新华三智慧矿山技术专刊（H3C）

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新华三集团 杭州总部 杭州市滨江区长河路466号 邮编:310052 北京总部 北京市朝阳区广顺南大街8号院 利星行中心1号楼 邮编:100102 www.h3c.com Copyright © 2021新华三集团 保留一切权利 CN-173X30-20210512-BR-HZ-V1.0 免责声明：虽然新华三集团试图在本资料中提供准确的信息，但不保证本资料的内容不含有技术性误差或印刷性错误， 为此新华三集团对本资料中信息的准确性不承担任何责任。新华三集团保留在没有任何通知或提示的情况下对本资料的内容进行修改的权利。 新华三智慧矿山 技术专刊 目录 Contents 02 02 新华三矿山数字大脑 06 06 基于5G专网的煤炭 新型通信系统 28 28 矿山全光网络技术应用分析 38 38 智慧矿山信息化安全建设思考 14 14 矿山Wi-Fi 6创新应用分析 22 22 新型万兆低时延以太网 环网建设 44 44 煤炭企业智能化统一运维管理 应用与建设 52 52 矿山智能视觉技术应用 56 56 煤炭供应链工业互联网平台 62 62 煤炭瓦斯监控中的大数据 应用与分析 我国是一个“富煤、贫油、少气”的能源消费大国，据不完全统计我国能源消费市场中煤 炭可以占到我国能源消费市场的三分之一。作为一个煤炭储量大国和煤炭消费大国，我 国同时又是一个煤炭进口大国，长期以来我国煤炭行业的勘探、掘进、开采、运输等各个 方面的智能化水平和能力还是处于比较初期的阶段。 2020年初国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安监局、工业和信息化 部、财政部、科技部、教育部共同印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（以下 简称“《意见》”）。《意见》中明确指出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支 撑，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用 深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系 统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化 运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。 近年来，我国绿色环保要求的不断增强，如：“30、60目标，2030年实现碳达峰、2060年 实现碳中和”，作为能源行业中的中流砥柱，煤炭行业也是实现该目标的一个重点产业。 可以预见未来绿色矿山建设、数字化矿山建设也必将与煤炭智能化发展齐头并进。 针对“绿色矿山建设、矿山智能化建设”紫光新华三集团携手行业生态合作伙伴，共同为 我国矿山智能化建设勾画智慧蓝图。紫光新华三集团基于自身数字大脑的战略，结合矿 山行业应用实践，借鉴煤炭两化融合的思路，将矿山信息化与工业化进行深入结合。提出 了三条主线、八个能力、四项工程的设计和建设思路，将矿山装备主线、安全生产主线、 经营管理主线与新型数字化技术融合，。借助紫光新华三的数字化基础设施、数据能力 平台、主动安全防护和统一协同运维能力，与矿山智能化建设深度结合，为矿山行业智能 化建设添砖加瓦，实现数字化矿山建设之路。 刊首语 From the Editor 新华三 矿山数字大脑 Part 01 03 04 “伐薪烧炭南山中，满面尘灰烟火色，两鬓苍苍十指黑……”，通过寥寥几句唐诗，就可以体会到我国对于炭火应用 的由来已久。