07   寿阳段王煤业5G+巡检机器人项目

所在地市：晋中市

参与单位：山西寿阳段王煤业集团有限公司、中国联合网络通信有限公司晋中市分公司、联通（山西）产业互联网有限公司

技术特点：利用5G技术改造升级工业企业生产网络，并建设5G+智能巡检机器人，代替人员值守，开启无人化管控实现矿山的数字化、网络化、智能化融合，推进“机械化换人、自动化减人”，助力企业降本增效。

应用成效：利用5G无线网络大带宽、低时延、高可靠性和海量连接的特性，通过巡检机器人自主巡检，减少了煤矿井下工作人员，并能及时发现安全隐患，减少生产过程中的非正常停机时间，降低了煤矿企业生产成本。

一、企业简介

山西寿阳段王煤业集团有限公司是冀中能源与原段王矿强强联合之下的大中型煤炭企业，它的前身是寿阳县地方国营段王煤矿。历经多次整合，保留了三矿（平安、友众、段王本部）一厂一公司。段王本部综合生产能力300万吨/年，井下机械化水平也在日新月异地改变，机械化、信息化、电子化、智能化水平也在飞速发展变化。

山西寿阳段王煤业集团有限公司位于寿阳县城西北22km处，行政区划隶属山西省晋中市寿阳县平舒乡。井田东西宽4.5km，南北长3.7～4.7km，面积为19.0015km。307国道从矿区横穿而过，聚泰达铁路专用线直通石太线寿阳车站，地理位置优越、交通运输便利。主要产品为贫瘦煤，属优质动力煤，煤质良好，段王公司是目前晋中市最大的煤炭生产企业之一。

二、案例背景

通过建设5G网络，实现矿山的无线覆盖，可利用5G网络大带宽、低时延、高可靠性和海量连接的特性，支撑更加丰富的业务场景和应用，实现矿山的数字化、网络化、智能化融合，建设成全面感知、实时互联、协同控制的智能化矿山，加速推进“机械化换人、自动化减人”，助力企业降本增效、提质创新，实现企业的可持续发展。

同时基于带式输送机常见故障类型及其原因的分析技术，设计集传感、控制及通信功能的带式输送机故障巡检机器人以及传感器，针对不同故障采用相应的传感器及检测算法，达到无人化的智能巡检代替绝大部分人工巡检工作的目的，减少人工的劳动强度，提高巡检效率，降低事故风险。

三、实施方案

1. 整体架构

万兆工业环网由地面的万兆环网核心交换机和井下的矿用隔爆兼本安型万兆环网交换机组成万兆骨干网络，以支撑原有工业环网和新建5G移动通信等业务。

矿用5G无线通信网络由地面的5G核心网设备、网管系统及井下的基带控制单元（BBU）、远端数据汇聚单元（RHUB）、微型射频拉远单元（pRRU）、5G信号转换器（CPE）等设备构成。

5G核心网的功能主要是构建园区自主可控的专有网络，提供更加贴近行业应用的定制服务；提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权、语音和数据的交换；矿方可自主管控自己的用户；矿方数据不出园区，保证所有数据信息的安全可靠。通过在矿区部署企业级5G核心网设备，实现煤矿5G无线通信系统独立组网、独立运行，保证无线通信及数据传输的可靠性、稳定性，在有效范围内可以支持正常的语音、数据、视频通信传输。

基带控制单元（BBU）和远端数据汇聚单元（RHUB）的主要作用是完成信号的基带处理，提供传输管理及接口，管理无线资源。

基站由微型射频拉远单元（pRRU）和无源双极化定向天线组成，主要功能和作用是提供井下4G/5G/NB无线信号的覆盖，配套的天线具备增益功能，增益后的发射阈功率满足防爆安全要求。

5G信号转换器（CPE）的主要功能是将5G信号转化为WiFi信号或有线信号，为其他设备提供高速WiFi信号，并提供RJ45、RS485、CAN总线接口。

巡检机器人由移动轨道、自主移动式云台高清摄像头、环境传感器、拾音器、5G CPE等构成。可以移动采集实时视频、拾取环境声音，采集甲烷、温度、烟雾等数据，并通过5G通信系统将音视频数据和环境数据、报警数据传输到云运维平台。通过对数据的分析，判断是否存在设备故障以及故障位置，实现声音异常识别功能、红外热像图采集及温度异常报警功能、移动图像采集、环境探测、自主避障、人员闯入报警等功能。

2. 主要功能

5G专网的功能主要是构建自主可控的专有网络，提供更加贴近行业应用的定制服务；提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权、语音和数据的交换；矿方可自主管控自己的用户；矿方数据不出园区，保证所有数据信息的安全可靠。通过在矿区部署企业级5G核心网设备，实现煤矿5G无线通信系统独立组网、独立运行，保证无线通信及数据传输的可靠性、稳定性，在有效范围内可以支持正常的语音、数据、视频通信传输。

巡检机器人可自动巡检、自主充电，实时采集、存储、传输现场的图像、声音、温度、烟雾等数据，通过对数据的分析，判断是否存在设备故障以及故障位置，实现声音异常识别功能、红外热像图采集及温度异常报警功能、移动图像采集、环境探测、自主避障、人员闯入报警等功能。

3. 设计理念

（1）先进性。采用先进的、成熟的、广泛使用的5G移动通信技术和万兆工业环网传输技术，满足煤矿智能化矿井建设的需要，确保系统的可靠性、先进性及生命力。与现有工业环网无缝对接，降低系统升级对传统工作模式的影响，煤矿原有业务系统，均能通过本次建设的万兆工业环网正常、稳定、可靠地传输。整个系统具备较强的可扩展性、后向兼容性和前向适应性，将未来网络升级的复杂性控制在地面核心网一侧，避免了接入层硬件改造（主要在井下）带来的巨大成本和时间损耗。

