淮北矿业股份有限公司

中国移动通信集团安徽有限公司淮北分公司

1、项目背景

淮北矿业集团杨柳煤矿2019年完成工业环网的改造，并于2021年新开1077号采煤工作面，为提升工作面智能化程度，提升生产效率，提高井下安全水平，决定在该工作面建设5G智慧矿山项目，项目整体背景如下:

(1)工业环网现状

2019年对杨柳煤矿工业环网升级改造，采用光纤工业以太环网+现场总线的模式，地面综合信息机房安装2台赫斯曼万兆交换机(MACH4002-24G+3X-L3P)作为工业环网核心交换机，建设千/万兆混合光纤环网传输平台，为煤矿监测、监控、通讯等系统提供统一的数据传输网络平台。

(2)1077号采煤工作面情况

杨柳煤矿1077号采煤工作面切眼长231米，采高3.5米，走向长2310米，平均倾角7度。配套ZZ10000/21/45型液压支架，MG650/1550-WD型采煤机，SGZ800/1400型刮板机。

(3)项目建设目标

建成煤矿5G通信网络系统，实现井下1077采煤工作面5G信号全覆盖，为智能工作面控制、通信等系统提供高速、可靠的无线数据传输通道;通过煤矿地面5G核心网，一是实现与矿区万兆工业环网数据互联互通，二是    实现本地数据分流到本地网络，保障矿区数据的高安全性。

2、业务需求分析

(1)利用5G蓬勃发展的契机，充分发挥5G新技术来提升井下采煤的效率，实现采煤工作的远程可视和自动控制，1077工作面采煤机、摄像仪、手机、三机控制设备、安全监控传感器等通信终端接入杨柳煤矿5G网络，实现各类矿用设备与工业环网现有各类业务系统数据互通。

(2)利用5G+UPF以及网络切片功能，实现矿区智慧党建、采煤工作面、掘进工作面、机电碉室等不同场景下的网络个性化需求。

3、项目创新点

(1)5G网络与工业环网融合，快速迁移企业现有应用至5G网络:项目采用5G尊享模式，为淮矿集团杨柳矿建设井下5G网络，并拉通新建5G网络与客户现有工业环网，实现数据互通，既节省了投资，也将企业现有应用快速的迁移至5G网络，对于后续5G网络续建，提供了良好的业务基础。

(2)技术标准先进，为项目后续建设奠定坚实基础:5G基础网络建设技术标准高，业务采用独立组网SA模式承载，并部署5G切片、上下行带宽反转等实用、前沿5G2B应用技术，为后续5G安全巡检平台综采工作面、掘进工作面、辅助运输智能化等多个应用场景扩容，提供了坚实的网络基础。

(3)技术标准先进，为项目后续建设奠定坚实基础:5G基础网络建设技术标准高，业务采用独立组网SA模式承载，并部署5G切片、上下行带宽反转等实用、前沿5G2B应用技术，为后续5G安全巡检平台综采工作面掘进工作面、辅助运输智能化等多个应用场景扩容，提供了坚实的网络基础。

(4)创新提出“5G智慧井筒应用”在智慧矿山领域尚属国内首例:5G智慧井筒，实现视频高速回传及罐笼控制试点应用，据了解，在国内智慧矿山领域尚属首例，具有一定的行业示范、复制意义。

(5)覆盖场景全面，行业标杆意义重大:淮矿集团是煤炭企业50强16位，影响力较强，本项目预计覆盖场景四个:综采、掘进、单轨吊辅助运输、井筒，覆盖场景全面，具有较好的创新应用，项目复制推广性强，具有重要的行业标杆意义。

1、整体解决方案

(1)无线部分提供1个基带控制器BBU，1个中继扩展单元RHub以及4个基站射频单元pRRU用于井下摄像头连接及视频回传，其中三机控制室1个，综采面3个(具体数量及位置以后续实际设计工勘为准)。

(2)传输部分提供地上和井下各1套SPN，用于井下数据回传到地面控制中心。其中地面SPN提供2条元余链路对接安徽移动核心网，确保在单点故障场景下的容灾。

(3)核心网侧在地面提供1套UPF用于本地数据分流，采用4U3配置，可支持南北向20G吞吐量项目方案拓扑如下:

2、方案详细设计

(1)上行带宽方案

该方案的上行带宽可满足标书的要求，“综采工作面5G网络传输的图像/视频无卡顿、控制指令及时可靠(参考指标:图像/视频上传通信速率上行>50Mbps(8K)平均时延<70ms，控制指令下行>50kbps平均时延<50ms)”。在某些特殊场景下，可通过灵活时隙配比，超级上行T+F等技术，实现上行速率翻倍。

