（2024年）08基于复杂环境下的5G掘进机远程控制应用项目
08 基于复杂环境下的5G掘进机远程控制应用项目
所在地市：大同市
参与单位： 中国移动通信集团山西有限公司大同分公司
技术特点：5G+智慧矿山、双发选收、智能化采煤
应用成效：
一、企业简介
晋能控股是中国第二、全球第三的煤炭企业，一直致力于加速5G智能矿山建设与技术创新，尤其是核心生产领域的智能化改造，高危环境下的减人、少人、机器换人。晋能控股同忻煤矿2010年3月正式投产，井田面积65.2487平方公里，建立之初可采储量为8.3亿吨，服务年限64年；开采的石炭二叠纪煤层赋存具有煤层稳定、储量丰富、结构简单、开采技术条件好的明显优势；煤质为特低硫、特低磷、中高发热量的优质动力煤。同忻煤矿是山西省特大型高产高效千万吨级煤矿，经产能置换核定生产能力达 1600 万吨/年，属于煤炭行业的优质资产。
二、案例背景
为贯彻落实国家、山西省、晋能控股集团公司关于煤矿5G智能化建设文件精神，推动煤炭产业转型升级，提升煤矿安全生产水平，立足公司实际，以科技创新为引领，以5G赋能为抓手，以“四化”建设为主导，企业融合创新发展。
2021年2月9日，由山西省人民政府、华为技术有限公司、晋能控股集团有限公司、山西云时代技术有限公司等单位联合成立的“智能矿山创新实验室”在山西太原揭牌。该智能矿山创新实验室旨在利用在ICT领域积累的关键技术，提升煤矿数字化、智能化水平，助力煤矿实现“少人、安全、增效”。通过“煤炭专家+ICT技术专家”模式，聚合生态、赋能产业，推进煤炭行业转型升级，促进煤炭工业高质量发展。
晋能控股是中国中国第二、全球第三的煤炭企业，一直致力于加速5G智能矿山建设与技术创新，尤其是核心生产领域的智能化改造，高危环境下的减人、少人、机器换人。晋能控股同忻煤矿2010年3月正式投产，井田面积65.2487平方公里，建立之初可采储量为8.3亿吨，服务年限64年；开采的石炭二叠纪煤层赋存具有煤层稳定、储量丰富、结构简单、开采技术条件好的明显优势；煤质为特低硫、特低磷、中高发热量的优质动力煤。同忻煤矿是山西省特大型高产高效千万吨级煤矿，经产能置换核定生产能力达 1600 万吨/年，属于煤炭行业的优质资产。
三、实施方案
3.1整体架构
本方案以满足同忻煤矿当前及未来智能化矿山建设需要为出发点，着眼当下，兼顾未来，充分考虑网络规划的整体性和实施的阶段性，对地面及井下全部区域进行统一规划和设计，布置一张网络，分批次逐步实现全区域5G无线网络覆盖；兼顾整个煤矿现有的采、掘、运、排、通、机修、监测、调度、控制等各生产及附属环节，对语音、视频、数据三大业务进行全面承载。中国移动提供5G核心网网络，通过PTN传输网连接到矿上，矿上部署边缘计算服务器MEC，BBU通过光缆和RHUB连接再通过光缆与PRRU连接，井下还可以提供具有煤安证的CPE、5G手机、高清摄像仪等终端。系统网络架构分成两级：第一级由矿用5G无线接入设备组成，第二级由井下5G传输设备组成。网络架构示意图如下所示：
专网网络拓扑示意图
根据同忻煤矿5G网络覆盖现状和未来业务发展要求，按照基于5G融合调度通信系统部署井下无线信号覆盖，其组网架构图如下：
大同移动提出的煤矿井上、井下5G网络技术方案融合了煤矿原有的有线通信、应急广播等通信系统，目标是建设一张统一规划、信息共享、维护方便、可靠性高的信息化网络。5G无线网络满足井下人员通信、传感器信息采集、井下视频监控、井下远程控制等场景的网络需求，井下井上专网基站通过传输SPN设备接入园区边缘增强型UPF，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。专网系统同步方式采用SPN传输网络方式进行1588 V2授时，保障专网系统与园区其他系统保持同步。
可有效解决煤矿长期存在的安全生产信息无法全方位监测、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、智能化。
3.2主要功能
基于5G专网，打造AR双发选收的掘进机远程控制技术，井上井下协同作业、单兵智能物联网终端、融合调度平台、5G+AI智能分析系统、5G+综采智能化工作面、5G传感器数据采集，5G专网运营平台等应用，具体包括以下功能：
1）AR双发选收的掘进机远程控制
2）井下井上协同运维
3）单兵智能物联终端应用
