基于5G的山河智能绿色智慧矿山调度运营平台

产品功能及原型设计理念和框架
1 山河智能智慧矿山产品体系
按照山河智能产业整体布局积极响应能源行业的业务发展规划，借助5G发展的趋势和云计算技术的应用，为客户提供包含基础网络、运行环境、应用生态三位一体的新型智慧矿山产品体系。重点围绕井上井下具备远程控制能力的稳定基础网打造，边缘计算和应用终端的云边端协同模式开发，以及基于5G特征的智能视频应用和自动化控制产品，提供一体化智能矿山解决方案。

中国联通发挥运营商基础设施及平台优势，打造5G网络、MEC平台体系，整合第三方行业应用，打造适合煤炭行业特性需求的设备：基站（井下隔爆兼本安型）、天线和智能行业终端等设备和关键技术；打造云-边-端协同的MEC智能平台，实现煤矿人、机、物、环等全生产要素的智能互联管理；打造煤矿智能化应用：机群协同作业、AGV调度、设备远程控制与检测维护、预测性维护、无人驾驶与远程接管、环境监控预警等，形成智慧矿山产业生态。
新一代智慧矿山基础环境升级已通过实践验证，通过5G和IPRAN光纤宽带网优化井上井下数据传输网络、运用边缘计算技术改造数据运营管理模式、数据采集和分析模式，结合新技术和行业成熟产品制定统一的系统标准体系，使煤矿生产在硬件、软件、数据等方面为全面智能化应用做好准备。

2 网络层：部署5G及IPRAN环网网络
网络是工业互联网体系架构中的基础，为人、机、物全面互联提供基础设施，矿山工作的复杂多样性对网络各个方面都提出了不同的性能要求。各类控制类业务要求低时延、高可靠的能力；设备监控传感器要求具备承载高密度接入的能力；高清视频类应用要求具备高传输速率的能力。这些要求恰恰符合5G业务低时延（uRLLC）、大连接（mMTC）、高带宽（eMBB）的独特性能。
基于已建设完成的井下网络实测数据，结合矿区井下现场结构，合理确定基站部署距离，实现井下高速网络无缝覆盖。采用已通过防爆认证的双模基站设备，实现4G/5G同时支持，选择性的开通应用效果。针对常规通信服务区域以4G覆盖为主，对于需要大带宽、低时延应用的工作面、掘进面等场所以5G信号覆盖。

网络层建设效果一览
3 平台层
3.1边缘云MEC平台
基于边缘计算技术建设边缘云+核心云结构，建设智能矿井一片云使计算下沉，在靠近井下终端设备一侧进行数据的采集运算和存储。减少了信息回传的时间，降低了核心网络的数据量，减少网络拥堵。各种传感器设备采集信息直接传给边缘设备，在边缘端进行存储、处理。将处理好的结果和需要进一步判断分析的部分回传给中心云进行进一步运算和展示。边缘云通过就近部署实现边缘网关、数据预处理、数据治理、数据分流、数据存储、数据可视化、视频图像分析等功能。中心云采用大数据和AI学习技术进行数据处理、分析和模型训练，定期下发训练模型到边缘云，增强边缘实时处理能力，通过不断迭代增强系统全面的分析能力和响应速度。

MEC平台架构
3.2综合管理平台
煤矿综合管理平台以开放和可扩展的操作系统形式向下实现各种感知数据的接入，向上为智能应用子系统开发提供数据综合、时空、可视化、协同设计、业务流程和大数据分析等服务。通过信息世界和物理世界的实时信息融合和控制迭代优化，最终实现矿山万物互联、平台融合、系统联动与智慧运营。煤矿综合管理平台的主要特点及优势包括：
（1）采用B/S的方式，通过人员权限管理，实现随时随地信息查看及设备操控；
（2）集中式数据管理，大大提高信息的集成度，易于实现数据共享和融合分析，降低设备维护、管理等成本；
（3）强大的分析功能，使用AI、大数据、边缘计算等技术，对数据进行融合分析，实现智能预警、实时报警、智能调度、辅助决策等功能；
（4）综合管控，实现对各煤矿“一通三防”管理，及时获取安全信息、流程化多级控制设备系统。

