身穿蓝色工作服的矿工
在电脑前轻点鼠标，
井下设备就能有序运转，
数据实时上传。
拨通电话，
井下矿工可以和地面人员进行
5G视频通话
……
这是阳煤集团新元公司
井下5G煤矿专网建成之后的工作场景。
阳煤集团新元公司机电硐室无人巡检
8月4日，
中央电视台《新闻联播》对阳煤集团井下应用5G网络的事情进行了报道
5G革新了传统井下工作模式！
以5G通信网络为基础的“5G+”，与煤炭开发利用技术深度融合应用，将催生煤炭产业新业态、新生产方式和新管理体制，构建智能绿色煤炭产业新体系！
今天，中国工程院院士，中国煤炭科工集团首席科学家王国法在《中国煤炭报》发表署名文章，介绍了“5G+”如何与煤矿智能化融合应用。
一起来看！
建“5G+”智能化煤矿，
向“质”高点迈进
作者：王国法
●“5G+”是以5G通信网络为基础，融合大数据、人工智能、区块链、边缘计算、云计算等新一代信息技术的统称，将全面赋能支撑工业过程智能控制。
●“5G+”与煤炭开发和利用技术的深度融合应用，将催生煤炭产业新业态、新生产方式和新管理体制，赋能智能绿色煤矿建设，构建智能绿色煤炭产业新体系。
随着第四次工业革命的快速推进，新一代信息技术与能源矿业工程的深度融合成为必然趋势，将大幅促进能源矿业生产智能化、消费合理化、监管透明化，成为能源与矿业高质量发展的先导力量。建设“5G+”智能化煤矿是新时期煤炭工业高质量发展的战略任务。“5G+”是以5G通信网络为基础，融合大数据、人工智能、区块链、边缘计算、云计算等新一代信息技术的统称，将全面赋能支撑工业过程智能控制。“5G+”与煤炭开发利用技术的深度融合应用，将催生煤炭产业新业态、新生产方式和新管理体制，构建智能绿色煤炭产业新体系。
当前背景下的能源安全与煤炭发展
在大国关系不协调和国际地缘政治冲突加剧的背景下，我国能源安全风险上升，煤炭作为国家能源安全压舱石的作用无以替代
2020年初开始发生的这场世界范围的新冠肺炎疫情，对世界经济、社会发展产生了深远的影响，暴露了国家治理体系中应急医疗能力、产业链安全、能源安全等可能面临的一系列问题。5G、大数据、人工智能等新一代信息技术在全民抗疫中表现突出，为我国经济社会发展提振了信心，也为煤矿智能化发展提供了重要的工具与技术路径。
2019年，煤炭占我国一次能源生产量的69.3%、消费量的57.7%，煤炭资源量占我国化石能源资源总量的97%。实践证明，煤炭是可以实现清洁高效利用的最经济、安全的能源，是我国能源的基石。我国石油、天然气进口依存度高达71%和43%，可再生新能源在相当长时期内还难以实现大规模替代。后疫情时期，在大国关系不协调和国际地缘政治冲突加剧的背景下，我国能源安全风险上升，煤炭作为国家能源安全压舱石的作用无以替代。习近平总书记多次明确指出要做好煤炭这篇大文章，推进煤炭的清洁高效利用。“去煤化”是脱离中国国情的片面论调。
“四个革命，一个合作”的能源新战略，指明了新时期煤炭工业高质量发展的方向。煤矿智能化是实现煤炭产业高质量发展的核心技术支撑。加快煤矿智能化发展，建设智能绿色煤炭产业新体系，实现煤炭资源的安全、智能、高效、绿色开发与清洁高效利用是能源革命的战略任务和必由之路。
煤矿智能化建设是一个多学科交叉融合的系统工程，涉及多系统、多层次、多专业、多领域、多工种相互匹配融合。智能化煤矿的总体架构包含智能化管控平台（煤矿智慧大脑）、网络服务平台、大数据中心、GIS空间信息服务等在内的10大主要智能化应用系统组成的复杂系统，需要“5G+”为煤矿智能化赋能支撑，建设覆盖全矿区的通信和感知网络、基于5G的“云边端”控制架构、大数据分析和人工智能决策、适应各种作业要求的智能装备系统，满足智能化煤矿运营的多样承载需求，使煤矿生产运营能够“看得见、管得了、控得住”。
“5G+”如何与煤矿智能化融合应用
“5G+”与智能化煤矿的融合应用，是技术融入矿山场景的过程，不是一次性结果，不是“基建交钥匙工程”
如果说4G改变的是人们的生活，那5G改变的将是整个社会。“5G+”是5G与网络切片、边缘计算、大数据、人工智能、区块链等技术的融合应用，将带来垂直行业应用的颠覆性变革。目前，5G、大数据、人工智能以及区块链等新一代信息技术在关键技术、设备、系统平台等方面已经具备应用基础。5G已经进入商用阶段，2020年全国将建成5G基站60万个至80万个；大数据获取、存储、管理、处理、分析等相关技术已有显著进展，成为信息化、智能化的重要支撑。基于人工智能的矿业智能系统、智能装备、机器人已在矿业各领域广泛应用。区块链技术已经在金融业、政务、企业等众多领域实现深度应用。