(2)5G切片及Qos管理

为了满足杨柳煤矿后续各种各样的网络SLA需求(如带宽、时延安全等)，当前部署的设备支持5G网络切片的引入及针对不同需求进行差异化Qos的管理。网络切片能够实现在一个物理网络之上构建多个端到端、虚拟的、隔离的、按需定制的专用逻辑网络，实现一网多用。比如可以把视频流跟监测数据以及后续可能存在的公网流量进行区分，采用不同的切片进行分隔，针对矿方的数据提供较高QoS优先级的切片，而对通用流量，则采用低优先级QoS，这些功能的实现，需要借助安徽移动网络侧的控制面AMF，SMF等网元的配合。

(3)系统安全方案随着U面部署位置下沉，安全边界增多;ToB场景，企业要求数据安全等级提升等，成为系统亚待解决的问题。存在如下潜在安全风险:

①安全边界多，易受入侵，包括非法物理入侵;

②公网用户非法访问企业内网;

③企业数据出园区，存在数据泄露风险;

解决方案从如下几个维度提供了安全解决措施:

>网络安全

通常情况下通过外置防火墙，来达到网络隔离和防攻击的目的，-般把UPF划分为信任域，企业侧划分为非信任域。本项目中，前端配置的都是物联网专用网卡，无互联网访问权限在专卡情况下通过鉴权保证专卡接入专属网络，来规避安全风险。

>传输安全

控制面和用户面为3GPP定义的标准接口(N3/N4/N9)，可选使用IPSec隧道保护完整性和机密性;IPsec可由局方的SeGW提供;IPSec实现IP地址绑定，只和配置的IP地址进行交互。中心侧管理面与边缘MEC使用安全加密传输TLS，SNMPV3，SSH等。

>UPF安全

此次提供的产品会由厂家进行安全加固，主要的加固内容包括操作系统加固、数据库加固、应用层加固、软件包防病毒扫描等。

>虚拟化安全

分层云部署场景，由厂家统一虚拟化平台(UVP-Unified Virtual-izationPlatform)通过对服务器物理资源的抽象，将CPU、内存、1/0等物理资源转化为一组统一管理、可灵活调度、可动态分配的逻辑资源，并基于这些逻辑资源，在单个物理服务器上构建多个同时运行、相互隔离的虚拟机执行环境。

UVP直接运行于物理服务器之上，基于硬件辅助虚拟化技术(例如IntelVT-x)提供虚拟化能力，为虚拟机提供运行环境。UVP需要保证虚拟机运行在合法的空间内，避免某个虚拟机对UVP或其他虚拟机发起攻击。

Hypervisor能实现同一物理机上不同虚拟机之间的资源隔离，避免虚拟机之间的数据窃取或恶意攻击，保证虚拟机的资源使用不受周边店拟机的影响。终端用户使用虚拟机时，仅能访问属于自己的虚拟机的资源(如硬件、软件和数据)，不能访问其他虚拟机的资源，保证虚拟机隔离安全。

>硬件安全

只打开现网必须使用的接口。对于所有开放的接口，应对任何试图接入该接口的用户或者通信对等端进行身份认证。对于不常用的端口应关闭，只有在需要使用的时候才打开，打开相应的端口应记录日志，并向网管上报告警事件。

3、应用场景

中国移动提供5G核心网网络，划取网络切片到矿上与BBU连接，BBU通过光缆和RRU连接，井下还可以提供具有煤安证的CPE、5G手机等终端。

井上机房布置UPF，配置在PTN与矿井已有井上融合调度平台服务器之间，进行井下视频交互、监控视频智能识别、监控数据处理等边缘计算业务。并根据5G的三大特性:高带宽、低延迟、多连接，实现多种应用场景。

(1)视频传输应用

视频监控广泛应用于煤矿井下工作场所。随着煤矿智能化建设的不断深入，视频监控应用的范围将更为广泛。目前，煤矿井下需要传输视频的场所主要包括:皮带机的中部、机头尾、落煤点、受煤点，机电砺室的配电室、配电点、泵房、排水点，瓦斯抽采钻场，车场的前部、中部、后部，采掘工作面的架载视频、采煤机机载视频，机器人等巡检设备的机载视频，井下重要场所的场景智能识别，以及其他应用场景。

