1 5G产业进展介绍
2019年6月6日，中国5G发牌；同年10月31日，3家运营商正式启动5G商用，拉开中国5G建设的大幕。目前，中国已建成全球最大的5G网络。截至2020年11月底，3大运营商累计建成5G基站71.8万个，完成所有地市的5G全覆盖，5G网络联接数超过1亿，国内的5G手机出货量1.44亿部，上市手机新机型累计199款，占同期所有手机的1/2左右。在5G行业应用方面，各行各业积极联合3大运营商探索5G应用。国家工业和信息化部主办的第三届绽放杯上报的案例数量达到4 300个，较第2届增加了16%。行业专用5GCPE、模组等超过100款。我国5G发展处于全球领先水平，这也为5G网络进一步发展奠定了坚实的基础。
如果说2019年是中国5G商用元年，那么2020年则是中国煤矿行业5G应用的元年（图1）。
图1 中国煤炭工业协会刘峰副会长在5G煤矿发布会上发言
2020年6月18号，中国移动的5G智能矿山联盟成立大会暨首座5G煤矿发布。同期，安标国家中心发布了煤矿5G通信系统安全技术要求的试行标准以及矿用5G通信系统的标志试行管理方案，5G作为新一代无线通信技术进入煤矿有了正式规范可循，也标志着煤矿进入了5G时代。截至2020年底，山西、山东、陕西、内蒙古等产煤大省签署的煤矿5G合同超过30个，完成5G网络部署的矿山超过20个。
2 5G智能化煤矿建设将迎来快速发展
2020年2月，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、原国家煤矿安全监察局等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，推进互联网、大数据、人工智能和煤炭行业的融合，明确了我国煤矿智能化的发展方向，吹响了我国煤矿智能化建设的号角。
2021年1月8日，在全国矿山安全生产工作会议上，针对下一步矿山安全工作安排，提出将以智能化建设为主攻方向，不断提高矿山本质安全水平。按照“系统智能化、智能系统化”的理念，推广采掘智能化、辅助系统无人化、固定岗位无人值守或远程监控、巡检机器人，加快推进危险作业机器人替代；积极推动5G、大数据等先进技术与煤矿安全生产的深度融合，实现各系统各环节有效互联互通。
中国5G智能矿山建设在政策引导和ICT技术快速发展的双重加持下将驶入快车道。
3 5G将成为煤炭行业“两化”深度融合的引擎，并将成为传统行业厂家提升竞争力的立足点
5G作为数字基础设施的重要组成部分，在促进煤炭行业数字化、网络化、智能化转型过程中是关键技术支撑。信息技术虽然改变不了煤炭产品的结构、功能或特点，但能帮助解决生产和管理过程的问题，提高生产效率、管理效率、安全水平或者改变营销模式、管理方式。传统的行业设备制造和研发企业也仍将在行业转型中发挥主导作用。
从整个ICT产业趋势看，5G将促进联接、计算、云、AI和行业应用5大产业机遇。在联接上，5G不仅带来联接体验的大幅提升，通信数据流量爆发将驱动更广泛的数字消费，使联接产业从移动互联扩展至产业互联。联接管道能力的增强，让智能计算触手可及。当前，以通用CPU为主的传统数据中心已经无法满足爆炸性增长的数据计算的要求，算力重构势在必行。5G让计算模式向“端-边-云”协同、多样性计算加速演进成为可能，从而可满足海量终端和智慧应用场景的计算需求。5G和人工智能、云等新技术结合，将实现资源的最优化配置，提升企业运营效率，降低运营成本，提升企业的智能化水平，并加速应用创新的出现，从而促进ICT技术深入融合到传统产业中。
从行业角度看，当前的网络联接和计算有点像100多年前的电力。电力从最初的照明应用，横向扩展，走向家用电器和工业设备，让人类生活和社会生产方式发生了翻天覆地的变化，推动人类进入电气化时代。在这个过程中，和电力行业的规模相比，家用和工业电气化创造了数10倍，甚至百倍的产业规模。当前，传统行业的生态厂家，基于对行业需求和趋势的深刻理解，可以利用网络联接和云计算，加速创新应用和设备的研发制造，提升自身产品竞争力，并驱动传统行业从机械化、自动化，走向数字化和智能化，实现产业提质增效。同时，走在创新前列的行业也将像电力时代的电气企业一样，成为新价值链上的最大获益者。