5G带宽是4G的百倍以上，支持多达100万点/平方千米并发接入，是4G的10倍以上，时延低至1毫秒，比4G降低30倍以上。煤矿智能化的发展需要广泛数据接入、海量数据传输（大带宽）和实时（低时延）控制响应。5G技术恰恰实现了以上三方面的重大突破，形成了自身的三大优势，为打通煤炭智能化开采上下行传输的高速通道奠定了重要基础。“5G+”将重塑煤矿开拓设计、地测、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、经营管理等主要系统，使其具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力。
煤矿智能化是一个不断发展的过程，煤矿智能化程度也是一个不断提高的过程。“5G+”与智能化煤矿的融合应用，是技术融入矿山场景的过程，不是一次性结果，不是“基建交钥匙工程”。它是煤炭企业管理水平和运维能力持续提高的过程，是复杂的系统工程，将开启煤炭企业创新和变革的新时代。“5G+”与智能化煤矿融合的第一步是实现数据融合互联，建设5G融合一张网，形成煤矿井上、井下5G网络基础系统（建设数字高速公路）。
根据需求设计应用场景切片，满足不同带宽、时延和接入密度的要求；建立基于5G的“云边端”控制架构，云端——建立企业云平台和大数据处理中心，将数据抽取进行融合处理，发挥其存储及计算优势进行全局化运营决策，同时具备智能化模型训练功能；边缘侧——将云端算力下沉，根据场景智能化控制需求快速决策，降低控制时延；端侧——对于感知信息进行初步快速处理，提取特征信息，快速响应，实时控制。同时，构建智能化煤矿管控平台，搭建总体优化、区域分级、多点协同的开采、掘进、运输、安控等管控体系，实现数据的融合互联。在工作面实现无人操作，输送系统无人值守，安全监测全息保障，下井人员显著减少，人均工效显著提高。
第二步是实现人机主动交互，建设5G+VR/AR、智能引擎、无人驾驶、煤矿机器人技术为主的全矿井生产、远程控制、实时调度、远程运维的全流程、多要素高效运行体系，实现人机的主动交互。下井人员大幅度减少，全部固定岗位无人值守。
第三步是实现自学习自决策。建设5G+价值提升体系，基于大数据分析及AI赋能、以人为本的全矿井活动“场景化、虚拟化、专业化”智慧生态体系，实现煤矿主要系统的自学习自决策；矿井系统全面智能化作业，下井人员减少80%以上，全面实现生产、生活、生态体系的智能化协调高效运行。
5G目前在煤矿有五类应用场景
基于5G的高精实时定位与应用服务、基于5G的虚拟交互应用、生产过程远程实时控制、井下设备设施远程协同运维、井下巡检和安防
基于煤矿智能化发展的迫切需求，5G投入商业应用之初就同步在煤矿进行应用研究，目前已在部分矿区实现部署，并进行了高清视频远程传输、远程控制采煤和露天煤矿车辆自动驾驶等应用场景的5G应用试验。5G在煤矿有以下几类应用场景。
一是基于5G的高精实时定位与应用服务。基于5G的低延时特性开发、基于5G网络的井下定位与应用服务系统，将产生井下车辆管理、开采精准推进等应用，解决移动装备的实时控制和管理难题。
二是基于5G的虚拟交互应用。可用于煤矿井下作业空间三维建模和虚拟展示、互动模拟和可视化设计、混合现实、云端实时渲染和虚实融合操控等。
三是生产过程远程实时控制。传统的远程控制系统需要经过多重路由和多种协议才能将所需的各种传感信息汇集到集控中心，直至传至远程控制中心，因此仅有部分对实时性要求不高的功能可以用远程控制实现，实时性要求高的功能出于安全考虑是不能用远程控制的。5G低延时的特性为这一难题的解决提供了基础支撑，基于5G的井上全功能的远程控制将会实现。
四是井下设备设施远程协同运维。现场的音频视频信息可通过5G网络传输至远端，相关的虚拟模型也可虚拟至现场设备上，通过虚拟现实技术可实现专家与现场工人同样的视场和操作，甚至还可以用机器人代替人在井下完成维修。由设备供应商或专业化机构为煤矿提供全程、全生命周期的专业化运维服务，提高煤矿智能化系统装备可靠性保障能力。
五是井下巡检和安防。基于5G的定位、高速数据传输和端端物联将助力实现井下的高效巡检和安防，相较于传统的数据上传下发的利用方式，5G模式下的数据利用更高效、延时更短、可靠性更高、安全性更好。
