煤矿智能化建设 建立企业地面单位管理系统

在日前召开的全国煤矿智能化建设现场推进会上，具有快速赋能煤矿智能全场景优势的5G技术、5G+智慧矿山解决方案备受关注。

业界认为，煤矿智能化的目标是将人从危险的岗位上解放出来，实现“少人则安、无人则安”，而5G技术大带宽、高速率、低时延、低功耗的特征赋予了煤矿智能化快速发展的可能，这和实现煤矿本质安全的目标相一致，也是煤矿应用5G技术的主要动力所在。

5G给井下海量数据传输提供技术支撑

“5G技术对煤矿带来的最大影响，就是为煤矿智能化赋能，助力煤矿建成少人工作面或无人工作面，最终将人从繁重的、危险的场所解放出来，提高煤矿的本质安全水平。”中国安全生产科学研究院院长张兴凯在接受《中国煤炭报》记者采访时表示。

5G，即第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G、3G和2G系统之后的延伸。

中国煤炭科工集团首席科学家、中国工程院院士王国法表示，5G技术最显著的大带宽、低时延、广连接的三大特点，正好契合了煤矿智能化发展需要更广泛数据接入、更大数据传输带宽和更低时延控制的支撑。

5G技术入井，实际上是在为井下特别是工作面海量数据上传搭建一条高质量的高速公路。没有这条高速公路支撑，井下设备的地面远程控制、工作面的少人无人也只能是空想。

以阳煤集团新元公司为例。以前，井下设备也有无线接入，时延、掉线、丢包现象严重，不安全也不可靠，不能进行远程操控。应用5G技术后，时延控制在20毫秒以内。通常人们能感知到的时延是100毫秒左右。也就是说，技术人员在地面操控设备感觉不到时延，跟在现场操作一样。

“以前，井下的人挥手，我们视频中看到的是‘慢动作’，现在看到的跟现场一样，感觉不到差别。”阳煤集团信息化部部长郑海山说。

目前，新元公司正在推进5G技术井下的三个场景应用。

一是综采系统智能化，在进风和辅助进风顺槽布设5G网络，实现两巷超高清视频、手机通信、刮板机监测数据接入等应用。

二是掘进系统自动化，在掘进巷道覆盖5G网络，通过掘进机加装5G传输模块，利用5G低时延特性，在地面及井下实现对掘进机的远程操作。

三是机电硐室无人巡检，对接煤矿机器人研发厂家，在机电硐室安装5G移动巡检机器人，实现设备现场超高清视频、语音、红外成像等数据的实时回传及设备运行故障的超前预判、预警。

“实现远程控制后，井下就能减人，人少了也就安全了。”郑海山说，“5G技术应用后，井下的岗位工能减下来。”

对于煤矿来说，安全无非两方面：一是人的安全，二是设备的安全。5G技术恰恰给煤矿安全赋予了两方面可能。

在人员安全方面，以5G技术为支撑，可以实现对人员的精准定位、精准预测、精准施救。

在设备安全方面，应用5G技术可以对设备实时监控、实时预警、远程诊断、超前预防，实现全生命周期管理。

在郑海山看来，5G技术在煤矿的应用，不仅解决了通话传输的问题，更主要的是提升综采掘进水平，提升机器人应用水平，提升井下环境监测水平，提升煤机装备整体水平，提升数据应用水平，提升煤矿综合管控水平。

5G技术的落地可有效解决煤矿生产现场海量数据及视频传输业务的瓶颈问题，包括水、火、瓦斯、顶板信息的精准预测预报、煤岩精准预测和探测、设备故障远程诊断和智能联动、智能巡检、无人值守、精准定位等应用场景。

“智能化技术是基于通信技术进行的一些应用，其中很关键的一项技术是信息传输技术。从某种程度上来说，信息传输技术的优劣、速度的快慢决定了智能化水平的高低。”太原理工大学教授、山西科达自控有限责任公司董事长付国军说。