4）融合调度软系统实现对终端设备的统一管理、统一调度
5）视频大数据5G+AI分析安全隐患智能感知预警
6）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
7）井下传感器、视频监控类、远程控制类等终端设备接入瓦斯、风速、水文等矿用5G传感器。实现了井下传感器5G回传。
3.3设计理念
基于5G专网技术，对传统的设备进行升级改造，打造5G+智能掘进系统；采用物联网、人工智能、远程控制等技术，将井下人、机、环的状态数据实时传输到后端平台进行监控分析计算。同时对危险场景下的设备进行远程控制作业。将操作工人从高危、高粉尘、高瓦斯、大风潮湿的环境中替换出来，提升企业智能化管理水平，降低生产风险。
3.4项目方案
3.4.1基于双发选收的5G掘进机远控
5G掘进机远控等场景需要网络具备超低时延的能力，煤矿远控场景对5G专网的时延指标要求一般为100ms以内。
AR502H-5G双发选收原理示意图
同忻煤矿专网创新方案理论上能提供平均约20ms左右的时延，实测平均时延不超过50ms，可满足5G掘进机远控等场景的时延指标要求。
同忻煤矿掘进机远控首次针对掘进机远控引入5G AR“双发选收”关键技术方案，通过在井下掘进机侧和井上控制台侧部署AR502H-5G实现5G链路双发选收和掘进机控制参数优化等关键措施落地。将发送端对流进行复制发送，实现冗余；接收端从两条数据流中，逐包进行时延最优选择，提升时延可靠性。双发选收机制实现了“零”抖动：接收端对先到的报文进行优先转发，克服某一路空口突发大抖动影响，时延的稳定性大幅提升；“零”丢包：两条链路同时传输相同报文，双链路实现备份，实现“零”丢包；赋能掘进机实现真正的基于5G的高可靠远程控制。
3.4.2井上井下协同作业
利用5G超千兆上行大带宽、MEC架构超低时延性能，通过矿用5G手机，井下人员可以随时随地与井上管理人员、技术人员实时进行昏暗环境下的4K超高清视频通话，助力井上技术人员看清井下生产细节，提高管理、技术撑效率。
1）实现井下井上协同运维；
2）实现井上井下高清音视频通话；
3.4.3单兵智能物联终端应用
利用矿上现有的5G无线网络可轻松实现下井人员语音调度、视频监控等功能，并可以通过蓝牙连接激光蓝牙甲烷检测仪以及智能手环等设备, 对人员生命体征及周边气体环境进行监测，最终实现人的连接与数字化。
① 融合通信
② 组内对讲
③ 工作面巡检
④ 井下作业
3.4.4云维护融合调度平台
融合通信（简称大调度）的核心是将煤矿生成中的“采、掘、机、运、通”和“一通三防”（通风，防尘，防瓦斯，防火）等纳入到调度的管理范畴。在矿井智能物联网基础上对综采、掘进、自动化设备、能耗进行全方位数据收集和接口管理；利用“云-管-端”结合的实时、弹性计算能力赋能给各设备；通过“设备+车辆+环境+人员+地测”数据的有效关联挖掘和处理，形成大数据分析中心对设备及井下情况作出综合智能决策处理；通过Iot边缘计算中心进行AI数据原型自学习，形成“边”决策中心对“边”中设备进行智能管控。利用融合调度软系统实现对终端设备的统一管理、统一调度。可有效的将安全监控、应急广播、人员定位、有线、无线、视频等系统进行融合或联动，实现统一调度、统一管理、统一监控、智能联动，消除信息孤岛，并采用云维护实现系统的远程实时维护。
3.4.5基于视频大数据5G+AI分析安全隐患智能感知预警平台（主煤流监测）
煤矿基于视频大数据5G+AI分析安全隐患智能感知预警平台由摄像头采集的视频监控数据由井下SPN环网传入井上服务器，并进行异常场景预警及预警信息储存归类。由此搜集的异常数据可进行截图准证，并生成异常行为数据样本集。样本集通过标引，可整理生成安全隐患知识库，从可支持自动进行三违及异常行为识别。视频展示大屏可对监控视频数据进行智慧监测，发现异常时，视频监控平台可进行声、光报警，并记录异常场景的地理、时间及类型信息。安全隐患管理平台可支持安全隐患数据挖掘，支持后续延缓管理。
平台功能：
（1）基于AI智能高性能服务器方式，依照单个AI智能高性能服务器能力，延迟可在秒级。并提供30天存储，并可提供历史回放，快速检索与备份容灾功能。
（2）基于前端摄像仪视频AI集群，可支持人员行为，堆煤，撒煤，烟，火等安全隐患识别，并提供截屏报警功能；
3.4.6 5G+综采智能化工作面
