5G應用創新發展白皮書-5G重點應用分析-智慧礦山
智慧礦山
隨著5G融合應用的不斷發展和演進，應用重點行業和領域逐步聚焦，尤其是在工廠、礦山、港 口、醫療、電網、交通、安防、教育、文旅以及智慧城市等10個領域，逐步獲得業界認可，并初步形 成了有望規模商用的應用場景。本文主要介紹5G在智慧礦山中的典型應用分析，主要從5G典型場景及價值、未來發展空間以及面臨的挑戰。
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正文開始：
1、5G典型場景及價值
2020年3月，由國家發展改革委、能源局、應急部、煤監局、工信部、財政部、科技部、教育部8 部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》。《指導意見》要求到2021年，建成多種類 型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化；到 2035年， 各類煤礦基本實現智能化，建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系。5G網絡的上行大 帶寬，低時延特性，在煤礦行業應用可以實現快速上傳安全生產數據和環境視頻，高清音視頻通話， 設備遠程智能控制等多種應用，進一步降低了煤礦企業綜合維護成本，極大提高綜采效率，讓無人化、少人化的井下開采成為可能。近年來，煤礦行業加速推進信息化、智能化建設，這個曾經被貼上 “傻大黑粗”標簽的行業，已經建成了100多個智能化采煤工作面，實現了地面一鍵啟動、井下有人巡 視，我國煤礦企業處于從勞動密集型向人才、技術密集型轉變的階段。
傳統井下網絡重復投資，維護成本高。井下有6大作業系統，分別是采煤系統、掘進系統、通風系 統、運輸系統、排水系統、機電系統；普遍的情況是每套系統都有獨立的光纖通信，造成重復投資。 由于井下環境，粉塵和震動造成光衰嚴重，影響通信質量，維護成本高；現有網絡無法滿足移動場景 的需求。作為煤礦最重要的作業面、綜采面，始終在不斷掘進中，光纖有線的連接方式不能很好地適 配。5G替代光纖解決了井下最后500米連接的問題，合并了6大獨立的作業系統，幫助煤礦實現“井下 一張網”，同時可以滿足作業面、綜采面等移動場景，并采用防爆處理，滿足井下安全作業需求。滿 足露天礦山對無人化的需求。傳統露天礦山作業環境惡劣，依托5G通信技術“低時延、高帶寬”的優 點，利用5G+北斗高精度定位、智能作業、雙向自動駕駛運輸、中央控制算法，實現礦山設備集群的 遠程遙控、智能自動化作業與協同作業實現露天礦產區鏟、裝、運的全程無人操作。
5G可以為煤礦向智能化發展提供更有效、更便捷的方案。5G使能透明礦井，井下運作全面可視 化。井下巷道縱橫交錯，長達30余公里，地面無法獲知井下眾多人員和設備的位置、狀態，對煤礦的 安全管理帶來巨大挑戰。5G提供地下實時定位服務（未來R16版本可定位到米級，R17可到亞米級）， 連網人員、設備可以實時上報位置，生成井下三維地圖，人員、設備位置狀態一目了然。井下5G網絡 采用下行上行1：3配比，同比5G公網上行提升超過3倍，實測上行達到1Gbps以上，在240米井下可同 時滿足30多路4K監控畫面的傳輸（Wi-Fi干擾大無法工作），做到井下綜采面作業可視可管。同時 在井下危險地方通過高清視頻實時監控，出現任何情況都可以第一時間發現和及時響應。5G使能智能 礦井，實現生產效率大幅提升。綜采面分布了2000多個傳感器和操作裝置，組成安全、作業、管理系 統，系統間相互獨立，需要人工協調，5G大連接的特性，把這些系統連接起來，實現感知、監控、告 警、操作等數據的互通和聯動，比如安全系統與作業系統耦合，根據井下瓦斯的分布和濃度，自動調 節采煤機的采煤速度。5G使能無人礦井，井下安全獲得有效保障。為了識別設備潛在風險，保證安全 生產，綜采面每天停工6小時，進行例行的設備檢修，例行檢修不僅造成煤炭產量減少，而且檢修人員 聚集井下帶來安全隱患，5G低時延的特性，可以保證綜采面實現一邊作業一邊實時上報工況，使得設 備狀態可以被技術人員實時掌握，停機檢修的時長和下井檢修的人員均大幅減少，未來綜采面可以基 于5G實現遠程操作，現場的工作人員也將大幅減少，井下圍繞綜采面工作的人員可以由原先的140人減 少到60人。
5G應用于智慧礦山領域可以很好的解決行業痛點，創造價值，可復制推廣性強。各地礦山場景 對無人化的需求迫切，對遠程控制的需求相似，解決方案具有較強的可復制性，社會經濟效益前景巨 大。第三屆“綻放杯”大賽獲獎項目中，焦煤集團5G無人礦山項目在露天礦山開展運輸車無人駕駛、 器械遠程無人操作等應用，人員減少50%，人員傷亡降低為0，直接受益4800萬/年，解決事故率高、 招工難、運輸效率低等行業痛點。山西省煤炭資源豐富，陽泉煤礦集團旗下的新元煤礦，率先開始5G 智慧采礦試點，目前已經實現遠程控制、視頻監控、巡檢機器人，未來可實現的應用包括傳感器數據 采集、定位等。在現有的自動化采礦基礎上，利用5G上行大帶寬能力，把井下實時畫面傳輸到地面控 制室，采用AI對視頻進行分析，識別采礦時的巖石并躲避、監控皮帶運輸巷道的煤塊掉落、以及井下 的人員作業規范與安全、圖像的AI識別，各系統協調管理，效率提升30%+。利用5G的低時延，實現地 面對井下設備遠程操控，極大的改善了礦工的工作環境，減少人員傷亡風險。
5G智慧煤礦應用示意圖
2、未來的發展空間
未來5年，國家要求2025年基本實現礦井智能化，使用開采的新技術、新工藝、新裝備，實現礦井 的安全、綠色、智能開采。5G智慧煤礦大有可為，目前全國煤礦數量達5300座，僅山西省年產200萬噸以上煤礦達568座，占全國比例10.7%，根據單個5G煤礦項目投資平均水平估算，山西在5G煤礦上的投 入有望超50億元。我國除山西礦區以外，還有平頂山礦區、六盤水礦區等，預計全國5G智慧煤礦的投 資將超過466億元。
3、面臨的挑戰
隨著5G技術在智慧煤礦應用的不斷深入，5G智慧煤礦有望迎來新一輪的發展機遇，同時也面臨著 如下挑戰：
? 煤炭行業對井下設備的本安防爆要求，對5G基站、終端設備的發射功率提出挑戰，目前規范 要求井下基站設備發射功率小于6W，導致基站覆蓋范圍小。要求終端設備總功耗小于20W，分解到5G 模組，要求功耗小于5~10W，當前在上行大帶寬滿負荷發送的情況下，模組持續工作可能會導致功耗 高。
? 煤礦安全生產要求核心網故障時，業務不中斷，目前5G核心網的方案，還需要進一步探索如 何保證生產不間斷及安全等問題。
? 井下煤礦的采煤機、支架等控制系統，大部分采用的是CAN總線，尚未演進到EHT技術，可靠 性要求99.999%。5G當前還尚無法滿足控制系統的通信可靠性要求，需要進一步探索提升5G技術能力。
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