3.3煤炭大数据平台
利用企业云服务的大数据分析能力，从数据上传、数据存储、数据分析整个流程，建立煤矿的运销、物资管理、可视化、综合自动化等信息系统，对这些系统产生的海量数据进行分析和变现。数据在数据仓库统一组织管理的基础上，通过大数据方法进行分析并统一进行展现，从而达到数据开发利用，支持企业生产、管理、运行的目的。

3.4物联网平台
煤矿企业原有设备及应用建设模式为烟囱式直联架构，若软件开发需要自行构建基础工具、组件和网络服务，生产流程改造大，冗余度较高，端到端运维低效。企业通过建设物联网平台，将平台作为核心控制点和管理节点来守护端到端安全，实现设备可视化管理，即插即用的设备安装，减短减小生产流程改造，最终实现端到端协同运维。

4 应用层
4.1 安全生产类产品
4.1.1 重点设备检测及故障预警系统
煤矿核心设备故障预判系统通过物联网和组态技术，可以将煤矿核心设备的运行情况进行可视化处理，帮助煤炭企业实时监测设备运行，提前3-6个月预判故障风险以避免非计划停机。用科学的方法指导企业核心设备保养和运维工作，有效解决目前设备检修滞后的问题。通过与智能决策辅助联合，不断优化企业的资产配置、提升采购供应链管理，促进企业转型与智能化升级的可持续发展。
系统架构图输出诊断报告
4.1.2 三维矿山应用系统
基于GIS、BIM、组态、大数据分析技术，融合地理信息数据，采用虚拟现实手段，将地质模型融入矿山信息系统建设中，实现了从二维到三维、从粗略到精细、从宏观到局部、从自然环境到矿山工程、从信息孤岛到实现数据协同的矿山生产信息数据集成，建立矿山全生命期信息的数字模型。通过各类图层（通信、供电、通风、排水、运输、视频等图层）的叠加展示，在煤矿生产和管理工作中实现一屏展现、动态模拟、可视化预测的一张图功能。

在高性能算法和计算平台的支持下，系统可将二维数据或图纸快速转化成三维图像，直观的提供地质模型可视化、生产管理辅助、三维地质模型剖切、工作面辅助设计、灾害模拟、事故救援指挥、生产资源调度，运行状态监测等应用场景的三维显示效果。

矿井三维仿真地图


三维灾害模拟

辅助救援指挥
4.1.3 基于NB-IoT的煤矿安全管理系统
基于NB-IoT的煤矿安全管理系统集人员定位、视频分析、车辆调度、环境检测于一体。井下采集瓦斯浓度、CO浓度、粉尘、风速、温度、顶板压力、液压支架工作状态等的监测设备，可以通过物联网模块将采集的数据实时传送到地面监测中心，这种方式无需通过有线传输，占用井下光纤的宽带资源，而且NB-IOT耗电量小，传输时间长，能保证设备数据持续传输。

4.1.4 智能视频分析系统
有针对性的开发一系列匹配煤矿井下生产场景的视频分析算法，利用工业环网、光纤的大容量网、5G无线网结合后的大带宽传输能力，形成高清晰度、多角度、全方位的矿井安全视频采集。运用边缘计算技术对煤矿工作视频智能化分析，实现对皮带运输环节、探放水环节、工作人员活动行为等重点信息的自动识别， 通过分析视频图像，及时发现现场灾害（透水、火光、浓烟、雾、大粉尘、冒顶等）、人员违章、人员违规、人员状态异常等情况，并指导关联系统有效运行，解决目前视频系统单一的事后追忆问题，提高矿井的安全生产水平。

皮带监测

井下工作人员管理
4.2 提效增收类产品
4.2.1 基于NB-IoT的设备资产管理系统
设备资产管理系统通过对工业设备加装物联网智能监测模组，利用内置NB-IOT模块，无需借助任何网关设备，即可实现与监测平台进行低功耗、长距离的数据通讯及交互，完成对设备运行状态、位置信息、数据采集的管理，在最终实现对设备的远程控制。

