中國(guó)移動(dòng)5G智慧礦山測(cè)試床
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(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)的全資子公司，自成立以來(lái)，立足上海、輻射全國(guó)，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(shù)、平臺(tái)、產(chǎn)品、解決方案研發(fā)，以信息化、智能化為杠桿培育新動(dòng)能，儲(chǔ)備通用行業(yè)信息化能力，支撐中國(guó)移動(dòng)在5G時(shí)代的垂直行業(yè)的市場(chǎng)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(guān)鍵能力，參與礦山行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)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(wù)。同時(shí)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(gè)智慧礦山試點(diǎn)示范項(xiàng)目，不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)5G技術(shù)場(chǎng)景應(yīng)用空白，更加快了礦山行業(yè)智能化升級(jí)的速度。
項(xiàng)目
概況
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(jì)算、大數(shù)據(jù)等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)深度融合，形成礦山全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井開拓、采掘、運(yùn)通、分選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過(guò)程的智能化運(yùn)行。5G網(wǎng)絡(luò)以其大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性與礦山領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集及智能控制的場(chǎng)景契合度非常高，是打造智慧礦山的基礎(chǔ)條件。中移(上海)產(chǎn)業(yè)研究院基于自身技術(shù)創(chuàng)新能力及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累，自主研發(fā)智慧礦山融合管控平臺(tái)（中國(guó)移動(dòng)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)），平臺(tái)打造智慧決策、生產(chǎn)管理、安全管理、移動(dòng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)綜合管控、數(shù)字化運(yùn)維提供使能。同時(shí)結(jié)合5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為行業(yè)客戶提供端到端一體化智慧礦山服務(wù)。
項(xiàng)目背景
麻地梁煤礦為內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司旗下礦山，2019年內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司被列為內(nèi)蒙古自治區(qū)第一批試點(diǎn)示范智慧礦山企業(yè)，拉開了麻地梁煤礦智慧礦山建設(shè)的序幕。
中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司作為內(nèi)蒙古地區(qū)最大通信運(yùn)營(yíng)商，在5G時(shí)代攜手中移(上海)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)力礦山行業(yè)，將5G引入到智慧礦山建設(shè)中去，利用5G新技術(shù)賦能智能礦山，為智能礦山建設(shè)增添新動(dòng)力。
2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
為了更好地實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)，內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司與中國(guó)移動(dòng)一起對(duì)麻地梁煤礦現(xiàn)狀進(jìn)行了充分調(diào)研，同時(shí)與國(guó)內(nèi)智能礦山建設(shè)科研院校單位等密切合作，最終制定了符合麻地梁煤礦現(xiàn)狀的方案，并在2020年底開始建設(shè)實(shí)施，在2021年完成智慧礦山初步建設(shè)。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
本測(cè)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(tái)，落地井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、5G機(jī)器人巡檢、5G井下無(wú)軌膠輪車無(wú)人駕駛、5G無(wú)人化采掘5大場(chǎng)景，驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智慧礦山行業(yè)的應(yīng)用的可行性、可靠性和必要性。形成可規(guī)模復(fù)制推廣的智慧礦山解決方案，切實(shí)解決礦山行業(yè)智能化升級(jí)過(guò)程中面臨的數(shù)據(jù)采集不完整、無(wú)AI輔助決策手段、缺失邊緣計(jì)算能力、設(shè)備監(jiān)管與控制手段待升級(jí)等問(wèn)題。
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
本測(cè)試床應(yīng)用在礦山行業(yè)采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、綜合等各個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，涉及井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、5G機(jī)器人巡檢、5G井下無(wú)軌膠輪車無(wú)人駕駛、5G無(wú)人化采掘等應(yīng)用。
項(xiàng)目總體架構(gòu)
本測(cè)試床架構(gòu)圖如圖1所示，中國(guó)移動(dòng)上研院以5G行業(yè)專網(wǎng)為基礎(chǔ)，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(dòng)專網(wǎng)和井下融合專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)礦山高瓦斯、高輻射等復(fù)雜環(huán)境下的高品質(zhì)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合、超大帶寬、超低時(shí)延、海量接連。1個(gè)平臺(tái)是指借助中國(guó)移動(dòng)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可接入礦山設(shè)備并集成礦山各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效整合、集中管控，及時(shí)處理、指導(dǎo)和調(diào)節(jié)礦山各生產(chǎn)系統(tǒng)和環(huán)節(jié)運(yùn)行，為5G智慧礦山提供開放統(tǒng)一的平臺(tái)支撐和服務(wù)。N大應(yīng)用場(chǎng)景是指聚焦無(wú)人化采掘、井下融合組網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、無(wú)軌膠輪車無(wú)人駕駛等重點(diǎn)場(chǎng)景，提供一體化服務(wù)，助力提升礦區(qū)本質(zhì)安全與生產(chǎn)效率。