在煤矿智能化朝着少人化、无人化方向快速推进的当口，人在地面操作，井下无人值守，就需要井下增加传感器和大量视频传输，以前需要人去看的，现在则需要通过视频实时查看。

“以大带宽、低时延、广连接为特征的5G技术恰好满足了煤矿井下移动场所的数据信息传输需要，成为煤矿智能化的一个技术支撑。”付国军说。

有序推进5G赋能煤矿智能全场景

5G技术在煤矿应用的广阔前景，激发了大型煤炭集团、科研院所、运营商、设备供应商等的极大热情。

煤矿井下地理条件复杂多变，在支护强度大、信号衰减快等特殊环境下，推广无线通信意义重大。5G技术在煤矿是刚需，是安全生产的坚强保障。

在全国煤矿智能化建设现场推进会上，华为企业业务副总裁、全球能源业务部副总裁孙福友透露，今年5月20日，华为做出一个重大战略决策——升级能源业务的战略定位，意味着未来华为的资源将持续不断地聚焦到能源领域。

“对于煤矿智能化来说，5G技术是来赋能的。高速公路修好了还要建服务区，要有车辆、监控设备等，需要5G各种应用场景的技术，后面的工作还有很多。”王国法说。

从技术发展的角度看，5G技术从研发之初就不仅仅是建设一张网而已，其核心要义在于对新一代信息技术的强有力支撑或者赋能。因此，建成5G网络不等于完成了5G建设，应用场景的规划和开发才是重头戏，而基于5G支撑的AI、云计算、大数据和物联网应用等恰恰是5G有用和应用赋能的具体体现。

“5G技术要为煤矿安全生产赋能，就必须与煤矿安全生产的理论、方法结合起来，必须跟煤矿的实际需求相结合，跟煤矿的理论相融合，融合在一起再创新，形成新的安全生产技术体系。我对它的定义叫‘安全技术再创新’。”张兴凯说“，比如，5G+自动化控制，除了5G技术，还涉及自动控制、设备制造、安全技术、智能化技术等，是若干项技术的融合。”

另外，煤矿井下环境恶劣，瓦斯、水、粉尘、顶板等灾害严重，5G通信设备跟煤矿其他设备一样，必须具备煤矿特定环境下工作的能力。一要防爆，二要防潮，三要防碰撞，四要防尘。

“煤矿井下空间有限，除了走人的地方、采煤的地方，剩下的都是墙壁，特定空间对无线通信系统会产生很大的影响。因此，在天线布置、理论算法上需要一套好的应用技术。”付国军表示。

实际上，5G概念已经远远超过了5G技术本身，要推进的是5G+，必须把5G技术跟大数据、人工智能、区块链，还有云计算、边缘技术、切片技术等融合到一起，才能真正赋能各种工业应用场景。

“推进5G+采煤+掘进+运输+巡检+信息的应用，通过5G技术构建起一个工业物联网的模式，最终实现安全生产和减人提效，这是我们煤矿追求的目标。”郑海山说。

在所有的工业应用场景中，煤矿是最复杂的。赋能煤矿智能化和煤矿本质安全，很多难题亟待解决。

王国法指出，一是适应井下条件的5G设备研发和安标认证标准问题，二是场景设计和落地问题，三是商业模式问题，四是思维模式的问题。

付国军认为，现在的组网模式主要是运营商主导下的，只是运营商将地面的5G公网搬到了煤矿井下，并不是真正意义上的煤矿核心专网。也就是说，煤矿的海量数据需要在运营商的核心网进行交换，不仅使5G技术信息传输的低时延特性受到影响，还牵涉信息安全和系统安全的问题。不管煤矿用4G技术还是5G技术，目的都是为了与生产直接贯通。一旦信息安全和系统安全问题解决不了，技术就没有了生命力。

张兴凯也表达了自己的担忧。他说，现在，把地面的5G网络搬到井下相对比较容易，但5G公网采用云存储，连接的又是煤矿井下生产系统，而井下瓦斯、水、火、顶板等灾害严重，一旦网络安全出现漏洞，将给井下的生产安全带来严重威胁。

“最好的办法，就是开发出适合煤矿应用的小型化的核心网，一要容量小型化，二要价格降下来。也就是说，要组一个网，成本上还得让煤矿能承受。”付国军说。

王国法表示，尽管5G在煤炭行业应用尚处于初级阶段，但在总的发展方向上是毋庸置疑的，推进煤矿5G应用要因地制宜，分类分批地进行，因地制宜分类分级地发展。

“5G在煤矿肯定是要推广应用的，这是世界发展的趋势，再往前一步就要发展5G+智能化+大数据。但是，目前5G技术在煤矿应用才刚刚开始，建议逐步推开，成熟应用，不要一哄而上。”张兴凯表示。

