（2023年）01 山西焦煤集团马兰矿5G全连接智慧矿山项目

发布时间：2023-06-30 15:21

10 中煤华晋集团王家岭矿5G+煤矿应用智能化项目

01 山西焦煤集团马兰矿5G全连接智慧矿山项目

一、企业简介

山焦西山马兰矿是国家“七五”期间建设的国有重点煤矿，矿井位于吕梁山东翼、汾河之滨，距太原市53公里，1990年6月正式投产，井田面积为97.5平方公里，矿井核定生产能力360万吨/年。井田现有工业储量10.6亿吨，可采储量5.9亿吨，剩余服务年限105.6年。现主要开采02号、2号、8号煤，矿井绝对瓦斯涌出量150.42m3/min，相对瓦斯涌出量20.32m3/t，属煤与瓦斯突出矿井，地质类型极复杂，水文地质条件复杂。主要产品为经洗选加工后的肥精煤，产品主要销往国内大型炼钢企业。

二、案例背景

马兰矿始终坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入学习贯彻党的二十大精神，积极落实省委、省政府能源革命和“五个一体化”。在山西焦煤、山焦西山的坚强领导下，坚持以“三化”为牵引，以堵塞漏洞、提质增效、本质安全为目标，扎实推进信息化建设。

马兰矿原有采煤机数据传输主要采用光纤、动力线缆载波技术，使用过程中频繁发生线缆折损造成数据中断；液压支架传感器、视频信号线缆过多，运行过程中维护量大，而且工作面工况复杂，频繁发生信号缺失；液压支架电液控总线需要每架支架控制器串联，其中某根控制器邻架线故障会导致整个电液控总线失效。

项目在矿井现有网络的基础上，研究以“井上/井下SPN环网+5G无线网络+无线物联网终端”的多网融合为特点的“一张网”系统，为智慧矿山建设提供统一、高效的传输平台与数据接口，融合矿井原有必备的有线通信、应急广播、视频监控、物联网监控等网络，实现数据在“一张网”中的统一传输，有效解决煤炭行业长期存在的安全生产信息无法全方位监测、安全生产信息传递时效性和准确性不高等问题，实现煤炭信息化和自动化生产，推进井下少人化、无人化。

三、实施方案

山西移动联合西山煤电马兰矿打造太原首个5G智慧矿山项目，贯彻落实煤炭产业和数字技术一体化融合发展。抓紧数字化转型机遇，率先在马兰矿构建智能化矿山5G全连接智慧矿山，提高煤矿生产效率和本质安全水平。

目前马兰矿已建成5G专网、万兆工业环网、云数据中心及安全生产经营数字化管控平台等。

（1）矿山5G专网

5G专网是落实煤炭产业和数字技术一体化可持续智能化升级的信息基石。马兰矿于2021年建设了5G专网，井上合计部署1套宏站、2台SPN、1台边缘UPF。井下合计部署2台隔爆型SPN传输设备、3台隔爆型数据传输分站（BBU）、2台隔爆型无线基站（RRU）、4台隔爆型数据传输分站（RHUB）、30台隔爆型无线基站（PRRU）。信号覆盖地面集控中心及井下中央变电所、中央水泵房、井底车场、南五下组煤辅运巷等区域，解决了调度通信、传感器信号传输链路单一的问题，实现了有线调度、无线通讯、应急广播等多种通信系统的有机融合，为机器人巡检、智能矿灯、无线传输以及电机车无人驾驶提供了稳定的网络基础。主要应用场景如下：

5G新调度：马兰矿井下原有通信系统主要以固定电话、广播系统等有线通讯为主，现在5G网络可以与调度中心的调度台实现互联互通，满足强插、强拆等调动通信系统功能，可有效应对突发情况。还可根据业务需求，通过白名单权限管理，对不同使用者开通相应权限的通信业务，将大大提升无线通信管理水平。

5G+电机车无人驾驶：有轨电机车远程遥控系统是以5G专网为传输平台，采用井下机车精确定位技术、视频图像处理技术和矿井机车调度技术，井下电机车配有车载控制系统，自主接收调度计算机分配的运输任务，获悉路径、区间、信号机序列等信息，通过对路况、机车状态、定位信息等进行自主识别，实现远程遥控驾驶。

5G+机器人巡检：通过挂轨式智慧巡检机器人，结合设备非接检测技术、多传感器融合技术、模式识别技术以及导航定位技术等，实现中央变电所全天候、全方位、全自主智慧巡检和监控，实现无人化值守。

5G+无人化综采：通过对采煤机进行智能化改造，依托5G网络实现传感器、摄像头等将作业现场数据回传至控制中心，基于综采设备控制系统，实现一键启停、远程控制等功能，提升井下作业安全性。

