內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗西南部，是由皖北煤電集團(tuán)控股的現(xiàn)代化企業(yè)。從呼和浩特驅(qū)車200公里來到此地，全程需3個(gè)多小時(shí)，一路溝壑縱橫，猶如大地的脊梁，雄壯而滄桑。
內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司的麻地梁煤礦，為井工煤礦，核定生產(chǎn)力800萬噸/年。礦井于2017年開始智能化建設(shè)，2019年4月10日，公司獲批內(nèi)蒙古自治區(qū)第一批智慧礦山試點(diǎn)示范企業(yè)，煤炭企業(yè)僅此一家。作為5G實(shí)踐的先鋒，我們?cè)缭?019年10月就在地面部署了5G網(wǎng)絡(luò)，開展5G高清視頻及主斜井皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人5G組網(wǎng)試驗(yàn)；2020年6月在井下部署了5G網(wǎng)絡(luò)，將5G應(yīng)用于礦山最核心的生產(chǎn)系統(tǒng)——采煤機(jī)5G遠(yuǎn)程控制。
煤礦地處偏遠(yuǎn)，井下工作環(huán)境惡劣，員工年齡老化、從業(yè)人員斷檔嚴(yán)重是煤炭行業(yè)潛在的危機(jī)：40歲以上占比高達(dá)63%，30歲以下僅占11%，煤礦招工難已開始顯現(xiàn)。
安全是煤礦的剛需和底線。煤礦井下環(huán)境封閉、條件復(fù)雜，沖擊地壓、瓦斯爆炸、透水等事故多發(fā)。2020年，中國(guó)每開采百萬噸煤死亡0.059人，雖然較2016年大幅下降63.6%，但煤礦事故仍然頻發(fā)，2020年死亡225人。
圖1 煤礦從業(yè)人員年齡分布 來源：現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2020.8
圖2 安全事故逐年減少，死亡率大幅下降（來源：國(guó)家應(yīng)急管理部、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)）
近幾年來，內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司麻地梁煤礦一直致力于借助5G等數(shù)字技術(shù)，助力傳統(tǒng)煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、克服行業(yè)危機(jī)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
一、為什么選擇5G技術(shù)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制？
井下的綜采面是煤礦生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，所有的煤都從這里開采然后進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。傳統(tǒng)綜采工作面燈光昏暗、噪聲轟鳴、灰塵潮濕，這里既是整個(gè)煤礦最核心的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是井下最危險(xiǎn)的地方之一?，F(xiàn)在，5G低時(shí)延讓地面遠(yuǎn)程控制成為可能。工人的工作環(huán)境可以從惡劣的地下，轉(zhuǎn)到舒適，明亮，干凈的地面集控中心。
在許多場(chǎng)景中，比如采煤機(jī)割煤，采煤機(jī)時(shí)刻處于移動(dòng)狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制對(duì)時(shí)延要求極其敏感，過去我們?cè)?jīng)探索過其他的技術(shù)，光纖有線易折斷，而無線技術(shù)，如4G和WIFI又有時(shí)延高、不穩(wěn)定的情況，會(huì)造成采煤機(jī)停機(jī)保護(hù)，生產(chǎn)中斷。
因此，從礦方的角度來看，5G遠(yuǎn)控的商用標(biāo)準(zhǔn)是：1．從井上直接遙控井下；2．保證5G遠(yuǎn)控長(zhǎng)期常態(tài)運(yùn)行。
然而，即使是5G技術(shù)，最初也不能很好地適應(yīng)井下環(huán)境。綜采面環(huán)境復(fù)雜，充滿不確定性，例如：采煤機(jī)割煤，每刀800mm，液壓支架跟機(jī)移動(dòng)，可能會(huì)出現(xiàn)后面的5G信號(hào)被前面的支架遮擋，甚至造成非視距的情況；另外，還存在諸如采煤工作面金屬物多，“多鏡效應(yīng)”導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等情況。麻地梁在2020年9月便完成了采煤機(jī)5G組網(wǎng)對(duì)接、控制試驗(yàn)，但由于使用5G CPE單鏈路遠(yuǎn)程控制的方案時(shí)，出現(xiàn)了時(shí)延不穩(wěn)定情況，導(dǎo)致采煤機(jī)頻繁地停機(jī)保護(hù)，既影響了生產(chǎn)，也影響了麻地梁對(duì)5G的信心。為此，華為公司作為牽頭人，大力開展礦用5G技術(shù)的難點(diǎn)攻關(guān)，保障5G應(yīng)用場(chǎng)景落地，避免大部分煤礦企業(yè)知難而退，拒絕5G。
