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。
項目
概況
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。
項目背景
麻地梁煤礦為內蒙古智能煤炭有限責任公司旗下礦山，2019年內蒙古智能煤炭有限責任公司被列為內蒙古自治區第一批試點示范智慧礦山企業，拉開了麻地梁煤礦智慧礦山建設的序幕。
中國移動通信集團內蒙古有限公司作為內蒙古地區最大通信運營商，在5G時代攜手中移(上海)產業研究院發力礦山行業，將5G引入到智慧礦山建設中去，利用5G新技術賦能智能礦山，為智能礦山建設增添新動力。
2. 項目簡介
為了更好地實現智慧礦山建設，內蒙古智能煤炭有限責任公司與中國移動一起對麻地梁煤礦現狀進行了充分調研，同時與國內智能礦山建設科研院校單位等密切合作，最終制定了符合麻地梁煤礦現狀的方案，并在2020年底開始建設實施，在2021年完成智慧礦山初步建設。
3. 項目目標
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。
二、項目實施概況
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。
項目總體架構
本測試床架構圖如圖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。
2. 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3 測試床平臺方案
3. 具體應用場景
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 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8 5G+無人化采掘系統示意圖
、4. 安全及可靠性
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. 其他亮點
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。
三、下一步實施計劃
本測試床已完成整體建設，相關場景已落地。
序號 | 項目 | 項目基礎 | 建設現狀 |
1 | 網絡建設 | 客戶為有線網絡，無法進行井上井下無線通訊 | 已完成整體建設，實現井上井下無線通訊 |
2 | 井下融合組網 | 井下獨立網絡，無法實現內外網融合 | 實現內外網融合 |
3 | 高清視頻監控 | 為有線監控，無AI分析功能 | 實現高清視頻監控及AI分析 |
4 | 5G機器人巡檢 | 人工巡檢 | 實現自動巡檢 |
5 | 5G無軌膠輪車自動駕駛 | 有人駕駛 | 實現無人駕駛 |
6 | 5G無人化采掘 | 傳統采掘 | 實現無人化采掘 |
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性
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。
2. 實施效果
該測試床實施后實現了三個創新，一是管理理念的創新，變傳統的經驗管理為科學高效的數據管理，相比煤礦用人減少40%左右，結束煤礦井下夜班生產的歷史，提高本質安全水平。二是管理模式的創新，實現了“管設備就是管生產、管數據就是管設備”的變革。三是成本管控的創新，實現了設備配件基本實現零庫存生產，2019年至今，麻地梁煤礦平均每月材料儲備資金600余萬元，噸煤材料儲備1.26元/噸，是同等規模礦井的1/10。