（2）工业环网

矿用工业环网是落实煤炭产业和数字技术一体化各类数据传输交互的重要核心。马兰矿于2019年、2021年分别对井下及地面工业环网进行了升级改造，相对于原有工业环网依赖国外厂商，设备老旧扩容难、故障定位困难等问题。马兰矿工业环网升级为SPN全光工业环网，具有四大优势，优势一，大带宽平滑演进，传输带宽可以从10G到100G按需选配，满足不同的网络需求，优势二，高性能、高可靠，spn环网具有微米级超低传输时延、毫秒级网络快速自愈的能力，保障业务安全可靠传输。优势三、具有一网收编多网的能力，实现矿井的语音、视频、控制、传感等数据的安全隔离、综合承载，避免重复投资，减少线路维护费用。优势四，网络统一运维管理，利用SPN智慧网管平台，实现传输业务的集中管理、故障智能定界和告警，告别传统人工逐段排查的方式，极大提升网络运维效率。目前产业链已经实现全国产化，摆脱国外技术依赖。

（3）云数据中心

煤矿数据中心是落实煤炭产业和数字技术一体化稳定可靠运行的基本保障。马兰矿于2019年整合了原来分散的五个机房，建设完成云数据中心，实现了各系统的数据融合共享。中心集数据采集、存储、加工、处理、计算、分析、挖掘和开发功能，支撑煤矿内外部信息资源的整合共享、海量异构数据的高效处理与智慧服务能力的灵活扩展和安全容灾，为安全生产、经营管理提供稳定的网络和信息数据服务。

（4）安全生产经营数字化管控平台

安全生产经营数字化管控平台是落实煤炭产业和数字技术一体化各项业务系统数据融合、智能联动的集控大脑。马兰矿于2021年建成了安全生产经营数字化管控平台。该平台基于山西焦煤“一张图”的理念，包含综合调度、生产技术、地测防治水、一通三防、机电运输、安全管理、应急救援、综合监测、数字档案等版块，实现了各专业系统集成、部门间协同办公、业务数据共享、跨系统联动等功能。为煤矿的安全生产、经营管控、决策指挥提供重要支撑。

（5）智能控制中心

智能控制中心是落实煤炭产业和数字技术一体化各主要生产环节数据交互和联动控制的核心枢纽。马兰矿于2019年建成智能控制中心，2021年完成扩建。集控中心已整合智能综采、智能掘进、盾构机、地面大型设备、井上下电力、皮带、通风、排水、提升机、顶板、水文、安全监控等多个信息系统，实现在调度集控中心对全矿井生产的主要环节的实时监管、集中远程控制，全面提升矿井安全生产水平。

（6）数据安全能力

煤矿数据网络安全是落实煤炭产业和数字技术一体化安全运行的坚实堡垒。马兰矿网络分办公网、生产网、工业网三个区域，为保障业务间安全稳定运行，对原有网络进行四大改造。改造一，边界防护，互联网边界：主要部署防火墙和入侵防御为主，抵御来自互联网的攻击。部署上网行为管理为辅，辅助管理人员管理互联网上网行为。生产网和专网边界：部署防火墙和入侵防御，用于限制访问生产网数据来源，抵御网络中已知和未知的攻击。数据中心边界：部署防火墙，对于访问核心服务器以及数据，做到点对点策略控制。改造二，安全隔离，办公网与生产网之间，采用安全隔离与信息交换系统（网闸）的强安全隔离技术保障“两网隔离”以及“必要的数据摆渡”，实现在保证数据信息实时传递的同时实现煤矿企业工业环网的强安全隔离。改造三，运维管理，在生产网中部署堡垒机、数据库审计、日志审计、漏扫、态势感知等安全产品，从网络、主机、应用等多个层面保障客户的业务安全。改造四，主机防护，通过部署内网安全风险管理与审计系统，实现对业务服务器、控制终端等设备进行病毒防护、威胁检测、漏洞管理、移动存储介质管理等统一策略配置管理。此外，还部署有日志审计、数据库审计、堡垒机、EDR终端杀毒软件等安全设备，对重要信息系统及核心交换机进行授权访问、日志审计，有效提升了网络安全防护能力。

四、项目实施成效

项目依托“”5G+AI+云“”新基建，打造了大型煤机设备远程控制、固定场所无人巡检、有轨电机车无人驾驶等5G典型应用场景，让矿工从危险、繁琐的工作区域脱离出来，保障井下安全生产、提升作业效率。同时实现了井下各类智能监测终端、传感设备和信息化系统的5G综合承载和互联互通，结合人工智能、大数据等新技术，准确掌握和分析井下各关键生产环节的全貌，预测和防范安全过程中的隐患和风险，进一步保障煤矿生产安全，助力马兰智能化进程高效快速发展。