从之前的“伐薪烧炭”发展到之后欧洲煤炭工业化革命，从18世纪开始，煤炭产业开始逐步得到社会的 重视，成为到目前为止人类最主要的能源来源。 煤炭的开采利用从肩挑手刨，到了炮采，又到了机器化开采、后续又逐渐演进成为自动化开采，机器化和智能化的 技术手段不断的被应用到煤炭实际生产过程中。在过去一段时间内，信息化的技术与煤炭生产工业化一直都在融合 汇通，随着国家提出加速煤炭智能化建设，煤炭装备制造、矿山安全生产与矿山生产经营三条主线，均从不同维度 加速了产业融合的进程。紫光新华三凭借多年来的技术积累结合煤炭行业生产经营现状，从三大主线出发，规划出 了新华三矿山数字大脑技术框架。 新华三矿山数字大脑依托新华三数字大脑计划，结合矿山行业智能化业务主线，以业务应用视角、以数据应用为依 托，并结合数字基础设施能力。通过采用云计算、大数据、AI人工智能、5G应用、边缘计算等多个先进的新型技术， 共同构建智慧矿山新蓝图。 通过新型“一张网”的建设，在原有井上井下一张网的前提下，通过先进的SDN（软件驱动网 络技术）来驱动整体矿山网络的通信。将原有相互隔离的网络系统，在保证网络安全和信息安 全的前提下，将网络通信拉通构成数字化矿山“一张网”体系。实现全域运维、统一管控、数据 集中、消息拉通，为后续实现安全运营平台与生产调度指挥中心的信息拉通、数据融合奠定坚 实的通讯基础。 一张融合通信网络 以信息安全、数据安全、业务应用安全为基础，通过最新的大数据应用技术和工业物联网技 术，将原本需要安全巡检人员定期按计划手工抄录、设备监控数据无法拉通的情况以及安全 应急指挥系统所需生产安全和信息安全的数据，统一集中收集起来。 一个融合安全管控平台工程 伴随云计算技术、大数据应用技术逐步成熟，业务系统对于底层平台数据基座要求也将从原 来的统一管理、统一调度，进一步向着业务数据赋能、应用数据业务承载、综合数据利用的角 度进行整体业务平台的选择。新华三通过云边端的平台协同和业务数据承载提供数字化技术 基座。 一个融合业务支撑平台工程 传统企业将领导驾驶舱和安全管控平台分开独立建设，两套平台分别从不同的维度，阐述煤 炭企业关心的不同维度的生产经营与安全运营管理指标。未来的能力中心，将通过一个中心 能力，把不同维度的业务数据进行拉通，保证经营管理和安全生产的能力中心的整体数据拉 通与展示分析。 一个融合能力中心工程 新华三矿山数字大脑 “一张网”融合有线（工业以 太网）和无线（Wi-Fi 6\5G\ 物联接入）的多维度传输 系统 煤炭安全是生产安全、经营 管理安全和信息安全的综 合应用，通过信息化手段降 低甚至解决“三个不统一、 三个两张皮” 融合安全、生产、决策、 调度、后勤、经营等六大 维度的能力中心 “一个平台”基于人工智能、 5G、区块链、大数据、工业 互联网、物联网技术应用、边 缘计算等技术的一个数字化 业务能力平台（5IABCDE） 智能化煤矿信息基础设施（基础） 血液 骨骼 肌肉 大脑 掘进系统 机电系统 通风系统 采煤系统 运输系统 排水系统 监测监控 通讯联络 压风自救 人员定位 紧急避险 供水施救 一张图 智能视觉 工业互联 等保能力 大数据 云边协同 安全 决策 后勤 生产 调度 经营 智慧化矿山 三条 主线 四个 工程 八大 能力 煤机装备及生产智能化主线 矿山安全风险监控智能化主线 矿山生产经营管理智能化主线 有线传输网络系统 煤矿双重预防体系 基于智能云化承载平台 经营决策管理中心 无线传输网络系统 安全避险系统 监管/装备/生产/研究 安全运营指挥中心 一张融合通信网络 一个融合安全管控平台 一个融合支撑平台 一个融合能力中心 新华三 智慧矿山 新华三矿山数字大脑 基于5G专网的 煤炭新型通信系统 Part 02 井下通信需求分析 煤炭行业新型5G通信应用场景分析 新华三5G+智慧矿山应用场景 经矿山事故调查分析，我国煤矿死亡事故主要发生 在采煤工作面和掘进工作面。