付国军持同样观点。他表示，煤矿企业要理性，因地制宜，要根据自身的智能化发展需求来决定用4G技术还是5G技术，但5G的研发应用不能降温。

可喜的是，山东能源集团日前发布了矿用高可靠5G专网系统，包括矿用5G核心网、5G基站、5G基站控制器、5G高可靠控制器、5G边缘计算控制器、5G智能手机等，采用矿用边缘计算控制技术进一步降低了时延。经井下采煤工作面实测，时延降低到6毫秒。

“5+4”智慧工程，让开采更聪明

作者：郝志强

山西焦煤集团西山煤电马兰矿地处吕梁山东翼、汾河之滨，位于我国最大主焦煤生产基地——山西省古交市，是国家“七五”期间建设的国有特大型现代化矿井。马兰矿于1983年11月开工建设，1990年6月正式投产，设计生产能力400万吨/年，服务年限107年。

马兰矿提出，以“物联网整合，互联网传输，数字化集成，可视化保障，程序化操作”为核心目标，实施“5+4”智慧工程，通过“大胆淘汰、大力升级、大方引进”，将设备、工艺与系统、平台同步设计、同步攻关、同步发力、同步推进。

“5+4”智慧工程中的“5”是指“五个统一”，即统一的网络平台、统一的接口标准、统一的数据平台、统一的编码标准、统一的“一张图”管控一体化平台;“4”是指建立安全管控系统、生产调度系统、辅助生产系统以及企业资源计划系统(ERP)四大子系统。“5+4”智慧工程，架构智能化，利用“数智化”，让煤矿开采更聪明。

打造数字化智慧体

“五个统一”的目的是建立基于空间和时间的四维地理信息、泛在网、云计算、大数据、虚拟化、计算机软件以及各种网络，集成应用各类传感感知、数据通信、自动控制、智能决策等技术，建成精准适时采集、高可靠网络化传输、规范化信息集成、实时可视化展现、生产环节自动化运行，为各类决策提供智能化服务的数字化智慧体，使整个矿井具有自我学习、分析和决策的能力。

一是统一的网络平台。

马兰矿构建统一的网络平台，采用宽带光纤网+4G无线宽带网+窄带传输，打造煤矿高速通信的异构网，建立数字化矿山高速信息传输通道(煤矿信息高速公路)。同时，建设统一的网络平台，增强数据的安全性和私密性，实现井下语音通话、数据通信、无线视频、设备集控等。

马兰矿在升级了井下工业环网的基础上新建了一个环网，实现了视频信号与数据信号的分开传输、互不干扰;建成了覆盖地面、井下大巷以及南五下组煤盘区的4G无线网络，并配置部分手持终端，为多系统的无线接入奠定了网络基础;地面构筑了办公网、云数据中心等。

未来，马兰矿将在井下主干采用24芯矿用铠装光缆重新布线，服务器、操作系统、交换机、网管软件、辅材全套配备;在调度中心引进4G核心网，布置地面基站、井下基站等，配置手持终端，实现井下4G全覆盖、人员随时通信;不断提高通信带宽，将原有的人员定位系统、车辆定位系统等通过4G无线接入到数据中心，减少井下线缆铺设和维护量，同时使矿山设备、人员、车辆、工艺在统一的宽带网络平台上运行。

二是统一的接口标准。

目前，马兰矿各系统的开发相对独立，对智慧矿山数据传输造成了障碍。根据接口系统特点，马兰矿拟采用分布式、模块化、跨平台的开放体系结构和基于标准MODBUSRTU通信协议，支持Modbus-TCP/IP通信机制，兼顾有线、无线接口的接入，并为分布式系统及终端提供多种自动化接口模式。

未来五年，马兰矿将统一规划、统筹建立现有各系统的交换标准接口，将企业各种信息系统、应用资源有效整合到一起，实现信息共享。

三是统一的数据平台。

马兰矿依托大数据、云计算技术，将构建集数据采集、数据整合、数据存储、数据分析利用于一体的云数据平台。近期，马兰矿将引进云数据设备，对现有机房进行升级改造和网络优化，通过统一的接口将现有各系统数据迁至云数据中心，利用虚拟化平台实现众多应用的集中部署、资源共享，从而建立智能分析与决策系统模型。

