5G智慧矿山融合方案白皮书（2023）

中国电信5G智慧矿山融合方案白皮书 （2023） 中国电信集团股份有限公司发布 前言 本白皮书将5G技术和智慧矿山行业进行深度融合，对智慧矿山的应用场景、网络需求及解决方案深入的研究和探讨，由中国电信集团联合合作伙伴共同发布。 本白皮书由中国电信集团有限公司牵头编制，修改和解释权属中国电信集团有限公司，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本白皮书内容。 主要编写单位：中国电信政企信息服务事业群、煤炭科学技术研究院有限公司、中国电信研究院、华为技术有限公司、中国电信云计算有限公司、中国通信服务股份有限公司、中国通信建设集团数智科创分公司 CONTENTS目录 01概要0107融智：AI融合拓展智慧矿山智能敏捷新场景27 02矿山典型业务场景及业务需求02 08融安全：安全融合构筑智慧矿山安全可信新格局28 2.1.露天矿典型场景需求描述02 2.2.井工矿典型场景需求描述03 2.2.1.井工煤矿典型场景需求描述03 2.2.2.井工非煤矿典型场景需求描述04 2.3.业务需求分析05 03中国电信智慧矿山融合方案08 095G能力魔方实现智慧矿山个性化服务定制29 9.1.服务定制总体内容29 9.2.规：精确画像建模实现建网标准精准化30 9.3.建：规范建网实现网络可用、可靠和稳定33 9.4.维：定制专网网管实现网络可视可控35 9.5.优：业务模拟测试助力网络持续优化36 04融5G：网络融合提供智慧矿山转型新能力10 4.1.露天矿网络融合方案设计10 4.2.井工矿网络融合方案设计11 4.3.上行增强12 4.4.时延增强13 4.5.可靠性增强15 4.6.灵活组网16 4.7.一号通专网17 4.8.精准定位18 4.9.融合调度20 10产业展望37 05融云：云网融合打造智慧矿山连接新基座22 06融平台：平台融合赋能智慧矿山新应用23 01 概要02 矿山典型业务场景及业务需求 能源是工业的粮食、国民经济的命脉。党的十八大以来，习近平总书记提出了“四个革命、一个合作”能源安全新战略，围绕推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命，全方位加强国际合作，实现开放条件下能源安全，为新时代我国能源高质量发展指明了方向。国家能源局等8部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，目标是到2035年，在我国实现智能感知、智能决策、自动执行的无人化智慧煤矿生产体系。 在智慧矿山的建设中，5G被赋予了重要的地位。2021年国家能源局印发《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》的通知，明确5G作为智能化煤矿的基础设施，无线网络覆盖主要运输大巷、进风大巷、采煤工作面、掘进工作面等区域，开展5G+煤矿应用可获得相应加分。2022年9月，工信部印发 《5G全连接工厂建设指南》，明确指出矿山行业作为工业重要场景，需加快5G新技术新场景新模式向生产各领域深度融合。 5G具备大带宽、低时延、广覆盖等特性，5G技术已经从CT领域的纵向代际升级，走向IT、CT、OT的横向多要素融合，以云网融合为核心特征，促进终端融合、网络融合以及平台融合。中国电信针对矿山行业发展瓶颈，结合5G网络创新能力，通过融云、融AI、融安全、融平台，构建云网融合的综合智慧矿山融合方案。 依托本白皮书，中国电信希望联合产业链上下游合作伙伴共同推进5G网络在矿山行业的创新应用， 推动形成矿山智能化建设技术规范与标准体系。同时以5G智慧矿山融合方案为基础，提供更多行业应用，助力我国早日达成无人化智慧煤矿生产的目标。 