因此，通过煤矿自动 化、信息化和智能化，减少煤矿井下作业人员，特别 是减少采煤工作面和掘进工作面作业人员，是煤矿 安全生产亟需解决的问题。 为实现煤炭行业“少人则安、无人则安”的目标，目前现行的主要措施包括： 而为实现上述功能，传统的通信系统的不足就被体现出来了，在煤炭新型通信系统上，伴随着煤炭行业智能化的要 求不断增多，新型煤炭通信系统主要有如下需求： 新华三 智慧矿山 基于5G专网的煤炭新型通信系统 07 08 01 02 03 04 应力/应变/通风/气 体/温度/裂隙/渗流 数据检测，无人检 测有人巡检 大 巷、水泵、变电 所等具备条件的地 方实现机器人智能 巡检体 采 煤 机 / 掘 进机 / 无轨胶轮车远程 控制 工作面高清视频 监控 煤矿井下有瓦斯等爆炸性气体，用于 煤矿井下的电气设备必须是本安型电 气设备。 掘进机、采煤工作面采煤机、液压支 架、刮板输送机等移动设备，需要通 过无线传输技术，保证数据的实时回 传，未来还将实现远程控制信令的快 速下发。 作业环境恶劣，事故风险高，地面控制 中心需要对井下采掘情况实时监控和 对设备进行远程操控。同时无人驾驶 等新型智慧矿山技术应用，也对网络通 信的灵活性要求提升，对于网络的低时 延要求进一步提升。 采煤机 液压支护 掘进机 煤矿安全监控系统具有甲烷、一氧化碳、温度、 风速、风压、风向、馈电状态等监测功能，井下 物联网传感器数量众多，通信系统需具备大容 量接入能力，因此对于井下无线通信系统的海 量连接能力也就提出了很高的要求。 掘进面和采煤工作面视频图像实时传输要求上 行大带宽，支持密集高清视频回传，对于网络 传输带宽要求有着精细化控制（数据上行带宽 优先于下行带宽）以及高带宽的要求。 （来源： 中国移动研究院《5G大上行能力在行业数字化中的价值》） 高清视频监控 综采工作面由于设备较多，环境复杂，液压支架、采煤机的运行不容易通过视频进行实时监控，并且液压支架、采 煤机、转载机经常需要移动，信号传输线缆易刮断，因此有线视频设备不适合在综采面布设。通过5G覆盖，无线摄 像头方便部署，不受线缆工程限制，实现液压支架、采煤机转载机实时视频传输，实现可视化远程监控，指挥中心可 以随时调看所有摄像头的视频，了解设备运行状态，保障安全生产监控。 20KM/H （6M/S） 6米 相当于1.3辆车长 4 2 6 6 9 13 12 24 18 55 23 85 28 133 12米 相当于3辆车长 22米 相当于5辆车长 36米 相当于8辆车长 73米 相当于16辆车长 108米 相当于24辆车长 假设平均车长4.5米 驾驶员反应时间（距离） 刹车制动距离 161米 相当于36辆车长 32KM/H （9M/S） 48KM/H （13M/S） 64KM/H （18M/S） 96KM/H （27M/S） 120KM/H （33M/S） 150KM/H （42M/S） 场景大类 场景子类 场景子类描述 RTT（ms） 设备连接数（个） / 典型小区 上行能力 单用户上行 峰值速率 小区 平均容量 单用户 边缘速率 智能控制 精准 远程控制 采煤工作面掘进机、 采煤机远程集中控制 <100 50 上行需求不大 机器视觉 采集高清视频回传， 完成远程控制。后续 AI 自己下发判断。 <100 30-40个摄像头， 4K 清晰度 （范围：240 米 综采面） 20Mbps 0.8Gbps 10Mbps 全面感知 状态感知 人、机、环监测： 人体健康状态，环境 （气体、压力等）， 设备状态监测 <1000 >100 上行需求不大 视频感知 运输转载点、运输场 视频。不用于远程控 制，仅用于问题故障 反差。 <100 若干固定摄像头 + 移动摄像头 （范围：@200 米巷道） 10Mbps 0.3Gbps 5Mbps 定位感知 人的定位、车辆定位、 设备定位等 <100 米级定位 上行需求不大 实时互联 及时通讯以及 远程诊断 工人手持无线终端， 满足移动通信，满足 在不同地点快速诊断 <100 语音：10 组 视频：3-5 组 10Mbps 0.2Gbps 5Mbps 新华三 智慧矿山 基于5G专网的煤炭新型通信系统 09 10 移动机器人巡检 机器人内置5G模组，通过5G网络将高清视频和红外热成像数据以及瓦斯浓度、环境温度、烟感数据无时延地传输 到地面，代替人工定时巡检，使地面能够更及时发现异常情况，及时发出预警，避免出现大的事故。 采煤机/无轨胶轮车远程控制 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，再结合采矿设备本身的各种传感器信息上报，工作人员就可以在监控中 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。目前信号传 输一般采用有线的方式，但是由于液压支架、采煤机、掘进机经常需要移动， 信号传输线缆经过多次折叠后较易发生断裂。 井下物联设备数据采集 利用5G大带宽、低时延的特点，通过井下高清视频采集终端实时高清视频并回传至 地面监控平台，地面监控平台基于机器视觉技术实现人员行为异常（如不带安全帽、 进入危险区等）、设备故障、环境突发（如塌方、冒水）等不安全因素智能识别，及时 采取措施，保障人员安全和安全生产。 矿山生产环境恶劣，工作环境复杂，存在大量的环境监控信息、大型设备的各类数据监控信息，需要一个可靠高效 的数据采集和信息传输系统，采集顶板里层监测、冲击地压监测、通风监测、管道风量/风压/水量/水压等，应力、应 变、温度、裂隙、渗流及其变化趋势数据，实现井下全面感知。 通过5G无线系统将采集到的设备状态、姿态、位置和环境参数等数据以及现场音、视频信息实时回传至采煤控制 中心，控制中心的操作员发出操作指令，通过5G高可靠低时延网络下发给采矿设备，采矿设备执行相应的指令，实 现采煤工作面三机一架的有序协同联动和连续高效作业。5G网络的大宽带低时延特性，使得控制中心可以实时感 知采煤现场的环境和设备工作状态，从而实现采矿设备的远程操作，解决操作工人需要长时间面对噪声、浮尘、震 动等的问题；另一方面，减少以至杜绝相关环节因人为因素导致的安全生产事故，并降低司机用工及车辆维护成 本，提升矿山整体的作业效率。 机电硐室机电设备在长期运行过程中易发生故障，借助5G技术，硐室机器人可 7×24小时连续工作，代替人工周期性巡检，实现全时全程监控。机器人上还安装有 红外摄像头和声音拾取装置，能够探测井下电缆、管道温度，识别电力系统负荷过载 的隐患，提前对故障进行预警。 新型5G技术 传统4G技术 数百兆到千兆级别 传输速率 百兆级别 毫秒级 时延 百余毫秒级 高 广泛连接 适中 可移动接入 移动性 可移动接入 适中 传输距离 适中 新华三 智慧矿山 基于5G专网的煤炭新型通信系统 11 12 新华三矿山5G通信方案采用5G SA独立组网架构，整个5G专网系统主要由5G核心网、5G承载网（IPRAN方式、 工业以太网方式）、5G矿用基站设备及综合管理平台组成。 面对日益增多的煤炭智能化应用需求，传统煤矿无线组网方式在性能上已经无法到达煤炭生产工业控制要求。 传统4G无线网络由于带宽和时延不能满足工业控制要求，不适合作为煤矿未来智能化建设的主要承载无线网络 系统。 传统4G组网方式中，传输延时达到百余毫秒，在一些对于延时要求非常敏感的煤炭智能化新应用中（如：煤炭井下 无人驾驶、机器人远程精确遥控等），无法满足未来智能化业务应用部署要求。面向未来无人化和少人化矿井的要 求，更多的高清可视化要求日益增多，对于无线传输高带宽的要求也是与日俱增。 