4.2.2 基于NB-IoT的物资配送管理系统
煤矿井下巷道纵横交错条件相当复杂，作业人员和机电设备分布面广且复杂，流动性大，致使调度管理人员对井下机车及物料的实时信息不能及时准确的把握。
通过应用物联网NB-IOT技术实时动态掌握井下机车的分布情况，从而利用信息化的管理手段与井下物料配送相结合，实现井下物资的配送监控。减少公司管理成本，节能降耗，可提高企业井上井下资源配置效率。
4.2.3主运系统无人值守
通过对运载设备的升级改造，皮带沿线覆盖5G网络，沿线设备经过5G化改造（内嵌模组或者加装防爆网关），有效增加数据传输效率，为巡检机器人的应用提供通信基础，从而有效代替人员巡检，同时5G的高可靠和低时延可实现多条皮带的运行联动。高清视频以更高的帧率可以精确识别煤流大小，调整皮带启停和速度，实现智能控制，节约能源。


煤流智能控制

4.2.4 无人工作面
通过IPRAN融合5G高速网络远程控制关键生产设备，监测其工况，利用割煤设备（刨煤机或采煤机）的自主定位与自动导航技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动推移技术、工作面自动监控监测技术、井下高速双向通讯技术和计算机集中控制技术等自动完成割煤、移架、移刮板输送机、放煤和顶板支护等生产流程，动态优化作业程序，实现工作面生产过程自动化、采煤工艺智能化、工作面管理信息化以及操作的无人化，仅当设备出现故障时，维修人员才会到达工作面，从而确保高产、高效和安全生产。

4.2.5 无人驾驶
矿区运输工作环境恶劣，存在招工难、人力、管理成本高等普遍问题，此外，因司机操作不规范造成的车辆维修、油耗增加等成本居高不下。现有条件下安全工作已经做得极限；很难继续减少矿卡司机等涉危作业岗位，无人驾驶是根本的解决手段。

矿无人驾驶系统可以将智能终端整合可以交互的整体，实现无人矿卡的高精定位、环境感知、防撞避撞、状态监测、故障报警、人机交互和 V2X 通信。智能终端通过通信网与高精定位基准站和管理系统进行数据交互，协调应对运行过程中的各种情况。平台中的有人驾驶矿卡管理模块的平台，预留将来升级包含无人驾驶矿卡管理等模块的接口和扩展性，最大限度的避免重复投资。

毫米波雷达防碰撞自动刹车系统，能够在沙尘、雨雪、雾等恶劣驾驶环境下及各种复杂路况，24 小时全天候工作，有效的避免和缓解车辆碰撞、追尾等交通事故，自动刹车，变被动为主动，为驾驶员全程保驾护航。
安装在车辆前端的毫米波雷达传感器实时探测前方物体的距离，雷达控制器根据雷达传感器测得本车速度得出安全距离，利用该安全距离和雷达传感器测得的（车辆和障碍物）距离进行比较，同时融合动态图像识别算法，对车辆前方的障碍物、车辆、电缆桥架及岩堆挡墙等不同物体进行实时动态识别，当雷达传感器测得的距离小于安全距离时雷达控制器给出刹车信号，刹车电机转动进行刹车（电控刹车状态）车辆减速，在减速过程中雷达传感器不断计算本车速度及与障碍物的距离并和相应的安全距离比较。如果减速后距离大于安全距离， 系统自动解除减速命令；如果两车持续接近达到刹车距离时，则启动刹车命令（工作制动）给刹车机械装置，直到停车。

4.2.6 5G远程控制系统
（1）基于5G的智能挖掘机远程控制系统
传统挖掘机施工现场一般比较偏僻，网络信号差，因此需要单独组网。同时，大型机械在作业时，施工环境复杂，涉及多个信息、设备平台，数据来源多样，但往往又缺乏信息传递通道，传统有线通信方式布设困难，4G网络无法支持大量数据的实时传输，从而形成大量信息孤岛。
如图18所示，通过在山河智能SWE215液压挖掘机基础上进行电控液压系统改造、线传输系统、5G远程控制系统的部署，实现SWE215智能挖掘机的全电控化、智能化与远程控制。同时通过安装动态角度传感器和雷达防撞报警系统，准确检测尾部障碍物，结合智能防倾覆算法，可有效防止挖掘机工作过程中危险状况的发生。