作为继数字化、高清化媒体之后的新一代革新技术，采用4K超高清视频与5G技术结合应用到煤矿生产，实现煤矿超高清视频监控、远程现场实时展示。超高清视频的典型特征就是大数据、高速率，按照产业主流标准，4K视频传输速率至少为12-40Mbps、48-160Mbps，4G网络已无法完全满足其网络流量、存储空间和回传时延等技术指标要求，5网络良好的承载力成为解决该场景需求的有效手段。

在工作面部署4K高清AI摄像仪，可实现现场画面的细节和层次更加精准地展示。

以200米综采面为例:200米综采面每5-6架部署1台4K高清摄像头共30台，通过全景工作面拼接软件实现整个工作面的展示。

(2)综采工作面

在工作面两侧各部署1台5G基站实现工作面切面5G信号的覆盖，实现采煤机信号(包括机载高清视频、传感中心、参数控制)通过5G网络传输至地面控制室和列车控制室;地面远程操作台和采煤机顺槽控制箱体内配置矿用无线转发器(5GCPE)和智能控制模块，实现地面控制室(列车控制室)与采煤机等设备的5G通信交互。

(3)掘进工作面应用场景

建设在掘进机加装5G传输模块，实现对掘进机的低延时远程操作。设计在掘进工作面皮带机头、掘进机点、风机点、供电点、转载点布置基站，运输顺槽关键节点布置基站完成现场5G信号覆盖。掘进机内置或外置本安型5GCPE，在电控箱内完成信号转换，通过外引的抗压天线将雷达数据以5G通信系统传输至设备列车和地面控制中心。

目前掘进机为现场操作截割，支护作业仍为传统人工作业，截割面操作危险系数大，劳动强度高。通过改造掘进机实现参数、视频信号5G传输，在地面安装远程控制台，利用5G通信系统低时延特性，实现掘进机远程操作截割和支护作业，将操作人员从危险的截割场所解放出来实现掘进、支护快速机械化、自动化作业。

(4)辅助运输系统智能化

煤矿井下无人驾驶是提高煤矿生产可靠性、安全性和高效性的重要基础，本次建设围绕建设智能化辅助运输系统，最终以实现井下车辆无人驾驶为目标。

首先建设井下车联网智能调度系统，利用无线基站提供的无线网络，实现车辆音频调度、语音通话，提供的UWB定位信号，实现对车辆定位，超速告警;提供机车视频，实现实时显示、远程监控等。

在建设车联网智能调度基础上采用5G+UPF+AI技术，建设井下车辆无人驾驶系统，该系统融合车辆线控控制、定位、5G通讯、防碰撞、系统融合等技术，具有劳动强度低、运输效率快、安全系数高等特点。由于取消了驾驶员操作，可有效避免人为误操作、疲劳驾驶、违章作业等造成的运输事故，并可实现运输车辆、路线、时间的统一调度，促使井下运输效率成倍提升。

(5)物联网接入应用

通过建设NB-loT专网，将NB-IOT终端网关置于矿井机械、传感器信息收集点，实现如温湿度、瓦斯浓度等信息收集，并反馈给IOT平台以300m采煤工作面为例，单基站覆盖区域，需要接入约1000路连接数据。

①物联网传输

煤矿井下需要物联传输数据的场所主要包括:顶板离层监测、冲击地压、地应力，通风监测系统的最大开路电压、最大输出电流、功耗状态数据信息，立井、斜井井筒安全监测中的井壁和围岩应力、应变温度、裂隙、渗流及其变化趋势，冲击地压监测，地应力检测，以及其他应用场景。

②设备数据传输

煤矿井下需要传输设备数据的应用场景主要包括：

1)激光扫描成像，通过单线/多线激光雷达阵列对目标环境进行TOF测量，生产深度/生成点云数据流，用于掘进机、巷道变形监测、综采工作面三维扫描成像，激光雷达数据量进行实时传输时通常较大；

2)惯性导航装置数据回传：惯性导航装置通常工作在移动过程中，不适用于通过电缆进行通信;惯导数据包括IMU数据，惯导输出的速度位置姿态，辅助传感器数据，里程计，雷达等，数据通信带宽约3Mbps；

3)分散监测数据传输，由于设备较分散，单独布置和维护通信电缆难度较高，包括运输三机(刮板输送机、转载机、破碎机)动力部监测数据、乳化液及喷雾泵工作状态监测数据、各种供电开关等的实时监测数据;

4)手持终端包括手持检测终端以及交互设备等;

