中国联通白皮书：“5G+工业互联网”助力矿山行业安全生产

在8月19日举行的金砖国家工商理事会数字经济工作组公开会议中，中国联通国际董事长、总经理孟树森博士代表中方数字经济工作组以“利用数字技能和创业精神促进数字经济增长”为题发表主旨演讲，并在会议上发布了由中国联合网络通信有限公司研究院主编的《“5G+工业互联网”行业应用白皮书——中国实现新型工业化的探索与实践》。

该白皮书聚焦中国“5G+工业互联网”行业发展态势，分析“5G+工业互联网”在数字经济中的重要作用，深入解析中国“5G+工业互联网”发展情况，洞察矿山、钢铁、汽车等重点行业应用情况，从细分行业发展政策情况、行业痛点业务需求、典型使用场景、成效等方面进行解读，精选已实现落地的“5G 全连接工厂”经典案例，并总结中国政府为推动产业发展，采用的政策和市场双轮驱动、组织创新等行业应用规模化发展经验。希望中国在“5G+工业互联网”行业探索和实践的成功经验可为金砖伙伴未来新型工业化的发展提供参考。

以下为矿山行业实践部分：

中国宏观经济将继续保持中高速发展的态势，能源需求保持稳定增长，基于中国能源“富煤、贫油、少气”的特点，煤炭作为中国兜底保障能源的地位和作用很难改变。然而，目前中国煤炭行业面临供给侧结构调整，发展环境严峻，产能不断向大型企业和优质产区集中，煤矿数量逐年降低等问题。

传统矿山行业存在以下痛点：一是矿山行业条件差危险性高，存在巨大安全隐患。矿山行业容易发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、水患火灾、顶板冒落等灾害，一旦发生将造成严重的人身和财产损失。二是矿山行业一线操作人员后继不足，劳动力数量和技能双重缺口持续扩大。矿山行业工作环境艰苦、劳动强度高，同时薪资水平及社会地位受限导致很多大学生不愿意从事煤矿工作，人员老龄化严重。三是传统矿山网络布线复杂、成本居高不下，难以满足智能化发展需求。矿山大多处在偏远地区，远离城市，且占地面积大，使用传统的有线网络难以实现矿山对大带宽、低时延、广连接的需求，且耗资巨大。

针对以上痛点，中国发布多项政策并加大财政补贴，推动矿山行业向安全、绿色、智能化转型。2020 年，中国国家能源局、中国国家矿山安全监察局组织开展首批智能化示范煤矿建设，截至 2023 年1月7日，已有约30 处通过验收，验收结果达到中级智能化水平。

随着智慧矿山建设的推进，智能化采掘工作面数量近年来快速增长。2022年3月数量达到813 个，与2020 年相比增加 65%，其中，采煤面为 477个，掘进面为 336 个。

智慧矿山场景对上行带宽、端到端时延以及可靠性要求极高。例如，为实现矿区实时监控，需要使用多个高清摄像头进行现场视频回传，单个摄像头需要 2-8Mbps 带宽，300 台高清摄像头同时回传将产生超过 600M的大带宽需求。再例如，矿区的远程设备操控需要保证超低时延，以实现高精度操作，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。除此之外，无人设备掉线后很难自动恢复，为保证工作的正常运行，无人矿卡可靠性要求达到 99.999%。传统的无线接入方式时延高，掉线、丢包现象严重，可靠性低，难以满足以上网络需求。在这种情况下，5G 具备的大带宽、低时延、广连接等特性，可以增强矿山场景下的上行速率、降低时延、提高可靠性，为工作面海量数据上传搭建一条高速公路，满足高精度定位等创新技术在矿山场景的应用，并支撑井下设备的地面远程控制，实现工作面的少人无人化操作。

按照开采场景，矿山可分为露天矿与井工矿，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。在露天矿开采场景下，主要包括剥离和采矿两个步骤，其中剥离是指将露天矿内影响采矿的岩石剥离并运出丢弃；采矿即从剩余裸露的矿体上直接采掘矿石，涵盖矿卡无人驾驶(含视频回传)、电铲远控、无人机预警、视频 AI监控等业务需求。在井工矿开采场景下，主要包括掘进、采矿、运输等步骤，涵盖智能综采、智能掘进、智能巡检、皮带 AI 监测、智能调度等业务需求。

(1)矿卡无人驾驶

矿卡无人驾驶场景主要应用在露天矿山，露天矿山地处偏远，作业危险，通过5G 网络的大带宽和低时延优势，可以满足矿区无人驾驶的网络性能需求，保障矿区作业安全。

通过混合组网实现采矿区 5G 网络全覆盖，提供矿卡与监控中心的实时通信连接，借助监控中心的调度系统，实现无人矿卡的远程操控、精准停靠、自动装卸、停车避让等作业任务。具体而言，基于5G+边缘计算，可以实现矿卡根据采集的数据对应急情况进行本地处理；基于5G 低时延特性，实现采集数据的云端上传，实现大数据分析、路线和定位纠正，保障横向和航向误差。矿区无人驾驶可助力煤矿实现机械化换人、自动化减人，提升煤矿生产效率，降低运行安全风险。

(2)智能综采

智能综采工作面环境复杂，地质条件相对而言比较恶劣，易发生自然灾害，综采工作面的少人化、无人化一直是矿山智能化转型的重要方面。

5G 网络具备大带宽和低时延的传输优势，而且采用5G 无线网络可以代替传统有线网络，减少因设备频繁移动而导致的非计划停机提高工作的可靠性。通过在作业现场部署多个高清摄像头，将现场环境信息完整地传送到监控中心，再结合现场设备本身的各种传感器信息上报，工作人员可以在监控中心直接操控各类设备，从而达到作业现场少人化、无人化的目标。