圖1 測(cè)試床總體架構(gòu)
本測(cè)試床符合AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)2.0，本測(cè)試床架構(gòu)驗(yàn)證了AII總體架構(gòu)中的功能架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通，平臺(tái)體系架構(gòu)中的邊緣層、PaaS 層和應(yīng)用層功能組成，安全體系架構(gòu)中的隱私數(shù)據(jù)保護(hù)等。
2. 測(cè)試床方案
（1）網(wǎng)絡(luò)方案
本測(cè)試床提供井上及井下的4/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，部署MEC打造5G專網(wǎng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)與云計(jì)算同樣的數(shù)據(jù)計(jì)算，保證數(shù)據(jù)無(wú)鏈路可上傳至公網(wǎng)，完全杜絕數(shù)據(jù)泄露的可能性。
圖2 測(cè)試床網(wǎng)絡(luò)方案
（2）平臺(tái)方案
中國(guó)移動(dòng)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可接入測(cè)試床礦山設(shè)備并集成已有礦山行業(yè)子系統(tǒng)，打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的互通互聯(lián)，提升信息傳遞效率及準(zhǔn)確性、優(yōu)化人工處理過(guò)程、減少危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域人員數(shù)量、提升生產(chǎn)效率和經(jīng)營(yíng)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(guó)移動(dòng)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可提供智能決策、生產(chǎn)管理、安全管理等典型業(yè)務(wù)應(yīng)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(dòng)服務(wù)；生產(chǎn)管理提供采煤機(jī)等井下設(shè)備的生產(chǎn)監(jiān)視與控制、生產(chǎn)調(diào)度；安全管理提供采煤機(jī)等設(shè)備的安全監(jiān)控和安全巡檢；另外，平臺(tái)還提供其他桌面及移動(dòng)應(yīng)用等功能，提升礦山生產(chǎn)效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，支撐礦山智能化發(fā)展。
中國(guó)移動(dòng)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)對(duì)礦山“人、機(jī)、環(huán)”數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)化采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成，實(shí)現(xiàn)可視化展現(xiàn)、自動(dòng)化操作和智能化服務(wù)的礦山智慧體。
圖3 測(cè)試床平臺(tái)方案
3. 具體應(yīng)用場(chǎng)景
應(yīng)用1：井下融合組網(wǎng)
利用5G與已有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)融合，解決井下融合組網(wǎng)問(wèn)題，適應(yīng)井下復(fù)雜的工作環(huán)境，并最大化復(fù)用已有網(wǎng)絡(luò)投資。將移動(dòng)5G基站引入井下，融合4G、光纖環(huán)網(wǎng)、WiFi等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下巷道各區(qū)域的無(wú)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(chǔ)上，賦能生產(chǎn)環(huán)節(jié)，同時(shí)聯(lián)合合作伙伴提供與網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)相關(guān)的智慧融合通信管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦山行業(yè)語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、調(diào)度、管理、聯(lián)動(dòng)及礦山融合組網(wǎng)的統(tǒng)一管理。
圖4 測(cè)試床井下融合組網(wǎng)應(yīng)用方案
應(yīng)用2：高清視頻監(jiān)控
利用5G大帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，通過(guò)井下高清視頻采集終端實(shí)時(shí)采集高清視頻并回傳至地面監(jiān)控平臺(tái)，并基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員行為異常、設(shè)備故障、環(huán)境突發(fā)等不安全因素智能識(shí)別。麻地梁智慧礦山利用5G大帶寬特性，配套自動(dòng)除塵高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)井下綜采、掘進(jìn)工作面以及其他監(jiān)控場(chǎng)景多路高清視頻監(jiān)控回傳，助力井下透明化，實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)井下采掘情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。
圖5 測(cè)試床高清視頻監(jiān)控應(yīng)用方案
應(yīng)用3：5G機(jī)器人巡檢
5G+機(jī)器人巡檢以防爆智能機(jī)器人巡檢為核心，整合機(jī)器人技術(shù)、設(shè)備非接檢測(cè)技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)以及導(dǎo)航定位技術(shù)等，能夠?qū)崿F(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(dòng)強(qiáng)度，降低煤礦井下配運(yùn)維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的自動(dòng)化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化值守。
圖6 測(cè)試床5G機(jī)器人巡檢應(yīng)用方案
場(chǎng)景4：5G井下無(wú)軌膠輪車無(wú)人駕駛
礦區(qū)無(wú)人駕駛依托于5G專用網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)軌膠輪車本體加裝激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、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(shí)現(xiàn)無(wú)軌膠輪車改裝工作，基于邊緣計(jì)算能力和礦山無(wú)人調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)，利用無(wú)人駕駛感知模塊、地下礦區(qū)RTK定位方案以及無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)軌膠輪車無(wú)人駕駛。
圖7 測(cè)試床5G井下無(wú)軌膠輪車無(wú)人駕駛應(yīng)用方案
場(chǎng)景5：5G無(wú)人化采掘