（2）经济性。根据煤矿智能化矿山建设的规划，先期进行万兆工业环网的建设和以掘进工作面为主的重点区域5G信号的覆盖，后续增加设备提供安装接入服务，5G无线通信系统可与智能化矿山管控平台无缝对接，避免重复建设、系统割裂等带来的投资浪费和智能化建设效益发挥不理想等问题。

（3）抗灾性。在系统设计时进行环网的抗灾性设计，环网自愈时间小于30ms，即使其中的任一光缆、任一设备发生意外故障均可保障骨干环网稳定运行，具有高稳定性和高可靠性。

（4）融合性。新建的万兆工业环网，能够实现原有工业以太网和移动通信网的承载，支持对监测监控、定位、通信、广播、工业电视、调度、自动化、安全监控等多个系统的统一接入、统一承载、统一管理；整个网络结构简单、设备集成化程度高，提升了运行效率，且便于施工及维护。

4. 项目方案

4.1 万兆工业环网建设

段王煤矿万兆工业环网建设分为地面和井下建设。在段王煤矿地面核心机房放置1台万兆环网核心交换机；井下建设1台矿用隔爆兼本安型万兆环网交换机，部署于机电硐室。

本次配置核心交换机设备提供10GE端口8个，井下环网交换机设备提供10GE接口4个，GE接口10个，用于实现环网交换机之间连接、新建5G基站设备的接入和承载以及原有工业网络设备的接入和承载。环网设备支持Ethernet/IP协议，并且通过转换器转换后可支持PROFINET、MODBUS—RTPS、EPA 等以太网协议。

网络连接相关线路均采用一主一备的连接方式，提高网络抗灾性。由于煤矿生产环境的特性，一主一备的连接线路可以更好地实现手动断线切换，最大程度保障井下网络的通信能力。

万兆环网交换机设备支持10GE和50GE模块拓展，本次设计的10GE模块能够完成移动通信上行端口接入和下行设备基站控制器接入以及井下各业务的接入。控制、安全等承载业务可以根据实际需求，配置不同的模块，通过统一建设的万兆工业环网同时承载移动通信和工业环网，真正实现井下“一张网”。

4.2 井下5G网络建设

根据段王煤矿业务规划，方便满足后续场景数据传输及控制需求，5G信号主要覆盖范围为综采面，2条掘进巷和机电硐室，据此进行5G无线基站位置部署：

5G基站共需5台，其中200米的综采面的纵切面部署2台5G基站；两条掘进巷的两台掘进机上各挂载1台5G基站；机电硐室部署1台5G基站。

4.3 巡检机器人建设

巡检机器人由移动轨道、自主移动式云台高清摄像头、环境传感器、拾音器、5G CPE等构成。可以移动采集实时视频、拾取环境声音，采集甲烷、温度、烟雾等数据，并通过5G通信系统将音视频数据和环境数据、报警数据传输到云运维平台。

巡检机器人能够定时自主巡检，也可以由云运维平台控制巡检，还可以根据巡检任务进行巡检，能够实现巡检任务的全自主运行，无需人工干预。通过采用AI智能识别技术，能够进行设备外观异常检测、开关分合状态识别、仪表读取等功能，实现对设备故障的判别和自动报警，并为故障信息大数据综合分析决策提供必要的数据和技术支撑。

与传统的人工巡检方式相比，因巡检人员的不同而巡检效果各异，采用机器人巡检不但提高了工作效率，解决了巡检质量分散、手段单一等问题，而且机器人每次巡检定时、定点、定角度的程序化作业也保证了巡检到位率和及时性，大大提高了巡检的客观性。

相对于固定视频监控系统，巡检机器人可根据需要灵活移动至检测区域，进行设备检测和远程视频作业指导，真正实现变电站全方位监测。系统配置和任务设置灵活，巡检任务可根据时间、内容等进行随意配置。

四、实施成效

1. 经济性

本次5G无线通信系统通过部署5G小型核心网的方式独立组网，建设段王煤矿5G专网。5G独立组网较MEC等其他部署方式，价格具有优势，且由于无需与公网互通，所以后续使用中传输数据无需产生任何流量费用，从而达到节约成本的目的，具有经济效益。

巡检机器人24h自主巡检，减轻工作人员的劳动强度、降低劳动风险，及时发现和预判周边环境潜在的安全隐患，减少生产过程中的非正常停机时间，降低运维成本，提高整个管理的现代化水平。

2. 安全性

煤矿5G专网使网络时延减低，提高数据传输速率，且井上井下数据传输过程全部在本地5G专网内完成，无需经过公网，从而实现数据不出园区，减少了泄密的风险，保证了数据的安全。

通过巡检机器人对安全生产的重点环节进行自主巡检，实现对生产中的安全隐患进行排查治理，对可能发生的安全生产事故进行预测预警，避免人员疏忽大意导致漏检、错检，把损失降到最低，最大程度上降低事故发生的可能性。

五、创新亮点

巡检机器人对检测区设备进行全天候在线实时监测，大大减少固定式传感器和仪器的安装数量，各类数据通过5G无线网络传输至管理平台，系统对数据进行筛选分析，并将数据结果上报给现场维护人员。同时数据结果进行本地储存，作为后期系统优化学习的数据基础。通过图像识别、测温、噪音频谱分析、有害气体检测等主要技术手段，实现故障的实时报警和早期预警。在降低综合运营成本的同时，提高运营水平，同时也提高了巡检的精准度，使得作业环境的安全系数大幅提升，真正实现了巡检工作的智能化。

六、案例图片