(3)智能巡检机器人

通过建设5G专网，可以实现矿山的无线覆盖，利用5G 网络大带宽、低时延、高可靠性和海量连接的特性，支撑 5G+巡检机器人工作。

智能巡检机器人通过对检测区设备进行全天候监控，大大减少固定式传感器和仪器的安装数量，无需大量布线、无需改造现有设备。在降低综合运营成本的同时，提高运营水平，同时也提高了巡检的精准度。巡检机器人 24h 自主巡检，可以减轻工作人员的劳动强度，降低劳动风险，及时发现和预判周边环境潜在的安全隐患，减少生产过程中的非正常停机时间，降低企业生产成本。

(4)皮带AI巡检

利用 5G 及 AI技术实现实时监测、实时采集、实时定位、实时互联、远程诊断、近感探测等功能。通过 AI图像识别技术，实时准确抓取皮带表面的损伤，并通过自动定位技术实现每个损伤的位置跟踪和定位，提供皮带整体运行的状态展示，并且通过控制皮带动力系统，将损伤位置自动停机至指定的检修区。

(5) 综合管理

通过“5G+工业互联网”、云计算、大数据、人工智能等新技术的应用，搭建综合一体化管控平台，实现从人员到设备、从硬件到软件、从生产到管理的全方位升级。利用综合一体化管控平台，提高生产效率和经营管控水平，提高设备效能，降低生产成本和能耗。

(1) 案例情况

麻家梁煤业是亚洲最大的立井提升井工煤矿，但目前存在部分问题，需要借助智能化手段对其进行解决。首先是煤矿的井下战线长、盲点多，导致数据采集困难；其次是子系统繁多，网络带宽不足以及就业过程危险。针对以上问题，中国联通携手麻家梁煤业，以 5G和Al技术融合为创新驱动，建设矿用 5G 专网、IPRAN 万兆环网、数据中心、巡检机器人、皮带 AI 识别及设备在线监测与诊断等系统助力麻家梁煤业降本增效、安全生产。

具体解决方案包括，在井下建设6 台环网交换机、4台BBU、10台RHUB、46台PRRU；地面建设5G 核心网、3 个宏站，2台环网交换机，实现井下5G 覆盖范围超 20 公里，地面5G公网全覆盖环网带宽由千兆升级到5万兆，满足网络全覆盖、网络大带宽、设备远程操控等需求，承载人员定位、应急广播、视频监控等业务时延降低到 10ms 以下，各系统通过网络切片独立传输。

图9:麻家梁煤业智慧矿山解决方案

案例首创基于 5G 专网和 5G 多模基站的融合一张网架构，实现5G、4G、NB、Wi-Fi、以太网等多种形式接入，形成井上井下融合一张网；并通过采用EVPN+SRv6+FlexE 切片组网，满足煤矿客户对于控制类、视频类等不同业务带宽、时延等 SLA 要求，搭建 5G+巡检机器人、5G+综采面远控、5G+智能视频分析、5G+AI皮带损伤检测等应用场景。

(2)案例成效

一是通过 5G专网、万兆环网以及各类智能矿山应用，实现吨煤生产成本从 200多元降至134 元，整体采煤效率提升 10%，安全效率提升80%，每班下井人员减少 50多人，节约网络建设成本300万元。二是通过 5G+巡检机器人、智能视频分析等系统，实现运维服务智能化，帮助矿井工作人员及时发现设备故障，提早设备故障发现时间1周，设备工作效率提升 10%，减少运维人员 30 多人，减少意外停机次数 5 次。

(1)案例情况

城门山铜矿在数字化转型中存在三大痛点：一是传统通信模式的速率和时延不能充分满足应用需求；二是生产及管理业务系统数据存在“孤岛”，未实现不同系统之间的数据联动；三是当前无线网络安全及数据安全难以保障，导致无线网络未能与生产环节主要业务有机结合。

基于以上问题，中国移动联合城门山铜矿及其他公司建设 5G 行业虚拟专网，部署边缘计算平台，利用 5G 技术，实现矿山设备的智能管控，满足矿山管控系统对高带宽及低时延的要求，实现控制精度达到厘米级的无人驾驶矿用大车、远程遥控推土机等作业场景。同时结合人工智能、边缘计算技术，实现对矿山设备的远程控制，提高矿区作业安全系数和生产效率。

在城门山铜矿，5G 网络已经应用到了包含采矿、运矿、磨矿选矿等各个环节中。在采矿环节，实现对破碎锤、挖机等设备的无人化改造，通过5G 网络进行数据传输，实现对矿用设备的远程控制在运矿环节，通过对运矿卡车进行升级，实现无人驾驶；在磨矿和选矿环节，利用5G 网络进行数据采集，实现过程的精准控制。具体应用场景包括 5G 作业区全景业务监控、实时数据感知、5G 北斗边坡监测、5G 矿山设备远程操控、5G 矿卡无人驾驶及多设备协同作业等，创新建立穿孔、铲装、运输、排土全流程智能车联网平台，形成5G+矿用车联网在露天矿山的实践。

(2)案例成效

城门山铜矿数字化转型主要取得了三大成效：一是生产效率和质量提升，整体生产效率提升20%以上，入选铜品位合格率提高11.34%，入选硫品位合格率提高 4.43%，较卡台效提高 3.84%，采剥柴油单耗降低 5.32%；二是管理效率提升，数据的实时分析和展示，为管理人员提供第一手信息，为快速决策提供支撑依据，矿山整体生产管理能力提升 30%以上；三是安全生产水平提高，部分现场作业人员被调整到后端岗位，通过减少现场作业人员，进一步提升矿山的安全生产水平。