1.解决煤矿智能化通信技术4大“卡脖子”难题

目前煤矿智能化通信技术4大“卡脖子”难题是，1、因井下生产设备和人员都时刻处于运动状态，传统光纤通信易折损的问题；2、4G和WIFI，无法支持低时延、高可靠、快切换的远程控制问题；3、随着智能化需求井下的数据传输量越来越大，传统有线、无线带宽不足的问题；4、传输5G边缘核心网不支持独立运行，达不到煤矿自主备份交换的问题。

图马兰矿5G+全连接工厂架构

本项目通过联合产业合作伙伴针对智能矿山对通信网络的需求，围绕井下传感器、视频监控、井下远程控制等三大类井下专用通信需求，调整上下行时隙配比，研发矿用终端与模组，与行业伙伴完成信令对通，使井下5G网络与现有系统互通真正具备条件。

2.解决煤矿子系统信息不互通，缺乏集中管控的问题

目前煤矿子系统种类繁多，系统间关联程度小，系统没有实现有效整合、信息互通，缺乏系统的集中管控、及时处理，各类数据互不相通，缺乏指导和调节煤矿各生产系统和环节运行的有效手段。

图 5G工业互联网平台

通过建设矿山工业互联网平台，将工业互联网新技术与马兰煤矿的原有生产、经营系统深度融合。同时通过平台汇聚矿上海量数据，进行智能分析和辅助决策，可有效提升了煤矿安全、管理水平。

3.解决矿山5G专网语音通信和白名单控制的问题

在传统的煤矿行业，井下通信系统主要以固定电话、IP电话和广播系统等有线系统为主，有线连接易发生线路老化、断路等问题。同时由于井下作业地点分散，移动通信需求旺盛，有线通信难以满足井下通信需求。

图智矿通5G融合融信

项目通过“智矿通”5G专网在满足井下5G语音、视频通话基础上，可提供5G通信权限管理功能，保障井下通信安全，提高井下安全水平。经过测试，基于智矿通5G网络可以与调度中心的调度台实现互联互通，并满足强插、强拆等调动通信系统功能，可有效应对突发情况。弥补了井下5G无线通信管理的空白，提升了煤矿指挥调度和应急管理水平。

4.解决远程综采控制时延长、通讯线缆繁多的问题

智能化综采是地面控制中心通过服务器和监控软件对工作面三机、顺槽皮带和采煤机进行高清视频监控、远程操作及管理，目前普遍采用有线网络，由于工作面系统较多，时刻处于运动状态，通讯线缆维护量大、结构繁杂，信号传输动、静状态传输不稳定，仅单个工作面液压支架电液控通讯线缆就有2000根左右，很难保证整个工作面系统的常态化运行。个别系统采用WIFI无线系统方案，存在明显的传输可靠性差、带宽小、视频卡顿等问题。

图 5G远程综采

本次项目在焦煤集团马兰矿某工作面安装5台4K+5G高清摄像头，通过5G专网实现视频上传，并在地面调度室、顺槽集控中心对高清视频进行显示，通过综采面5G专网，实现在地面综采控制台对井下工作面采煤机、液压支架、三机设备的远程操作，工作面监控数据、视频回传实际远控延迟小于20ms，验证了5G在综采工作面应用的可用性。

5.解决人工巡检工作量大、传输带宽有限的问题

机电硐室为煤矿最重要的场所之一，有人巡检工作量大，传统WIFI控制机器人视频传输清晰度有限，难以实现多路视频回传，影响巡检效果。

图 5G无人巡检机器人

本次项目通过改造巡检机器人为5G控制、回传，替代人工巡检，实现了轨道机器人4K高清视频、红外、瓦斯、烟雾传感器等数据通过机器人5G模组传回，在地面平台可以直接对变电所机器人远程操控并通过机器人井上井下对讲。提高设备监测信息采集的自动化、智能化，有效实现了机器替人，减少了井下作业人员。

6.解决电机车司机工作强度大、安全风险高的问题

传统有轨运输系统司机需现场驾驶电机车运行，道岔为手动扳道器，车辆调度由现场人员指挥，存在撞车、追尾等较大的安全风险；现场岗位人员受井下噪音粉尘等环境限制，工作环境较为恶劣，且在传统折返式运行工艺模式下，司机徒步转换车头等环节严重影响生产效率。

图 5G有轨电机车无人驾驶

项目以5G高速无线通信及工业环网为传输平台，以矿用轨道运输监控（信集闭）系统为安全依托，采用井下机车精确定位技术、图像识别处理技术和机车安全运调技术，结合智能化电机车单元和电机车综合监控系统，实现电机车运输全过程的无人化驾驶作业。