本次项目在同忻煤矿工作面安装矿用5G基站，部署矿用隔爆兼本安型CPE设备，采煤机设备可通过矿用隔爆型CPE设备接入综采面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。
5G智能化综采工作面
3.4.7基于5G终端接入应用
本次在同忻煤矿建设矿用隔爆兼本安型CPE设备，端类接入CPE，进而和5G网络连接，终端具有RJ45、RS485/232、WiFi等接口，可接入井下传感器、视频监控类、远程控制类等终端设备。
通过对以上各系统的数据采集，实现各种子系统设备的移动互联，实现数据的融合，对于超出安全指标的数据进行分析，根据分析结果上传至各级分管部门及设备厂家，通过系统提供的高清视频及数据，由专业人员对故障点进行会诊，节省相关技术人员下井维修确认排查时间。
3.4.8 5G传感器数据采集回传
项目通过井下5G网络（NB-1800M制式），配合瓦斯、风速、水文等矿用5G传感器。实现了井下传感器5G回传，简化了井下环境监控系统结构，可随时随地安装传感器，省去繁多的线缆，可2周更换一次电池，便于系统维护和检修。适用于综采工作面、皮带运输机机头、机电硐室等场景。
矿用5G传感器平台呈现5G井下采集数据
3.4.9 中国移动5G专网运营管理平台Onecyber
同忻煤矿园区部署了中国移动5G专网运营管理平台Onecyber，在MEC设备部署探针，并在CPE内部部署有Agent，两者协同实现掘进机远控。Onecyber平台完成端到端SLA指标监控，实现业务质量可视可管。
Onecyber平台端到端SLA指标监控
四、实施成效
本次项目以晋能控股同忻煤矿5G应用项目为依托，深度适配井工煤矿高危、高粉尘、高瓦斯、大风潮湿的生产场景，创新提出基于5G的双发选收技术，井下人、机、环的全面融合物联网感知系统，具有效率高、费用低、实时性好、安全性高等诸多特点，有非常重要的实用意义，可整体提升煤矿管理及重点区域安全生产能力，降低危险生产区域对人工作业的依赖，达到“减人增效”的长效化目标。
预计每年可为企业节约人力及维护成本约800 余万元，掘进机5G远控智能方案的落地极大的改善煤矿工人的工作环境，掘进工作面作业人数从12人/班减少至6人/班，减人幅度50%。同时利用先进的5G网络系统可支撑生产、管理数据的稳定传输，减少井下高危岗位工人数量从而降低安全生产事故发生率.
五、创新亮点
5.1首创5G双发选收技术，实现数据双通道同步传输择优处理，真正实现远程控制技术在煤矿生产环境中的“能用、好用”，从而实现机器换人
（1）5G高可靠远程控制解决方案，通过5G AR双发选收，解决单链路时延抖动问题。井下掘进机PLC控制流通过CPE及AR502H-5G模组组成双发选收链路与井上控制台双流互通，发送侧AR502H-5G利用包复制技术通过两个5G CPE向井上AR502H-5G发送双PLC信号流，接收端AR502H对接到的正确包，进行早到优先转发，后到包丢弃，如果两包有错，则进行包合并恢复后转发，实现稳定低时延。原理如下图：
AR502H-5G双发选收示意图
本项目采用5G专网（主）与光纤（备）双物理链路进行创新组网，通过掘进机控制系统软件参数适配，解决5G和备用链路乒乓倒换判决和5G倒回时延检测。掘进机控制台OT系统与AR502H-5G网络CT系统组网原理如下：
掘进机5G远控双物理链路组网示意图
井上控制台交换机网络与井下掘进机交换机网络，通过井上、井下一对 AR502H-5G构建的GRE隧道，实现二层组网，兼容掘进机OT系统原有网段配置，并适配矿方数据中心机房IT网络。井下掘进机PLC控制流及IPC视频通过5G链路及工业环网与井上控制台及视频服务器互通，5G为主用链路，工业环网为备用链路。掘进机PLC控制流通过CPE和AR502H-5G模组组成双发选收链路与井上控制台互通，若其中一路中断，通过另一路单发互通，若二路同时断，数据通过工业环网与井上控制台互通；IPC视频流通过CPE链路与井上视频服务器互通，若CPE链路中断，数据走工业环网；工业环网通过双路由光纤连接至井上设备，其中一个方向连接井上AR502H作为5G的备份链路，另外一个方向连接井上交换机打通贝壳集控与井上操控台的网络。
5.2井下人、机、环的全面融合物联网感知系统。
利用现有的全矿井5G网络实现人员语音调度、移动视频回传、个人单兵装备连接、人员定位、海量传感器接入、设备状态监测等功能，最终实现井下人、机、环的联动感知与数字化。
六、案例图片