目前，阳煤集团新元煤矿建成了5G煤矿专网，实现了井上园区和井下机电硐室、综采、掘进工作面的一体化网络覆盖，进行了井下5G通信试验和部分应用场景测试，通过试验和改进将上下载8∶2时隙比改为1∶3；井下单台基站上行峰值速率达到1100Mbps以上，下行峰值速率达到300Mbps以上。传输时延小于20毫秒，可以满足远程超低时延操控、超高清视频同步传输及工业控制类场景对网络的需求，为实现井下采掘运等各类场景的应用奠定了基础，构建了“5G+”智能化煤矿的雏形。
在阳煤集团新元公司调度中心，实时感受5G智慧矿山的魅力。（本报记者 任志青 摄）
山东能源集团临沂矿业公司郭屯煤矿联合龙软科技、华为、中国移动等企业，搭建了5G独立核心网和5G矿井专网，打通了矿用工业环网；通过5G模组CPE，将智能综采工作面采煤机、惯性导航、视频等实时信息接入5G网络，实现了高速率、低延时、大带宽的信息传输，同时解决了移动装备线缆难铺设，架间电缆易损伤，WIFI、MESH等传输带宽低、稳定性差等难题，为基于TGIS的智能化综采工作面远程可视化自适应控制奠定了基础。
山东能源临矿集团菏泽煤电公司郭屯煤矿职工在集控室内操控采煤机。 （孔庆玉 摄）
延长石油巴拉素煤矿是一座按照“5G+”智能化煤矿目标建设的年产千万吨级的现代化煤矿，计划2021年底投产。按照目标，他们进行了“5G+”智能化煤矿的顶层架构设计研究，制定了科学严密的实施方案，从矿井设计施工开始就全面植入智能化基因。作为国家新基建重点示范项目，他们以5G网络为支撑，融合云计算、大数据、物联网和人工智能等新一代信息技术，建立了煤矿地面智能化管控平台，三个中心（5G网络中心、大数据中心、资源视图中心）、十大智能应用系统，实现了煤矿的智能绿色安全高效运行。
“5G+”亟待解决的问题与对策
要以求真务实的科学态度，以协同攻关的创新精神，解决各类难题；要让企业和职工都从智能化发展中受益
目前“，5G+”智能化煤矿建设已迈出了第一步，虽然还不完善，但是这个第一步意义重大，使我们看准了方向、瞄准了目标、坚定了信心。同时，要以求真务实的科学态度，以协同攻关的创新精神，解决制约5G技术在煤矿推广应用中的难题。
一是煤矿5G设备研发和安标检验标准问题。由于煤矿井下开采的特殊要求，5G基站等设备下井必须满足煤矿防爆、特殊电磁环境和使用空间的要求。目前，尚无标准可依。所有5G设备都只能取到防爆证而无5G安标证。需要加快适应煤矿使用要求的5G基站、模组等研发，研制5G通信与定位融合一体的微基站，尽快研究制定相关标准和安标要求。
二是场景设计和落地问题。5G技术条件下场景驱动特征明显，从提出场景到应用落地涉及技术研发、供应链改造、基础设施建设、智能终端和应用研发以及商业化运营等系列环节，是一个产业生态，不是单纯的网络建设问题。需要解决矿井已有系统与5G系统的匹配取舍问题。要坚持分类、分级发展，因地制宜制定合理的建设目标和实施方案。
三是商业模式问题。目前的5G网络建设运行必须依赖电信运营商的核心网。如何设计合理的商业模式将直接影响煤矿企业的使用意愿和双方的商业利益。在八部委出台的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和广大煤炭企业的推动下，三大电信运营商和华为等信息行业龙头企业都以极大的热情参与到支持煤矿智能化建设中。各行业参与煤矿智能化建设，要以促进煤矿安全、少人、提效、提高智能化水平和增加煤矿工人福祉为目标，以制度、技术和商业模式创新、完善利益联结机制、实现共赢发展为动力。5G技术带来的不仅是技术的变革，更是各垂直行业的变革。产业竞争也已不再是单一产品或单一产业体系的竞争，更多的是5G技术支持下的产业协作、平台共建和生态共创。上下游企业应联系得更加紧密、互动更加频繁、合作更加深入。
四是思维和管理模式的改变“。5G+”技术与煤炭开发利用技术的融合，无疑将衍生出一系列新技术、新业态、新职业、新岗位。传统的技术和管理模式将因此被打破，原有一些思维模式和管理模式将不再适应新情况。要积极探索“5G+”智能化煤矿管理的新模式、新规范、新业态，加强煤矿工人的转型培训和培养。发展煤矿智能化不是让煤矿工人下岗，而是要让煤矿工人更体面、更幸福的工作，要让企业和职工都从智能化发展中受益，真正实现高质量发展。
（作者系中国工程院院士，中国煤炭科工集团首席科学家）