7.解决传统数据中心业务增长带来的扩容难、耗时长

马兰矿云数据中心以软件定义为基础，分布式存储为核心，在同一套单元设备中融合计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，多套单元设备通过网络聚合起来，通过软件定义形成统一的资源池，提供计算、存储、网络、运维等一体化的基础设施服务平台，满足数据业务的灵活扩容和容错机制。同时搭配建设矿区网络安全综合防控体系，有效保护了矿区关键信息基础设施、重要网络和数据安全，帮助煤矿提升信息安全水平。

五、项目价值

1.5G全连接工厂打造透明矿山，提高生产效率，提升井下安全生产水平

5G新调度：补齐原有有线通信针对井下作业地点分散难以及时有效通信的问题，5G新调度可实现矿区有线、无线通信的融合调度，极大提升了井下调度指挥和应急救援水平。

5G+有轨电机车无人驾驶：在5G高速通信模式下电机车的无人驾驶和智能调度，实现了全流程无人驾驶，改善了人员操作环境，提升了运输效率和安全管控水平。

5G+巡检机器人：5G+巡检机器人行走在井下中央变电所，将作业环境差、安全没有绝对保障的岗位上的矿工逐步解放出来。巡检机器人24小时盯梢，减少来回折返巡检，提升井下巡检效率。

5G+智能综采：综采工作面的采煤机、液压支架、运输机、破碎机等设备通过5G网络与指挥中心相连，实现了协同控制。智能化建设让单班入井作业人数从12人减少至6-7人，主采八号煤的智能化综采队日产量提高了66%，达到1万吨。

5G+综合管控平台：各类信息化子系统的高带宽、广连接、高可靠的数据业务由5G网络安全、稳定、综合承载，满足生产数据的实时展示和互联互通，结合人工智能、大数据等技术，提供全面感知、自主学习、分析决策和动态预测等功能，为煤矿安全生产提供分析和决策的依据，保障煤矿生产安全。

2.数据安全和网络安全保障业务安全稳定运行

马兰矿云数据中心满足数据业务的灵活扩容和容错机制，有效解决传统数据中心业务增长带来的扩容难、耗时长、数据难恢复等问题。同时搭配建设矿区网络安全综合防控体系，有效保护了矿区关键信息基础设施、重要网络和数据安全。全面提升了矿区数据安全和网络安全规范管理、监测预警和应急处置的能力，有效防范网络安全威胁，为矿区数据安全和业务稳态运行提供有力保障措施，助力煤矿提升信息安全水平。

六、项目亮点

针对马兰矿生产方式落后、安全隐患大等痛点，山西移动通过对煤矿“5G+工业互联网”与云计算、大数据、人工智能等新型技术深度融合，赋能煤矿智能化转型发展。主要围绕矿井环境恶劣、煤矿业务对大带宽、低时延、低功耗、数据不出园、网络稳定性等要求，提出了边缘计算、端到端网络切片、分布式MM技术+2:3时隙配比、UPF下沉解决方案，建设5G矿山专网，搭建煤矿行业互联网平台，基于专网与平台等关键技术，并完成了质量检测、远程运维、多机协同作业、人机交互等工业领域的典型应用场景，解决了煤矿智能化建设的四大卡脖子问题：

1、生产设备、人员时刻运动，传统有线环网易折损、中断的问题；

2、4G、WIFI无法满足远程控制低时延\高可靠\快切换的问题；

3、井下海量视频、数据上传对上行大带宽要求高，4G、WIFI容量不足且有线维护工作量大的问题；

4、传输5G边缘核心网不支持独立运行，达不到煤矿自主备份交换的问题。

创新点：

解决了5G通讯在煤矿井下限定空间的抗干扰、抗多径效应、复杂地形无线覆盖、移动目标定位、智能天线应用、信息安全管理等关键技术，形成适用煤矿特殊环境的覆盖全矿井的5G组网方案。

通过调整矿山5G专网的上下行时隙配比，实现了上行带宽2.2G的速率，满足综采面60路高清视频能够实时上传，并使井下多网归一成为可能，可用于城市、工业、警务等对上行带宽需求大的场景。

通过5G专网核心网部分网元下沉，提出了全球首个风筝方案，彻底解决公网专网融合信令面可靠性问题

通过50/100G超宽全光环网，实现无线承载网、视频监控网、生产控制网多网合一，挖掘存量环网价值，网络切片业务安全隔离，避免环网重复建设。

利用5G专网大带宽、低时延、广连接的特性，打造丰富的智能矿山5G应用，改变传统矿山工作和生产方式，涌现5G网络价值。

创新成果：

1、全国首个开通LampSite EE上行超宽带能力的矿井，标志着5G智能煤矿迈入新的上行千兆时代，上行最大总吞吐率达到2.2Gbps。该上行超宽带能力在覆盖区域内可满足100个高清摄像头（单个摄像头按20Mbps计算）集中部署。