以一个240米综采面为例子，平均8米在支架上安装一个固定摄像头，需要30个摄像头，以4K摄像头为例，每路视 频上行速率要求在8~16Mbps，整个在240米范围内对上行容量的要求是480Mbps。传统4G无线传输方式， 20MHz带宽下上行50Mbps速率仅支持2路高清视频传输,不满足一个工作面几十个摄像头，几百个传感器的数据 传输需求。 相对于4G网络，5G网络具备更高速率，针对煤矿井下通信需求特点设计的5G上行速率可达到几百兆到上千兆； 5G时延更低，端到端时延低至10ms，比4G低10倍。可靠性高达99.999%以上。5G的技术特点，使得5G更适用于 实时互联和工业控制。 通过eCPRI协议的支撑，FSW、pRRU可支持以太网交换功能，pRRU具备以太网设备扩展能力，支持级联Wi-Fi 6 AP，工业物联网等传统以太网设备。 写在最后，对中国5G应用于智慧矿山生产的期望，目前为止5G技术还是一个新兴技术，在行业内应用还有很多的 局限性（例如：覆盖距离、信号的可靠性、低时延的整体效率、矿用设备的支持能力等等）。不过，也正是基于此，新 华三作为行业技术和产品解决方案的领导者，有义务把最先进的产品和方案，与行业应用以及行业生产建设标准要 求进行融合，让科技之光不断照进生产业务应用的现实。 煤矿5G通信系统与传统井下无线通信方式的比较 新华三煤矿5G通信解决方案 新华三煤矿5G解决方案支持5G基站BBU FSW pRRU之间通过eCPRI协议 进行组网建设。支持以太网环网协议，具备环网故障排除及快速自愈能力，与5G承 载网环网形成分层环网架构，极大提升整体矿区网络可靠性的。 更加简单灵活的组网方式 新华三5G独立组网方案，打破了传统5G承载网构建方式，既可以通过IPRAN方 式进行组网应用，又可以通过工业以太网交换机（需要支持1588V2和SyncE协 议）进行组网设计，极大丰富了组网灵活性的同时，进一步降低了整体矿用5G网络 的拥有成本。 更低的矿用5G拥有成本 矿山信息化安全以及整体组网稳定性一直是被行业内各个专家所重点关注的。新 华三5G独立组网方式可以实现设备本地化部署、链路本地化应用、数据本地化应 用，所有数据、链路、设备均为本地化部署，极大的提升了整体网络健壮性和稳定 性，提升了数据的安全性。 自主组网设计与建设 新华三采用独立本地化专网方式进行煤矿5G网络部署应用，避免了许多不必要的 流量访问延时，从而可以做到往返少于10ms的低时延组网要求，使得在矿用工业 控制领域通过5G应用方式远程控制成为可能。 低时延组网 矿山Wi-Fi 6与 UWB定位创新 应用分析 Part 03 15 16 新华三 智慧矿山 矿山Wi-Fi 6与UWB定位创新应用分析 随着智能设备越来越丰富，同一Wi-Fi下接入的智能设备数量越来越多， 针对多用户接入带来的Wi-Fi网络效率越来越低下（或用户被挤下去，或 所有用户速率大幅下降，亦或Wi-Fi网络瘫痪），用户体验越来越糟糕。 Wi-Fi 6的横空出世，带来了用户体验提升的福音。 Wi-Fi 6引入了多项先进技术，可有效解决网络容量和传输效率的问题。由于Wi-Fi 6低功耗低成本的特性，因此在 M2M局域应用中具有很大优势。Wi-Fi 6相比传统Wi-Fi提供高达15dB以上的链路附加余量，相当于在室内扩大1 倍以上的传输距离。从功耗角度看，相当于在传输距离不变的情况下终端可以采用更低的功率进行传输，在这种应 用模式下，Wi-Fi的峰值耗电能够从100mA降低到10mA级别，接近蓝牙的峰值功耗。此外，TWT技术的采用，让终 端能够更有效率地进行休眠，这两种改善意味着极低的终端成本与续航能力。 在智慧矿山建设的过程中宽带无线通信是建设的基础和关键。矿井无线电信号传输衰减严重，无线电传输衰减模 型复杂多变，卫星信号无法穿透煤层和岩层到达井下，煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，矿井巷道的超