2023中国电信5G智慧矿山融合方案白皮书

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01 27融智：AI融合拓展智慧矿山智能敏捷新场景 矿山典型业务场景及业务需求0202 28融安全：安全融合构筑智慧矿山安全可信新格局 2.1. 露天矿典型场景需求描述02030304052.2. 井工矿典型场景需求描述2.2.1. 井工煤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2.3. 业务需求分析 29303335369.1. 服务定制总体内容9.2. 规：精确画像建模实现建网标准精准化9.3. 建：规范建网实现网络可用、可靠和稳定9.4. 维：定制专网网管实现网络可视可控9.5. 优：业务模拟测试助力网络持续优化 08中国电信智慧矿山融合方案 10融5G：网络融合提供智慧矿山转型新能力 04 37产业展望10 1011121315161718204.1. 露天矿网络融合方案设计4.2. 井工矿网络融合方案设计4.3. 上行增强4.4. 时延增强4.5. 可靠性增强4.6. 灵活组网4.7. 一号通专网4.8. 精准定位4.9. 融合调度 23融平台：平台融合赋能智慧矿山新应用06 矿山典型业务场景及业务需求02 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。 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。 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。 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。 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。 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）： 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。 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。 2.2.2 井工非煤矿典型场景需求描述 2.2.井工矿典型场景需求描述 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。 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。 以井下开采为例，非煤矿山的作业流程如下： 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。 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 中国电信智慧矿山融合方案03 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。 中国电信深度洞察矿山领域发展趋势和客户需求，结合自身资源禀赋，提出 “融端”、“融5G”、“融云”、“融平台”、“融智”、“融安全”的智能矿山全融合方案建设。通过一张网，实现终端融合、5G网络融合，构建互联互通、统一高效矿山融合网络；通过一朵云，依托云、边、端协同的层次化算力服务体系，构建安全可信、弹性灵活的数字化底座；通过一平台，打破烟囱式系统，形成数据共享、能力共享、开放统一的矿山数字平台，支撑矿山打造各类智慧业务应用；通过安全保障，规划全流程端到端安全保护体系，实现矿山信息安全可控。 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，无人设备在业务掉线后很难自动恢复，如无人矿卡可靠性要求达到99.999%。 4）大量矿山场景有定位需求，但由于布线困难，需要提供基于网络定位方案。 5）矿山行业存在大量传感器、视频设备、远控设备等设备终端，需要通过统一平台对海量设备进行运维管理。 6）现有的矿山生产网络体系相对比较孤立，缺少统一行业平台将整个生产流程、生产系统有机结合，生产效率待提升。 7）矿山行业现阶段生产环节还需要大量人员参与，与智能化、无人化发展愿景还存在差距，需要结合AI、大数据等新技术进一步提升矿山智慧化应用。 中国电信智能矿山全融合方案主要从六个融合及服务定制为矿山客户打造全流程端到端一体化解决方案 ·融端：终端是连接网络基础设施和行业应用平台的桥梁，中国电信融合终端以软硬解耦、设备云化为发展思路，打造硬件通用、软件定制、业务上云的终端数字化基础，推动5G行业终端的标准化和规模化，构建5G Inside行业终端生态产品体系，促进终端与网络和平台的融合发展。详细内容可参见《中国电信智慧矿山终端融合白皮书》。： ·融5G：中国电信聚焦露天矿、井工矿网络需求，在无线网、核心网、承载网中，融合5G网络新特性，在上行增强、时延增强、可靠性增强、灵活组网、精确定位五个层面提出新型智慧矿山组网方案，满足矿山上行大带宽需求、端到端时延需求、可靠性要求、精准定位需求，保障智能矿山灵活组网 融5G：网络融合提供智慧矿山转型新能力 实现稳定可靠。 ·融云：中国电信面向能源矿山领域厂矿多点分布，计算、存储、网络需求地理分散的特点，结合自身天翼云资源优势，打造云边协同智慧矿山应用方案，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。 ·融平台：中国电信5G智慧矿山平台以天翼云为底座，构建面向客户的等多行业应用。通过平台建设形成矿山行业的数据标准规范；通过对矿山数据各类感知数据、基础数据和管理数据的分级分类存储，数据的分析建模和大数据挖掘，使得矿山多源异构数据从数据资源变为数据资产，可提供基于大数据的调度决策、灾害风险分析、设备健康诊断、预测性维护等应用，解决了矿山信息孤岛严重、数据难集成、智能化分析水平低等问题。 ·融智：中国电信通过建设AI基础设施，推动大数据和AI核心能力建设提速，打造万级AI算法舱，打造多场景、多应用、可复制的标准产品和平台，持续提升大数据和AI研发创新和运营能力，助力矿山全流程智能化发展。 ·融安全：中国电信聚焦矿山客户需求，在云网、5G、安全专家服务等重点领域形成突破，持续完善安全产品服务体系，服务为先，为矿山客户提供“一揽子”的信息化+安全解决方案和“一站式”安全服务。中国电信通过云堤和天翼云为代表的安全产品体系，打造“云网边端”、全周期的主动防护能力，形成面向量子通信等领域的战略型、前瞻性安全应用创新能力。 露天矿由于采矿方式，而经常搬迁站点，因此在解决覆盖、容量问题时，无线应考虑能力较强模块（如64T AAU），降低规划的站