智能挖掘机架构图
远程控制技术能够在工业生产中保障人员安全、提升生产效能、实现多生产单元协助。基于5G的智能挖掘机利用5G高速率、大宽带、低时延的特性，解决了高危作业环境下控制信号传输问题，可广泛应用于应急救援、道路抢修、抢险救灾、污染治理、未爆弹排爆等危险作业环境。通过超视距离精准操控挖掘机施工作业，有效地保障运行效率、降低施工成本、实现投入产出最大化。
（2）基于5G的智能旋挖钻机远程控制平台
旋挖钻机是建筑基础工程中用于成孔作业的工程机械设备，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地的基础施工工程。因为旋挖转机的桅杆一般长达十几米甚至几十米，操作稍有不当，很容易导致旋挖钻机失控侧翻，造成人员伤亡。
通过打造旋挖钻机电控液压系统，采用电比例变量的主泵和无压力补偿器的电比例主阀，直接控制主泵排量的变化，给系统提供不同的流量。此外，在全电控旋挖钻机各部位部署高清监控摄像头、全景摄像头、高精度姿态感器等配套部件以及自主5G网络设备。如图19所示，利用5G技术大带宽、低时延技术特点，将施工现场的监控视频、全景影像、姿态数据以极低的时延实时传送至远程遥控驾驶舱，实现在遥控驾驶端对旋挖钻机工作环境、机器关键部位、位置姿态的实时监控，同时根据实时反馈的高清视频监控、全景影像及当前旋挖钻机的3D姿态状态，操作手可以在远程遥控舱通过手柄控制机器。手柄控制信号通过5G网络以极低的时延传送至远程的旋挖钻机，进而控制旋挖钻机动作、施工，实现对全电控智能旋挖钻机的精准控制。

智能旋挖钻机施工作业展示
如图所示，基于5G网络的远程控制智能旋挖钻机可以实现工程装备跨区域的低时延、高精准远程操作，契合高危、恶劣环境的无人化施工需求，为旋挖钻机进一步提升施工效率、少人化操作以及智能化信息化施工的推进奠定了基础。在工程装备行业，山河智能5G智能旋挖钻机属于全球首创。

智能旋挖钻机架构图

创意特色及技术性能
（1）全球首创的5G智能旋挖钻机远程控制技术
由于旋挖钻机的固有特性，使得其在工作过程中，容易发生安全事故，通过在智能旋挖钻机部署数据链路系统、遥控操作系统、高清影像系统和双向语音系统，将旋挖钻机的操作情况实时传输到远端的遥控舱，远端的旋挖钻机操作员根据传回的实时数据对钻机进行操作。借助5G网络低延时高带宽的特性以及高精度的传感器链路系统，可保证操作的精准性。远程控制技术的应用保障了施工过程中操作人员人身安全，同时也提高了设备的智能化、信息化程度。
（2）5G远程操控数据链路总成
为实现跨地域、超低时延网络精准遥控操作，进一步提升施工效率，山河智能自主研发5G远程操控数据链路总成，成功解决传输中需要超大带宽网络的问题，实现现场高清视频的实时传输。
数据链路系统是数据通信网中按链路协议的技术要求连接两个或多个数据站的电信设施。在本项目中，山河智能针对旋挖钻机、挖掘机等高端装备数据端到端传输的需求，自主研发5G通信设备。
（3）5G信息终端
在矿山施工现场当中，使用到的工程装备多种多样。而实现智能化施工的前提是将施工过程中的各种装备进行联网，通过全流程的数据采集来满足施工过程的实时监控需求。当前，施工现场的快速作业、精准运行以及运动控制等应用场景对数据采集的要求不断提升，关键信息必须实时的采集与上传。
传统的数据采集面临诸多问题，例如有线部署周期长，故障难以排查；施工数据传输稳定性和确定性还有待提升等。对此，本项目针对工程装备数据采集与上传需求，开发5G信息终端设备。该终端设备作为工程装备的通信部件，依靠5G技术大带宽、低时延、高可靠、多连接等技术特点，主要完成工程装备数据的远程上传以及下载等功能。5G信息终端通过CAN总线与机器上的控制器进行通讯，实时对传感器、油位、发动机、位置信息等相关数据进行采集，通过5G网络上传给后台，进而实现对机器数据的实时监控以及分析监测。5G信息终端如图1所示。目前，5G信息终端已经部署到智能旋挖钻机、智能挖掘机等产品中，有效提高了产品的智能化信息化程度，促进了少人化作业的实现，提升了矿山现场施工的安全性。