基于5G專用網(wǎng)絡(luò)，在井下采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制本體加裝5G工業(yè)級(jí)模組、遠(yuǎn)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(guò)渡方案，同時(shí)基于遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)和視頻監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井下采煤機(jī)真正的5G遠(yuǎn)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8 5G+無(wú)人化采掘系統(tǒng)示意圖
、4. 安全及可靠性
測(cè)試床設(shè)計(jì)充分考慮到設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全等需求，采取了隔爆改造、成環(huán)保護(hù)、備份冗余等設(shè)計(jì)措施，整體專網(wǎng)可靠性達(dá)到了99.999%，且實(shí)現(xiàn)了傳輸自愈性和通信自交換性。
1.終端安全防護(hù)
本測(cè)試床下井設(shè)備均通過(guò)防爆及煤安認(rèn)證處理，滿足井下終端安全需求。
2.網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)
測(cè)試床網(wǎng)絡(luò)方案采用5G SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，依靠5G邊緣計(jì)算及切片能力，滿足客戶視頻專網(wǎng)、應(yīng)急通信特殊業(yè)務(wù)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(cè)試提供5G專網(wǎng)尊享模式，通過(guò)專用基站、專用頻率、超級(jí)上行等手段實(shí)現(xiàn)定制建網(wǎng)。
同時(shí)，本測(cè)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(shè)備在停電的情況下應(yīng)有至少2小時(shí)的續(xù)航能力，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，能實(shí)現(xiàn)容災(zāi)備份保障業(yè)務(wù)不中斷，建議與大網(wǎng)系統(tǒng)間組成資源池，實(shí)現(xiàn)容災(zāi)自動(dòng)切換
3.全網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知
通過(guò)安全數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知監(jiān)測(cè)預(yù)警，做到全網(wǎng)安全情況的可觀、可測(cè)、可控。
5. 其他亮點(diǎn)
1、井下高精度同步授時(shí)
針對(duì)井下無(wú)法使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)授時(shí)的問(wèn)題，采用網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)，完成高精度同步授時(shí)。
2、超千兆大上行：
原有普通5G網(wǎng)絡(luò)僅能實(shí)現(xiàn)上下行時(shí)隙配比為2:8或3:7，即大部分帶寬資源用于下行，通過(guò)改變時(shí)隙配比可增加上行帶寬資源。通過(guò)研發(fā)“3：1上下行時(shí)隙配比方案”，實(shí)現(xiàn)“超千兆上行5G”功能。
3、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出礦
通過(guò)部署煤礦5G邊緣計(jì)算（MEC）單元，發(fā)揮5G交換、轉(zhuǎn)發(fā)核心網(wǎng)作用，確保煤礦信息不出礦、端到端低時(shí)延小于20ms。同時(shí)通過(guò)手機(jī)行為管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井下“通信號(hào)碼白名單”“接入應(yīng)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(jī)遠(yuǎn)程操控
基于5G專用網(wǎng)絡(luò)，在井下采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制本體加裝5G工業(yè)級(jí)模組、遠(yuǎn)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(guò)渡方案，同時(shí)基于遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)和視頻監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井下采煤機(jī)真正的5G遠(yuǎn)程操控，一鍵啟停。
三、下一步實(shí)施計(jì)劃
本測(cè)試床已完成整體建設(shè)，相關(guān)場(chǎng)景已落地。
序號(hào) | 項(xiàng)目 | 項(xiàng)目基礎(chǔ) | 建設(shè)現(xiàn)狀 |
1 | 網(wǎng)絡(luò)建設(shè) | 客戶為有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法進(jìn)行井上井下無(wú)線通訊 | 已完成整體建設(shè)，實(shí)現(xiàn)井上井下無(wú)線通訊 |
2 | 井下融合組網(wǎng) | 井下獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)融合 | 實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)融合 |
3 | 高清視頻監(jiān)控 | 為有線監(jiān)控，無(wú)AI分析功能 | 實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控及AI分析 |
4 | 5G機(jī)器人巡檢 | 人工巡檢 | 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢 |
5 | 5G無(wú)軌膠輪車自動(dòng)駕駛 | 有人駕駛 | 實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛 |
6 | 5G無(wú)人化采掘 | 傳統(tǒng)采掘 | 實(shí)現(xiàn)無(wú)人化采掘 |
四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目先進(jìn)性
本測(cè)試床從頂層設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)、現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)、終端模組到業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)等方面取得突破，完成5G智慧礦山場(chǎng)景技術(shù)層面的深度驗(yàn)證，包括超千兆大上行、高精度同步授時(shí)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出礦及礦用設(shè)備5G遠(yuǎn)程控制測(cè)試等。
2. 實(shí)施效果
該測(cè)試床實(shí)施后實(shí)現(xiàn)了三個(gè)創(chuàng)新，一是管理理念的創(chuàng)新，變傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)管理為科學(xué)高效的數(shù)據(jù)管理，相比煤礦用人減少40%左右，結(jié)束煤礦井下夜班生產(chǎn)的歷史，提高本質(zhì)安全水平。二是管理模式的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了“管設(shè)備就是管生產(chǎn)、管數(shù)據(jù)就是管設(shè)備”的變革。三是成本管控的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備配件基本實(shí)現(xiàn)零庫(kù)存生產(chǎn)，2019年至今，麻地梁煤礦平均每月材料儲(chǔ)備資金600余萬(wàn)元，噸煤材料儲(chǔ)備1.26元/噸，是同等規(guī)模礦井的1/10。
聲明
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