例如，随着煤矿企业的日益精细化生产和运营，基于机器视觉的人工智能技术在煤矸识别、输送带监测、煤量估算、探放水作业等方面开始应用，而这些人工智能的模型训练需要强大算力的支撑。利用超宽的网络管道和云平台，通过部署云、边、端协同煤矿智能视频识别系统，重构算力，从而节省计算资源的投资。在云侧，完成人工智能识别模型训练和管理，保障煤矿识别模型实时更新；在边侧，驻留AI算法，通过云端人工智能模型同步更新，用于机器视觉的判决和执行；在端侧，则通过矿用摄像机，与网络连接，实时数据回传。通过整个算力架构的重构，对于矿山企业实现计算资源的集中部署，统一运维，从而节省投资，减少浪费；对于行业厂家，核心的算法、机器视觉的整体解决方案仍是其核心竞争力，而且可以从单一卖产品向卖服务等多种经营方式转变，从而实现多方共赢。
4 5G+云+AI将在提升矿山安全性、降本增效等方面发挥重要作用
5G+云+AI在智能化矿山应用中，将在提升安全性、提升效率、降低成本和环境监控等方面发挥重要价值。
1）提高人员安全性。
1978—2002年，是煤矿事故高发阶段，每年死亡人数基本在5 000人以上，百万吨死亡率在4.5以上；2003—2012年是事故快速减少阶段，百万吨死亡率降到1以下；2013年至今，为事故稳定减少阶段，2018年煤矿百万吨死亡率进入“双零”时代，2020年进一步降到了0.058（图2）。安全生产和零伤亡是需待追求的目标。智能化矿山通过实现5G远程操控，智能监控系统等实现机械化换人、自动化减人、智能化无人，减少工人在矿山现场作业的机会，提升人员的安全性。
图2 中国煤矿百万吨死亡率情况
2）降低人力和能耗成本。
在露天矿，运输费用占矿产成本的1/2。运输成本中，矿卡司机人工费用约占1/2。以内蒙古某露天矿为例，司机年薪15万元左右，1个矿卡配3~4个司机，单台矿卡的人力成本45万~60万/年。另外，油料费用40万~50万元1年，维护费用10万左右。利用矿区无人驾驶技术，可减少现场作业矿卡司机数量，降低运输人力成本。再辅以油改电，储能技术等，还可以进一步降低矿卡能源消耗。根据矿区地势条件，矿卡可节省能耗10%~50%。
3）提升运行效率。
机械设备自动化，结合云端调度系统，可优化生产组织方式，提升效率。参考海外运行的智能矿山的数据，自动化矿车效率比传统人工运输提升30%，比人工驾驶矿车每年多运行700 h，装卸单位成本降低15%。
4）提升环境监控和生产过程数字化水平。
矿山的生产环境监控是一个难题，如井工煤矿的探放水、瓦斯抽采作业，露天矿山的边坡检测等，监控难度大，导致安全隐患。通过机器视觉、大数据等手段，可实现智能矿山的数字化管理，补齐监控手段，进一步提升生产环境安全性。
5 基于公网的行业专网兼顾效率、成本与灵活性，快速构建煤矿5G专网
面对5G行业部署，首要问题就是建网模式的选择：完全独立组网，还是基于运营商公网建设行业专网。根据行业报告中的数据，截至目前，4G专频专网全球只部署了约几百张，主要应用在交通、电力、公共安全和智慧城市等领域，相对于全球数十万的工业园区和大中型企业，并不算成功。主要因素如下：首先是建网成本高，企业的4G专网需要建设一张完整的网络，包括无线、传输、核心网、网管等全部网元，而且要长期自运维，过高的成本降低了大多数公司的建网积极性；其次是产业链和生态问题，4G的专频专网，可用终端、模组等需要定制，量少、价高，限制了专网应用的发展，使得行业专网吸引力进一步下降。
为了推动中国5G产业链快速发展，国家工业和信息化部目前只针对运营商的公网频谱颁发了5G牌照。为了满足行业对5G专网的需求，国家工业和信息化部信通院牵头制定了《5G行业虚拟专网网络架构白皮书》。5G行业虚拟专网是指基于现有5G公网构建的能够满足各行业业务及安全需求、按需实现软硬件隔离，同时向行业用户提供部分网络管理、监测、独立开户等能力的5G虚拟网络。基于不同的行业需求，设计了园区入驻、高可靠专网、全业务专网和广域专网4种架构，为行业客户提供高品质、灵活的专网服务。
1）园区入驻专网方案满足企业客户数据不出园区的要求，保障企业的业务数据，通过园区内基站，直接连接到园区内MEC，业务数据从MEC直接访问园区内的业务系统。这些应用业务数据不出园区，给企业自主可控的安全保护。