2021年3月30日華為協(xié)同多方伙伴進(jìn)行了入井檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)綜采面5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延波動(dòng)大，甚至偶爾會(huì)跳變到上百毫秒，哪怕發(fā)生一次大時(shí)延跳變，采煤機(jī)就會(huì)觸發(fā)停機(jī)保護(hù)。作為煤礦最核心的生產(chǎn)設(shè)備，采煤機(jī)是煤礦的生命線，如何保證它的5G遠(yuǎn)程控制穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
二、5G遠(yuǎn)控商用是如何實(shí)現(xiàn)的？
面對(duì)挑戰(zhàn)，在華為、麻地梁煤礦、運(yùn)營(yíng)商、終端&工程廠商、裝備廠商的五方協(xié)同下，通過四大舉措，大力開展礦用5G技術(shù)的難點(diǎn)攻關(guān)，全球首個(gè)采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控商用得以實(shí)現(xiàn)。
圖3 采煤機(jī)5G遠(yuǎn)程控制總覽圖
1．5G遠(yuǎn)控技術(shù)創(chuàng)新-AR雙發(fā)選收
合作方：華為+麻地梁+裝備廠商（上海天地）+運(yùn)營(yíng)商（內(nèi)蒙移動(dòng)）
5G雖然提供了低時(shí)延，但穩(wěn)定可靠的低時(shí)延才是5G遠(yuǎn)控商用的核心。綜采面環(huán)境復(fù)雜，實(shí)踐證明，無線單鏈路無法保證遠(yuǎn)控穩(wěn)定運(yùn)行。
圖4 AR雙發(fā)選收原理圖
華為通過獨(dú)有的AR雙發(fā)選收技術(shù)，為5G控制提供穩(wěn)定可靠的低時(shí)延，使能礦山遠(yuǎn)程控制類業(yè)務(wù)。AR雙發(fā)選收技術(shù)，在發(fā)送端對(duì)控制流進(jìn)行復(fù)制，利用兩個(gè)空口冗余發(fā)送相同的報(bào)文；誰先到達(dá)接收端就選擇哪一路報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)級(jí)”時(shí)延最優(yōu)，克服某一路空口突發(fā)大抖動(dòng)影響，實(shí)現(xiàn)時(shí)延的穩(wěn)定性大幅提升。
圖5 麻地梁煤礦綜采面
2．OT/CT適配和預(yù)驗(yàn)證
合作方：裝備廠商（上海天地）+華為+終端&工程廠商（上海山源）
為了現(xiàn)場(chǎng)高效實(shí)施，把對(duì)生產(chǎn)的影響降到最低，采煤機(jī)的5G 遠(yuǎn)控在煤礦部署之前，必須在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬環(huán)境，進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證 。在該項(xiàng)目中，上海天地提供采煤機(jī)控制單元、上海山源提供礦用5G CPE，華為提供AR502H-5G和5G專網(wǎng)，三方聯(lián)合進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。
圖6 實(shí)驗(yàn)室預(yù)驗(yàn)證組網(wǎng)圖
首先是OT/CT網(wǎng)絡(luò)打通，然后是雙發(fā)選收功能驗(yàn)證、主備倒換門限測(cè)試、采煤機(jī)停機(jī)保護(hù)真實(shí)門限驗(yàn)證（這個(gè)將決定在實(shí)際環(huán)境中最惡劣的RTT時(shí)延上限）；還需要裝備廠家做OT參數(shù)調(diào)整和版本迭代，如初始驗(yàn)證是基于5G為主、光纖為備的方案，但采煤機(jī)控制鏈路會(huì)在5G和光纖頻繁回切，產(chǎn)生乒乓效應(yīng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)掛死，因此需要修改采煤機(jī)內(nèi)部交換機(jī)的5G檢測(cè)機(jī)制和優(yōu)化鏈路倒換門限等。
3．工程優(yōu)化
合作方：麻地梁+終端&工程廠商（上海山源）+裝備廠商（上海天地）