具体而言，在5G网络方面，试点上行增强、时延增强、可靠性增强及高精定位等创新技术在矿山场景应用；通过天翼云资源优势，打造云边协同智慧矿山应用场景，采用智能边缘云技术保证云服务云上延续，更贴近边缘保证较低网络时延，提供近场的业务处理能力；利用中国电信AI技术对煤矿生产各个环节的视频进行采集、传输、识别和分析处理；通过打造智慧矿山“云网边端”安全体系保障智慧矿山平稳运行；通过构建5G+工业互联网平台矿山子平台加速实现煤炭行业减人、增安、提效。 矿山的分类方式有多种，按照矿石种类可以分为煤矿、金属矿、非金属矿、建材矿和化学矿等等；按照矿山规模（生产能力），可分为大型、中型、小型3种类型；按照矿山开采场景，可分为露天矿与井工矿。 由于5G网络的覆盖受场景的影响较大，因此本白皮书按照矿山开采的场景进行分类：其中露天矿主要指在地上开采的矿山，井工矿主要指在地下开采的矿山。 2.1.露天矿典型场景需求描述 露天矿的开采，是把覆盖在矿体上部及其周围的浮土和围岩剥去，把废石运到排土场，从敞露的矿体上直接采掘矿石；生产时按一定的生产工艺过程进行，这些工作总称为矿山工程。矿山工程又可分为剥离和采矿工程，其中剥离工程是将露天矿境界内影响采矿的岩石剥掉，并运出露天矿境界以外进行排弃，以保证采矿工作的正常进行。 露天煤矿是室外作业类型，各作业区域按功能不同主要可划分为采煤区、采掘平盘区、回填区和破碎区四大部分。各作业区域包括有电铲采掘作业和矿卡运输作业，需要5G网络承载电铲远控、矿卡无人驾驶（含视频回传）、辅助设备数据采集、无人机预警，视频AI监控等业务需求。实际场景可参照下图（黑岱沟露天煤矿）： 0102 2.2.井工矿典型场景需求描述 2.2.2井工非煤矿典型场景需求描述 2.2.1井工煤矿典型场景需求描述 井工煤矿包含以下关键作业场景： 1、综（回）采面：采煤工作面，一般2-4米高（取决于煤层的厚度，使用的采煤机不同），国内一个矿一般有2-3个工作面，国外多为一矿一面。例如国内S省A矿为一矿一面，即目前有一个4306综采面，年产量约260万吨。 2、掘进面：综采工作面形成初期由掘进机开辟通道，U型，一侧为运输顺槽，一侧为回风顺槽，底边为综采面。该矿目前有4326综采面，有两台掘进机同时在回风顺槽和运输顺槽作业。 3、硐室：机电设备存放，人员躲避，排水，纵深约100米以上。此处为该矿的中央变电所位置。 4、巷道：即主运巷道（运煤），辅运巷道（运人，物料），长度几公里至数十公里，一般可以并排通行两辆胶轮车。 5、全域：井上井下全域范围，人、车等的定位、实时通信。井下防爆手机、智能矿灯、5G胶轮车等不同终端之间语音、数据融合调度。 井工非煤矿山，以平硐溜井出矿系统和竖井箕斗提升-溜井集中出矿系统较为常见。 ·平硐溜井出矿系统：主平硐水平以上各阶段采下的矿石，经溜井下放到主平硐，然后装车外运。 ·竖井箕斗提升-溜井集中出矿系统：常见于设主运输阶段的矿山，副阶段采下的矿石经溜井下放到主运输阶段，用竖井箕斗集中提升到地面。 在上述关于开采系统描述中，下列名词需要单独解释： ·平硐：直接与地面相通的水平巷道。它的作用类似立井，有主平硐、副平硐、阶段平硐和通风平硐等。 ·石门：与地面不直接相通的岩石水平巷道，其长轴线与矿体或煤层走向斜交或直交。 ·煤门：在厚煤层内，与煤层走向直交或斜交的水平巷道。 ·平巷：与地面不直接相通的水平巷道，其长轴方向与矿体或煤层走向平行。平巷布置在矿体或煤层内的称脉内平巷或煤层平巷。 ·穿脉：非煤矿山中，从脉外平巷与矿体直交的水平巷道。 ·溜井：地下矿采区溜井是矿山输送矿石的咽喉。 以井下开采为例，非煤矿山的作业流程如下： 0304 1）掘（爆破）：在矿体内装填炸药进行爆破，爆破后矿石形成矿石块。 2）采（出矿）：通过矿石铲运机将矿石运输到溜井处进行汇聚。 3）运（矿井内运输）：通过电机车将矿石运输到卸载站，准备破碎。初碎：采用破碎机对矿石进行破碎，便于皮带传输。 4）运（运输至选厂）：通过皮带传送将初碎后的矿石运输至选矿厂，进行选矿作业。 2.3.