2）高可靠专网满足关键业务对数据连续性的极高要求，在公专网中间信令链路异常中断时，业务数据仍保持联接，对园区内业务无影响。
3）全业务专网利用公网专用的优势，实现专网内的音视频通信业务，与专网外公网的IMS业务互联互通，保证矿区内外的职工能互相通话，为矿工提供一条可靠的生命通道。
4）广域专网利用运营商的全网覆盖的优势，为煤矿等行业提供一张跨区域的虚拟专网，能够根据业务的SLA要求，进行独立的网络切片，保障电力系统的生产类业务、非生产类业务的隔离和生产类关键业务的质量等级。
基于公网的行业专网产业链的优势显而易见，依托运营商公网2C的快速发展，拉低了5G终端和芯片的价格。5G行业模组的发展比4G快了2年以上，成本更低，可选择性更多，给5G2B发展奠定了非常良好的生态基础。而且依托5G公网发展，也培养了大批5G技术人才，可为行业所用。
另外，行业专网性能也将跟随5G标准的演进，逐步提升。2020年7月，3GPP R16标准冻结，是5G的第一个演进版本标准。相对于2018年完成的R15标准，R16版本是从“能用”到“好用”的升级，围绕新能力拓展、现有能力挖潜和运维降本增效3方面做了大量更新。在新能力拓展方面，R16标准赋予5G更多新性能和新功能，包括更高性能的uRLLC，面向工业互联网应用的工业级时延敏感网络服务能力；在现有能力挖潜方面，R16标准对已经定义的功能引入了一些新特性，提升频谱效率、网络的利用率和鲁棒性，包括大规模天线增强、载波聚合增强、切换技术增强等；在运维降本增效方面，R16标准提出了基于无线数据自动化采集的自动化路测和网络运维技术，大幅减少人工介入网络运维、优化的概率，有效降低人工成本和运维成本。
6 5G+云+AI支撑全连接、全感知、全计算的智能矿山架构
5G与人工智能、云计算、大数据、边缘计算相结合，支持全联接、全感知、全计算，贯穿矿山作业全流程，实现云、网、端、业的协同（图3）。
1）云端支持信息的分析与决策。云、边协同，云侧完成模型开发训练，对外提供各种数据服务和增值服务；边侧，智能推理和判断，快速执行。云侧平台需要具备数据和消息集成能力，满足海量边缘IoT设备的接入，并通过AI能力实现对边缘计算资源的远程管控、数据处理、分析决策和智能化应用。
2）网络侧，5G与现有的工业环网打通，支持固移融合组网，5G灵活部署，支撑实时数据回传和指令下发；环网架构，支持健壮可靠的网络环境，满足矿山复杂、恶劣的生产环境，确保业务连续性。利用5G网络的切片能力，将5G的总带宽根据业务的需要划分为若干个切片，如安全监控、电力控制、输送带控制、回采工作面控制、视频监控等，各个切片的带宽大小、传输优先级等由用户定义。实现“业务隔离、互不干扰”，满足矿山业务隔离的需求。
图3 基于5G+云+AI的智能矿山逻辑架构
3）终端将所有关键作业场景进行实时监控和感知，并利用5G的灵活部署能力，扩大端侧的感知范围，为云端的决策和模型训练提供更好的支撑。
4）矿山企业已经经历了机械化时代和自动化时代，当前正处于数字化向智能化演进的过程。国内大型矿山企业基本具备较完善的基础通信设施，但缺乏顶层规划，各套系统都是点对点集成，烟囱式部署，通信协议众多，各单元独立，造成数据孤岛。系统间跨网集成更困难。后续利用云、边、端的协同，5G的灵活部署，打通IT到OT的断层，连通各个系统，形成“智慧”合力，是打造智能矿山的关键。
7 5G+云+AI在智能化矿山中的关键应用
1）矿山机械设备的远程控制（图4）。
图4 设备远程控制逻辑架构
依赖5G大带宽、低时延能力实现对矿山机械的远程操控，从而实现矿山现场减人、无人的目标。可操控的设备包括露天矿山挖掘机、井下掘进机、机器人，井下轨道运输车辆的远程驾驶以及露天矿卡的远程辅助驾驶。设备远程控制对网络要求为上行带宽30~50 Mbit/s，时延50~80 ms，可靠性99.9%，传输视频监控信号；网络下行传输设备控制信号，对时延更敏感，时延20~50 ms，带宽50~100 kbit/s，可靠性99.999%。2）机器视觉类业务（图5）。
图5 机器视觉类业务逻辑构架