實(shí)操過程還必須考慮工程因素。包括隔爆5G AR、隔爆CPE需要安裝在采煤機(jī)腔體內(nèi)部并做減震處理；另外，5G AR和CPE外置天線支架的設(shè)計(jì)要考慮可安裝性；為了盡量保證兩路無線信號(hào)的差異性，5G CPE和5G AR天線要拉開一定距離（如麻地梁兩者間隔6米）；還需要做AC/DC轉(zhuǎn)換給AR和CPE供電（如麻地梁220V AC/24V DC 轉(zhuǎn)換）等。
圖7 麻地梁煤礦綜采面
4．網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
合作方：運(yùn)營(yíng)商（內(nèi)蒙移動(dòng)）+華為+終端&工程廠商（上海山源）
實(shí)踐證明，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化必不可少。首先需對(duì)井下工作面無線環(huán)境進(jìn)行路測(cè)摸底；并根據(jù)摸底情況進(jìn)行天線調(diào)優(yōu)、參數(shù)調(diào)優(yōu)，保證綜采面處于一個(gè)較優(yōu)的無線環(huán)境。
圖8 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)（備注：縱軸單位為秒，采煤機(jī)每40ms發(fā)送一個(gè)檢測(cè)報(bào)文。）
2021年8月5日，采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控完成所有安裝、調(diào)測(cè)，啟動(dòng)試運(yùn)行。由于沒有先例，我們戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控能否穩(wěn)定運(yùn)行，唯有交由時(shí)間來驗(yàn)證。與此同時(shí)，我們和華為、內(nèi)蒙移動(dòng)合作，對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)（RTT時(shí)延、抖動(dòng)、RSRP等）進(jìn)行了50天的持續(xù)跟蹤，測(cè)試效果良好，期間采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)“0”中斷的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著5G遠(yuǎn)控正式走向商用，在煤炭行業(yè)“少人則安、降本增效、為礦工謀幸?！钡牡缆飞线~出了堅(jiān)實(shí)的一步。
三、5G遠(yuǎn)控的價(jià)值
2021年9月29日，工信部連線麻地梁礦，我們匯報(bào)了5G智能化建設(shè)的情況，尤其是采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控的商用情況，獲得工信部的高度認(rèn)可；2021年11月7日，經(jīng)過為期3天的嚴(yán)格對(duì)標(biāo)檢查，內(nèi)蒙古自治區(qū)智能化礦山評(píng)估驗(yàn)收組及專家組一致認(rèn)定：麻地梁順利通過智能化礦山評(píng)估驗(yàn)收。采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控在智能化驗(yàn)收中成最大亮點(diǎn)，我礦產(chǎn)能由500萬噸/年提升到800萬噸/年。
麻地梁煤礦的5G遠(yuǎn)控正式商用，拉開了5G進(jìn)入礦山核心生產(chǎn)系統(tǒng)的序幕，也給我們帶來了切實(shí)的價(jià)值。
- 少人：?jiǎn)蝹€(gè)采煤工作面入井減少9~15人；
- 降本：光電復(fù)合纜節(jié)省600米/工作面，節(jié)省成本60萬元/年/工作面；
- 提效：采用煤機(jī)5G遠(yuǎn)控，避免了光纖斷裂導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，確保了設(shè)備開機(jī)率，增加了產(chǎn)能和產(chǎn)值；
- 提升員工幸福感：綜采面采煤機(jī)司機(jī)等工種，他們的工作可以從惡劣的井下，轉(zhuǎn)到舒適、明亮、干凈的地面集控中心。
麻地梁采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控常態(tài)化運(yùn)行，極大鼓舞了煤礦行業(yè)對(duì)5G進(jìn)入核心生產(chǎn)系統(tǒng)的信心。進(jìn)入2022年，5G礦山在中國(guó)已經(jīng)呈現(xiàn)燎原之勢(shì)，相信5G將進(jìn)入更多礦山核心生產(chǎn)系統(tǒng)，為礦企帶來切實(shí)價(jià)值，為傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。
來源：華為技術(shù)