图1 5G信息终端
（4）云网融合产品-联通云联网服务平台
面向山河智能集团智慧矿山场景和业务需求，中国联通依托自身网络优势，与业界主流云服务提供商深入合作，构建云网融合产品-联通云联网服务平台。该系统基于中国联通产业互联网，可提供自动化、低时延的方便快捷自助服务，实现包括公有云、私有云以及数据中心、企业办公点之间的数据互通，满足云网融合需求，为山河智能智慧矿山场景提供了端到端的优质互联能力。
如图2所示，以联通集团骨干网为承载网络，使用SDN技术，为混合云场景（含公有云、私有云及数据中心托管）提供可自服务的快捷、弹性、随选的全国组网方案，解决不同地域，不同网络环境间多云互联的问题，实现异构混合云组网。

图2 云网融合产品-联通云联网服务平台
此次项目网络建设后，山河智能服务的的多个矿山都将结合矿区内的业务需求和实际应用场景，通过运营商提供的矿山外高质量网络与各矿区内网络进行连接，各个矿区网络实现与互联网和矿山外高质量网络带宽总体不小于1G，通过整合矿区内外资源，让矿区实现基础设施网络化、管理精细化、服务功能专业化和产业发展智能化，实现网络丢包率不高于0.1%，点到点最小时延不高于10毫秒。

与5G结合性及强相关性及产业联动效应（必填，对5G技术发展的预期影响；应用作品/项目的完整性；产品规模化生产后对产业链的影响）
对于矿山内移动性目标以及山河智能的高端工程装备，考虑到设备耐用性和高级程度，通常需要内置5G通信模组的新型行业终端，而5G通用模组（如中国联通5G工业模组CU-HG1、CU-QG1、CU-QM1等）已经成为推动5G行业应用的纽带，有助于降低行业终端成本，促进垂直行业对5G技术的应用。根据运算处理能力及逻辑结构的不同，5G通用模组可分为三种类型，分别是5G基础型通用模组、5G智能型通用模组、5G全能型通用模组。目前5G通用模组的主要都采用LGA封装模式，一般生产厂商还会设计邮票孔、PCIE、M.2等接口，以满足不同工业应用场景的差异化需求。
基于5G技术高带宽、低延时的特性，结合当前成熟的AR技术，实现工程设备的远程操作指导、维护指导，开展虚拟教学，降低企业新设备培训成本，提高服务质量；利用VR技术实现产品的远程虚拟展示，提高产品的展示效果。

5G与AI、大数据、先进计算、区块链等技术的融合度
深度结合中国联通5G+大数据+AI+产业互联网能力，形成“动态感知、数据融通、全域智能”为一体的智慧矿山转型赋能平台，为建设智慧矿山提供各类关键使能模块。
建设矿山数字平台，实现煤矿系统交互、数据融合，给上层应用提供AI、大数据、GIS、IoT等核心功能组件，使能矿山的智能化转型与升级，促进煤矿业务联动控制，数据融合分析，全面实现生产要素和管理信息的数字化精准实时采集、网络化实时传输、可视化展现，提升矿山安全生产与管理水平，改善工人井上井下作业环境，实现监控、生产、维护、安全等多环节少人化或无人化，最终达成矿山智能化的建设目标。