包括重点场所的视频监控业务，以及基于回传视频的智能分析等业务。矿山光纤部署成本高，且有巡检、安保等移动性需求，需提供5G+云+AI的视频监控解决方案。实现对生产环境的安全性监控，或者作业规范性监控。比如矿山大量使用的输送带，机器视觉技术可识别输送带是否启停、撕裂、断带、跑偏，异物(锚杆等)，从而降低输送带的损耗、防止其空转，进而保证煤矿的安全运行和整体效率；再以前文提到的探水作业为例，新的工作面开采之前，或者存量的工作面怀疑有水害，就需要探水作业。探水作业不仅直接关系到探水人员的安全，而且影响到探放水周围地区甚至整个矿井的安全。但由于探水作业工程资料普遍纸质化，监控部门无法及时掌握探水作业情况，导致探水作业假探、少探、漏探甚至不探行为难以杜绝。基于机器视觉技术，实现对探水作业全过程监控管理，自动识别卸杆数量，统计钻孔深度，防止工程资料造假，并形成数字化文档。
3）矿山设备/地质数据采集（图6）。
图6 数据采集类业务逻辑架构
为了实现矿山设备的预测性维护、生产工艺的优化，矿山地质数据监测，矿山设备及矿山周边需要部署大量传感器及控制器，有线网络传输导致线缆布放复杂，成本高，Wi-Fi等覆盖距离有限，难以同时满足网络部署灵活性与网络质量的高要求。通过5G网络实现矿山设备信息传输，部分代替有线网络；短期内因5G模组成本、功耗等制约还无法直接接入传感器，需通过PLC或工业网关进行数据汇聚及预处理后，采用CPE或工业网关内嵌5G模块方式连接5G网络。不同设备及控制系统对网络带宽、时延等性能要求不同，如只是单向的数据采集与统计，要求相对较低，时延要求从数十毫秒到秒级。
4）井下语音和音频通信，部署5G可以实现井上、井下视频语音通信或者多媒体调度，改善单纯依赖矿用有线，提高灵活性。除了使用传统的矿用手机，语音通信功能还可以与单兵装备相结合，与矿灯、自救装置集成在一起，实现对讲、广播、人员定位、单兵设备健康状态监测等丰富功能。
针对5G智能化煤矿业务发展节奏，目前视频语音通信、视频监控、机器视觉（如园区监控、输送带巡检）等业务相对成熟，可优先部署，后续依托云的扩展能力，逐步扩大部署场景和业务范围。基于5G网络的井下设备远程控制、矿车自动驾驶、机器人巡检可显著减少现场操作人员和值守人员数量，满足矿山企业减人的核心诉求，但目前相对不成熟，建议优先重点孵化。
8 结 语
5G网络在煤矿的部署有加速趋势，但5G网络真正参与到煤矿的生产，融合到工业系统中还有许多亟待解决的问题。
1）网络融合。
5G网络与工业环网的融合和演进需要进一步探索和创新。当前煤矿已经有较成熟的工业环网，但系统众多，协议繁杂，不同矿的环网条件还不完全一样。基于5G构建的工业环网如何与原有子系统对接，并逐步演进到以5G工业环网作为主要业务承载网络仍然需要进一步的探索，并进行丰富的场景验证。
2）业务催熟。
目前已经部署5G网络的煤矿企业，真正驻留在5G网络上的业务仍然不够丰富。设备远程操控等有助于减人的核心业务仍在孵化中，这与5G的网络能力和价值不匹配；从矿山用户角度，希望5G网络的部署能够带来超出联接的价值，能够改变当前煤炭工业的生产方式，真正做到井下减人、无人。矿山5G创新业务的孵化和探索，需要网络设备商、运营商、矿山设备制造企业、科研单位和矿山业务的通力合作和投入。
3）人才培养。
专业服务是5G网络充分发挥价值的保障。当前井下5G覆盖能力、优化等基础数据不足、运营商缺乏井下作业资质，井下作业人员不懂5G网络优化和维护，因此井工煤矿的5G网络规范、建设、运维、优化的能力还需要从获取基础数据做起，逐步培养行业能力，这需要设备商、运营商和矿山企业的共同配合。
4）标准制定。
标准化工作是煤矿5G应用的重要基础，需要在5G设备通用技术要求、网络建设要求、验收规范、井下无线频谱的使用规范等方面优先制定通用行业标准，便于推动煤矿新业务的落地和5G网络的有序发展。
5G作为新一代通信技术，是真正第一个端到端地考虑行业需求的网络通信技术；利用运营商公网构建的煤炭行业专网，有稳定可靠的电信级设备保障。5G将是推动煤炭工业与人工智能、大数据、云计算等先进ICT技术深度融合的助推器，对于改变传统的煤炭生产模式，让产业工人更有尊严的工作，改变传统煤炭工业的形象，促进国家的能源战略贯彻等都具有重要的意义。
