸、規范化集成，實現可視化展現、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
利用5G與已有網絡建設融合，解決井下融合組網問題，適應井下復雜的工作環境，并最大化復用已有網絡投資。將移動5G基站引入井下，融合4G、光纖環網、WiFi等技術，實現井下巷道各區域的無線覆蓋，保證端到端安全、可靠、穩定，滿足基本通信需求的基礎上，賦能生產環節，同時聯合合作伙伴提供與網絡強相關的智慧融合通信管控平臺，實現礦山行業語音、視頻、數據的統一接入、調度、管理、聯動及礦山融合組網的統一管理。
圖4.4 測試床井下融合組網應用方案
應用2：高清視頻監控
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控平臺，并基于機器視覺技術實現人員行為異常、設備故障、環境突發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，實現井下綜采、掘進工作面以及其他監控場景多路高清視頻監控回傳，助力井下透明化，實現地面控制中心對井下采掘情況實時監控。
圖4.5 測試床高清視頻監控應用方案
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，提高正常巡檢作業和管理的自動化和智能化水平，實現真正的無人化值守。
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
礦區無人駕駛依托于5G專用網絡，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定位等數據采集終端和車輛控制終端實現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平臺，利用無人駕駛感知模塊、地下礦區RTK定位方案以及無人駕駛控制系統實現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專用網絡，在井下采煤機遠程控制本體加裝5G工業級模組、遠程操控系統及配套的控制傳感以及視頻監控終端，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控平臺，實現井下采煤機真正的5G遠程操控，一鍵啟停，成為改寫煤炭行業發展歷史的創新成果。
圖4.8 5G+無人化采掘系統示意圖
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星定位系統進行精準授時的問題，采用網絡授時技術，完成高精度（30ns）同步授時。
2、超千兆大上行：
原有普通5G網絡僅能實現上下行時隙配比為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“3：1上下行時隙配比方案”，實現“超千兆上行5G”功能。
3、生產數據不出礦
通過部署煤礦5G邊緣計算（MEC）單元，發揮5G交換、轉發核心網作用，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工業模組的采煤機遠程操控
基于5G專用網絡，在井下采煤機遠程控制本體加裝5G工業級模組、遠程操控系統及配套的控制傳感以及視頻監控終端，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控平臺，實現井下采煤機真正的5G遠程操控，一鍵啟停。
4.5. 方案自主研發性、創新性及先進性
1.自主研發性
本測試床網絡及平臺方案由上海產業研究院自主研發完成，終端部分由上海產業研究院與合作伙伴合作研發完成。
2.創新性
本測試床從頂層設計、關鍵技術、現網試點、終端模組到業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、生產數據不出礦及礦用設備5G遠程控制測試等。
3、行業創新突破
（1）模式與理念創新：利用采掘機遠程一鍵控制、井下膠輪車無人駕駛項目，實現安全生產管理模式與產業設計理念的創新，
（2）數據管控創新：通過5G技術實時溝通供需兩端信息數據，提高煤礦工作效率，實現煤礦企業成本管控的創新；
（3）管理機制創新：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，實現煤礦企業管理機制的創新。
4.6. 方案安全風險控制
測試床設計充分考慮到設備安全、網絡安全等需求，采取了隔爆改造、成環保護、備份冗余等設計措施，整體專網可靠性達到了99.999%，且實現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.網絡安全防護
測試床網絡方案采用5G SA網絡架構，依靠5G邊緣計算及切片能力，滿足客戶視頻專網、應急通信特殊業務可靠性優先保障需求。為滿足礦山數據不出礦需求，本測試提供5G專網尊享模式，通過專用基站、專用頻率、超級上行等手段實現定制建網。
同時，本測試床充分考慮5G與現網LTE的切換保障、系統鏈路冗余等措施，主要設備在停電的情況下應有至少2小時的續航能力，當設備出現故障后，能實現容災備份保障業務不中斷，建議與大網系統間組成資源池，實現容災自動切換
3.全網態勢感知
通過安全數據采集，數據挖掘、機器學習等技術，實現態勢感知監測預警，做到全網安全情況的可觀、可測、可控。
5.1. 測試床實施規劃
2021年1月-2021年3月：需求調研，架構設計；
2021年4月-2021年5月：搭建智能礦山網絡環境；
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）產業研究院提供技術支撐，并聯合行業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
本測試床網絡及平臺方案由中移（上海）產業研究院及內蒙古移動自主完成，終端部分由上海產業研究院與戰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行業專網為基礎打造，實現井下融合組網、高清視頻監控、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. 測試床的商業價值、經濟效益
本測試床通過部署5G無線專網，實現煤礦井上全覆蓋及井下巷道的部分無線覆蓋，利用5G網絡高速率、低時延、高可靠性和海量連接的特性，實現煤礦井上及井下巷道的信息化、自動化、智能化融合，提高了生產效率及安全性；高清視頻監控助力井下透明化，實現地面控制中心對井下采掘情況實時監控，提高作業安全；5G無人機器人巡檢和5G井下無軌膠輪車無人駕駛的實現降低煤礦井下配運維成本，提高正常巡檢作業和管理的自動化和智能化水平，助力煤礦實現少人化無人化；5G無人化采掘實現井下采煤機5G遠程操控，一鍵啟停，成為改寫煤炭行業發展歷史的創新成果。
通過以上應用的實現，助力礦山行業在井下視頻監控、井下巡檢、無軌膠輪車駕駛等區域實現少人化無人化，降低企業生產成本，保證生產安全，提高生產效率，實現降本增效。
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展要求，利用5G、物聯網、云計算、大數據、人工智能、工業互聯網、機器人化裝備等與現代礦山開采深度融合，提升礦區安全性、開采效率、資源利用率，同時降低生產成本，促進礦山智能化建設。
6.4. 測試床初步推廣應用案例
目前中國移動聯合內蒙古麻地梁煤礦以及業內合作伙伴，從5G專網網絡架構、井下融合組網、高清視頻監控，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第一，包括到5G工業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，在煤炭行業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實現能力、高清視頻監控效果、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 | 驗證內容 |
1 | 井下融合組網 | 實現語音、視頻、數據的統一接入、調度、管理、聯動及礦山融合組網的統一管理 |
2 | 高清視頻監控 | 實現井下綜采、掘進工作面以及其他監控場景多路高清視頻監控回傳 |
3 | 5G機器人巡檢 | 實現煤礦井下配電房、水泵房、輸送帶全天候、全方位、全自主智能巡檢和監控 |
4 | 5G無軌膠輪車自動駕駛 | 實現無軌膠輪車無人駕駛 |
5 | 5G無人化挖掘 | 實現井下采煤機真正的5G遠程操控，一鍵啟停 |
本測試床與之前已經審批的測試床無任何關聯。
9.1. 測試床成果交付件
測試床的交付件包括：
1）5G專網建設方案
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進行推廣復制，可應用井下融合組網、高清視頻監控、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方案相關要求，應用落地過程涉及多家相關企業參與。
10.1. 測試床使用者
非發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，禁止泄露給同行業的第三方。
10.2. 測試床知識產權說明
中國移動上海產業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：搭建智能礦山網絡環境；
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，可在礦山行業進行應用，提高礦山信息化水平，實現礦山行業語音、視頻、數據的統一接入、調度、管理、聯動及礦山融合組網的統一管理，降低勞動強度及井下配送運維成本，實現智能礦山少人化無人化需求，達到降本增效，保障生產安全目的。
聲明
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