业务需求分析 场景 覆盖范围 业务类型 业务诉求 同时远程控制作业数量 上行容量 RTT时延 采煤区 长900米三层 深80米 矿卡无人驾驶 30Mbps 4台电铲 + 5台矿卡 350Mbps / 电铲远控 50Mbps <200ms 采掘平盘区 长1800米10层 每层高15米宽60~100米 矿卡无人驾驶 30Mbps 4台电铲 + 5台矿卡 350Mbps / 电铲远控 50Mbps <200ms 回填区 10层 每层高15~30米宽60~90米 矿卡无人驾驶 30Mbps 5台矿卡 150Mbps / 破碎区 矿卡无人驾驶 30Mbps 4台矿卡 120Mbps / 矿区 包含多个生产作业区以及待开采区域 辅助设备数据采集 <1Mbps 待进一步孵化 与种类和个数相关 / 无人机预警 12Mbps （按装4台1080P摄像 头计算） 1台 12Mbps 控制＜平均20ms;视频 <200ms 视频AI监控 3Mbps 与矿区部署有关 与个数相关 / 露天矿典型业务需求 井工煤矿典型业务需求 子场景 应用 原子应用 数量 上行速率(Mbps) RTT时延需求 可靠性要求 上行总带宽需求(Mbps) 掘进面 掘进机远控 PLC控制 1 0.2 <30ms 99.999% 64（2倍冗余） 视频流 4（1080p） 32 <200ms 99% 采煤面 采煤机远控 PLC控制 1 0.2 250ms 99.99% 1 硐室 巡检机器人 视频流 4（1080p） 32 <200ms 99% 54 （2倍冗余） 巷道 视频监控 视频流1080p 1/100m 5 <2s 99% 5/每个摄像头 皮带AI巡检 视频流1080p 1/100m 5 <200ms 99% 5/每个摄像头 全域 传感器数据回传 心跳类 1/100m 0.2 <250ms 99.99% 1/100米 融合调度 （胶轮车） 视频流1080p 4/单车 32 <500ms 99% 64（2倍冗余） 单兵设备 语音流 50台 0.1 <200ms 99.99% 5 防爆手机 视频流/语音流 30 2 <500ms 99% 60 井工非煤矿典型业务需求 06 05 子场景 应用 原子应用 数量 上行速率(Mbps) RTT时延需求 可靠性要求 上行总带宽需求(Mbps) 平硐穿脉 铲矿车远控 PLC控制 4 0.2 <30ms 99.999% 128 摄像头 9路最大同时使用（总摄像头32+路） >128m <200ms 99% 视频监控 摄像头1080p 1/100m 8 <2s 99% 8/100m 运输巷道 有轨电机车 PLC控制 4 0.2 <30ms 99.99% 128 摄像头 9路最大同时使用（总摄像头32+路） >128m <200ms 99% 视频监控 摄像头1080p 1/100m 8 <2s 99% 3/每个摄像头 硐室 巡检机器人 摄像头1080p 4 32 <200ms 99% 64 全域 融合调度 （胶轮车） 摄像头1080p 4/单车 32 <500ms 99% 64 手机 语音 30台 NA NA 99.99% NA 智能矿灯 语音/视频通话 30台 2Mbps <500ms 99.99% 60Mbps 综上，矿山行业在高清视频、远程设备操控、智能巡检、矿卡无人驾驶等场景具有以下业务需求：1）上行大带宽需求，如通过高清摄像头实时监控矿区人员、环境及生产安全，实现矿区作业可视可管， 使用1080P高清摄像头，单个摄像头需要2-8Mbps带宽，如果多台高清摄像机处于一个基站区域则上行会出现超过200M以上的大带宽需求。 2）端到端时延要求苛刻，矿区远程设备操控由于操作精度高需要超低时延，如对于PLC控制信令、远程操控采煤机要求控制链路端到端时延10~30ms左右为优，远控视频传输也有端到端时延要求，但因为视频采集传输和显示必定引入编解码等业务时延，一般要求不大于200ms。如通过终端网络等全方位的优化，理论上高清视频可做到50~80ms。 3）可靠性要求高，随着越来越多无人化智能设备应用在矿山场景，无人设备