项目的价值以及市场需求、和市场容量分析
市场定位：
山河智能绿色智慧矿山调度运营平台助力矿山数字化转型。促进煤矿业务联动控制，数据融合分析，全面实现生产要素和管理信息的数字化精准实时采集、网络化实时传输、可视化展现，提升矿山安全生产与管理水平，改善工人井上井下作业环境，实现监控、生产、维护、安全等多环节少人化或无人化。
市场份额预期：
5G的价值80%在于行业市场，已经成为业界的共识并付诸行动。其中，“智慧矿山”是最典型的垂直行业应用之一，据不完全统计，业界已有数百个智慧矿山应用解决方案推向市场。
5G在智慧矿山场景的应用前景广阔。一方面细化应用场景，矿有露天矿有井工矿，露天矿需要矿卡的自动驾驶、无人编队，井工矿需要高清摄像监控和回传，以尽可能减少作业人员的安全风险，这两者需要网络具备大带宽、低时延能力，5G能够显著发挥其价值。另一方面，政策层面强力支持采矿行业智能化。发改委等八部委在2020年3月印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，2025年实现大型煤矿和灾害严重煤矿基本智能化、2035年实现各类煤矿基本智能化的目标。《煤炭工业“十四五”发展意见》也提出，到“十四五”末期，我国将建成智能化生产煤矿数量1000处以上。
产业效应及社会效益：
矿山智能化，5G无疑扮演重要角色。2021年6月，《能源领域5G应用实施方案》印发，要在煤矿等行业探索形成一批可复制、易推广的有竞争力的商业模式。这让产业界都看到了5G的应用潜力。
最后，垂直行业应用场景十分碎片化，而采矿是规模最大的垂直行业之一，巨大的市场空间，有利于汇聚产业界的力量，形成合力突破。据此前媒体报道，业内人士表示，全国煤矿数量近 4700 座，智慧矿山整体市场规模近万亿元。可以相信，以煤矿为主的智慧矿山，将是5G大展身手的广阔舞台。
采矿行业尤其是井下生产环境，面临高瓦斯、高煤尘、水害渗水等特殊问题，且井下设备和人无法互联互通、无法精准定位等，作业人员面临的风险不容忽视。可以相信，5G等信息化技术的全力突破，能够有效解决上述难题，真正实现“智慧矿山”。高端装备厂商与合作伙伴，未来需要持续推出具有差异化、竞争力的产品方案。

商业模式
本次合作充分发挥产、学、研、用一体化融合优势，对全国智慧矿山建设具有重要的推动作用。联合打造国家煤碳行业5G及创新ICT技术的科研领军平台，实现多项关键技术突破，提升煤矿“四化”水平，促进煤矿“两化”深入融合和智能化的发展。
山河智能和中国联通双方将以高水平研发团队为基础，以5G无线技术为核心，围绕边缘计算、网络切片、井上井下通信及高精度定位、智能化装备及机器人、矿山物联网、工业大数据等技术在煤矿智能化的应用为研究方向，研发打造相关产品和平台，提供解决方案，建立智慧矿山的新标杆。
山河智能、中国联通将联合国家新基建建设、5G应用、工业互联网、机器换人等支持政策，引进先进的智能化装备及智能化技术团队，立足当地煤矿特点，建设信息化、联网化、智能化的煤矿矿区无人运载和安全生产体系示范矿区，为全国煤炭矿山企业提供观摩、学习和借鉴作用，进行市场推广、树立全国标杆品牌。

产品原型、logo等设计图片，产品评估验证的图片、评测报告等




团队介绍及其他
何松泉 山河智能共性技术研究总院院长 高级工程师
钱康 山河智能共性技术研究总院通信所主管
钟博 山河智能共性技术研究总院通信所电控工程师
侯周平 山河智能共性技术研究总院通信所电控工程师
高弟 山河智能共性技术研究总院通信所电控工程师
施骏 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科副总经理 高级工程师
卿雄志 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科产研院院长 高级工程师
张郑 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科工业互联网行业总监 高级工程师
匡岳锋 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科工业互联网专家 高级系统架构设计师
周子煜 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科工业互联网专家 高级工程师
贺江南 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科工业互联网专家 高级工程师
邱海韬 中国联合网络通信集团有限公司长沙分公司长沙数科工业互联网专家 工程师