四是统一的编码标准。

在设备、物资的管理上，马兰矿将创建统一的编码系统，提高信息交换和数据共享能力。一方面建立点检设备的编码体系，另一方面建立物资管理的编码体系，使库存信息分享更及时，实现财务账和实物账的统一。

五是统一的“一张图”管控一体化平台。

马兰矿的调度中心对人员定位系统、监测监控系统、部分视频监控系统进行了集中管理，但该矿的绝大多数系统没有数据接入，因此调度管理较为滞后。

未来五年，马兰矿将建立GIS的分布式协同“一张图”信息支持系统，将调度室打造为全矿的集控中心，并开发包括安全监测、人员定位、视频监控、移动指挥、应急避险等功能为一体的移动智能终端，从而实现高效、准确指挥。配套建设数据中心、云平台配置服务器、节点交换机、可视化管理平台等智能设备，人、机、环各因素实现全面感知。

升级现有系统和装备

马兰矿的智慧矿山建设尚处于起步阶段。2019年，马兰矿打造了一个智能化工作面，在井下部分区域配套跟进智能系统，实现了一键启停、记忆割煤、自动跟机、视频监控的智能开采。未来，马兰矿将大力淘汰老旧设备，升级现有系统和装备，引进智能设施和高精技术，建立安全管控系统、生产调度系统、辅助生产系统、企业资源计划系统(ERP)四大应用主系统。

一是安全管控系统。

马兰矿的安全管控系统已完成55%。我们通过升级KJ90X监测监控系统，引进千米定向钻机，完成了地面各个风机房、抽采泵站以及井下所有盘区的改造。引进履带式全液压坑道机，健全了矿井水文动态观测系统，加设分站和监测点，智能监测矿井水文动态。安设束管防灭火监测系统，从井下延伸至各个采区、大巷，对各种气体含量实现连续循环监测，对煤层自然发火进行预测预报。引进音频服务器、调度主机等，其中井下广播系统实现了双向通话。

下一步，我们将进一步优化矿井生产布局，加快构成大采区，加快盾构机、110工法等新装备、新工艺的推广。拟建立安全管理信息系统和重大危险源评价模型和指标体系库，对重大危险源分类、重大危险源等级、应急预案等数据进行维护。通过更新改造高低压开关柜及综合保护、电力系统集中监控后台等，实现抽采泵站智能化管理。拟建立应急救援资源及管理信息数据库，建成应急处置、指挥以及演练综合性平台。

二是生产调度系统。

生产调度系统主要分为两方面。一方面是淘汰老旧设施、升级现有系统、引进智能装备。另一方面是配套建立12项子系统，实现智能系统与技术的智能管控。

我们引进了多功能岩巷快速掘进复合式凿岩钻车与爆破技术、TBM盾构机，实现了岩巷全断面掘进、自动化操作。推广使用超前支架，引进井下监控中心、采煤机控制系统等，建成了18509智能工作面及配套的工作面智能监控系统。

同时，马兰矿将持续引进先进的采煤机、支架电控、刮板输送机等，配套建立采、掘、开工作面的监控系统，与集控中心实现无缝传输。

关于智慧调度方面，我们于2018年完成了地面工业区视频监控系统的初级升级。未来，马兰矿将围绕智能监控建设，二次升级工业视频监控系统，并将其并入集控中心，实现统一管理。

三是辅助生产系统。

马兰矿现有的辅助生产系统部分实现了智能化。井下现有2座自动化充电硐室，蓄电池电机车实现了辅助驾驶，井下12部固定带式输送机进行了系统改造，对变频器、集控装置等进行了改造。升级井下排水系统，对各变电所、配电点内设备以及保护装备进行了智慧改造，井下8个变电所、8个排水泵房已实现无人值守。按照规划，辅助生产系统预计2022年底投入使用。

四是企业资源计划系统(ERP)。

马兰矿于2018年引进契约化管理系统平台。该系统具备报表分析、预算管理、内部市场化管理、奖罚考核管理四大功能，数据可以通过手机APP查询进行互通。下一步，该矿将建立企业地面单位管理系统，即企业资源计划系统(ERP)。

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