5)其它应用场景:主要为布置通信电缆较困难，并且数据传输带宽要求较大或有一定实时性要求的场景。

以实时激光扫描雷达为例，分辨率为640*480，率20fps，通信带宽达160Mbps，通过5G大带宽通信实现数据实时上传。

(6)固定碉室巡检

①场景说明

煤矿井下应用巡检装置的场所主要包括:变电所、水泵房、皮带机、大巷、井筒、管道、采煤工作面等，主要采集实时视频、热像图、环境气体参数、烟雾、设备运行工况等信息，数据分析处理后，实时控制开关柜、阀门、机泵及采掘设备等。

以实时信息采集为例，一台巡检装置最多配置4路高清摄像头，每路1080p，网络需求为32Mbps;环境参数检测、语音通话、红外热成像等网络需求约5Mbps;合计网络需求为40Mbps。

以巡检控制为例，网络控制时延要求不大于100ms。

②机电碉室无人化

机电碉室(中央配电室、中央水泵房)进行5G无线通信网络覆盖，实现语音、视频通讯;安装5G移动巡检机器人，实现设备现场超高清视频、语音、红外成像等数据的实时回传及设备运行故障的超前预判、预警，解决方案如下。

结构设计:

智能巡检系统由运行轨道、巡检仪、无线通讯基站以及监控中心组成。智能巡检仪通过搭载红外热视仪实时采集巡检设备的红外热像图及各点温度，根据设备温度异常情况及时反馈到监控中心并根据设定值做出报警显示，同时利用识别卡和图像准确地定位故障位置便于及时处理。智能巡检仪配备传感器和高清摄像机，可以24小时实时监测巡检区域环境设备状况。搭载音频拾音器，实时对比历史音频数据文件，当正常运行中采集到的声音有异常时能够及时发现并报警。系统通过无线通信实现数据和图像采集并保证巡检仪稳定可靠运行。

巡检仪采用无线通讯方式进行信号传输，碉室设置无线基站，巡检仪内置5G模组设备，与基站通过5G无线网络通信;地面设置远程控制站，系统通过5G工业网将数据传输至地面进行远程监控。

(7)远程控制网络通道

井下各种工业设备，如割煤机、液压支架、掘进机等当前采取有线控制的设备，基于5G高质量承载管道，可以考虑远程人工控制或未来基于AI的智能控制实现减少现场作业人数的目的。

以无轨胶轮车、矿用电机车、单轨车、固定式液压破碎机等为主的应用场景，也可以考虑以5G来实现井下远程(无人)驾驶，与巷道基础设施、路侧单元、作业人员、其他车辆之间实现相互通信。其中，车辆与由井下5G基站和远程无线前端PicoRRU组成的网络进行高速率、低死时、高密度的通信，地面端对车况信息进行实时监控，同时根据井下车辆所采集的路况及巷道信息对地面端数据进行即时更新，并与井下车辆实现数据共享：井下用车时，人员通过5G网络获取车辆信息，调度系统派遣车辆前往用车地点；此外，当井下发生异常现象(如路况，车况异常)，5G网络为车辆远程控制提供可靠的通讯链路，地面端可对无轨胶轮车进行紧急介入。

以远程(无人)驾驶无轨胶轮车为例，一台车最多配置4个激光雷达；4路高清摄像头，每路1080p；2路毫米波雷达，网络需求为40Mbps；网络控制时延要求不大于50ms。

以掘进机场景为例，需要考虑6路1080P高清视频，考虑掘进机截割速度、启停命令等控制信号，通信带宽上行达50Mbps，整体控制信号时延小于100ms。

安徽省淮北矿业股份有限公司杨柳煤矿基于5G尊享专网的智慧综采项目，为淮北杨柳煤矿提供了5G基础网络平台、5G安全巡检系统及各工作面应用场景的数据传输服务，将单位的安全生产、企业技术质量体系联建工作有效融合，并实现了各类工作面视频监控、采煤机、液压支架等矿用设备与工业环网的数据交互，项目应用与客户生产紧密结合，具有较高的实用性。

本项目通过5G网络高密度接入、低延时特性，实现采煤机远程监控、远程控制、远程“云运维”，从而彻底解决恶劣工况“招人难”问题，实现了矿山重要生产场景的“少人化”，推动智慧矿山向“无人化”迈进。提升了企业安全生产水平，解决了对人的生命和财产安全危险隐患，是惠及社会民生的重要信息化项目。

安徽全省共有生产矿井39处，累计生产原煤1.13亿吨，总产量在全国23个产煤省(地区)排名第六，单井产量290万，位居全国第一。该项目目前已在省内复制成功案例3例，后续将在省内其他煤矿积极复制，具备较好的复制性。