北路智控积极参与参与《5G+煤矿智能化白皮书》 标准制定。以下为《5G+煤矿智能化白皮书》转自其他网站。

5G+煤矿智能化白皮书

2020年10月

指导单位：

中国煤炭工业协会

中国煤炭学会

煤矿智能化创新联盟

起草成员单位：

阳泉煤业（集团）有限责任公司

中国移动通信集团公司

国家能源投资集团有限责任公司

中国联合网络通信集团有限公司

中国中煤能原集团有限公司

中国电信集团公司

中国煤炭科工集团有限公司

华为技术有限公司

陕西煤业化工集团有限责任公司

煤炭科学研究总院

山东能源集团有限公司

安标国家矿用产品安全标志中心有限公司

中国平煤神马能源化工集团有限责任公司

煤炭科学技术研究院有限公司

大同煤矿集团有限责任公司

国家能源集团神华信息技术有限公司

陕西延长石油（集团）有限责任公司

北斗天地股份有限公司

中国矿业大学

泰安宇祺通讯技术有限公司

中国矿业大学（北京）

天津华宁电子有限公司

中国煤矿机械装备有限责任公司

上海山源电子科技股份有限公司

郑州煤矿机械股份有限公司

北京中电拓方科技股份有限公司

天地（常州）自动化股份有限公司

北京永安信通科技公司

中煤科工集团重庆研究院有限公司

南京北路智控科技股份有限公司

北京天地玛珂电液控制系统有限公司

山西科达自控股份有限公司

上海创力集团股份有限公司

华洋通信科技股份有限公司

常州科研试制中心有限公司

畅加风行苏州智能科技有限公司

目录

00.引言

01.矿井5G网络建设原则

02.矿井5G应用场景

2.1视频传输

2.2物联网

2.3设备数据传输

2.4移动巡检

2.5远程控制

03.矿井5G网络构架

3.1矿井5G专网典型构架

3.2矿并5G网络基本要求

04.矿井5G网络系统描述

4.1总体架构

4.2运维平台

4.3核心网网络

4.4传输网络

4.5无线接入网络

05.煤矿5G应用生态建设

06.附录

6.1规范性引用文件

6.2术语、定义和缩略语

引言

2020年2月，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安全监察局、工业和信息化部、 财政部、科技部、教育部等八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了我国煤炭工业智能化发展的方向，吹响了我国煤矿智能化建设的号角。2020年9月，应急管理部、国家能源局、国家煤矿安全监察局在山东邹城组织召开全国煤矿智能化建设现场推进会，加速推动新一代信息技术与煤炭开发利用融合。

“5G+”是以5G通信为基础，融合大数据、人工智能、区块链、边缘计算、云计算、工业互 联网等新一代信息技术的统称。5G通信技术具备大带宽、低时延、广连接的特性，是第一个从标准设计之初，就考虑到行业应用需求的蜂窝网络技术。目前，中国已经部署了全球最大的5G网络，网络能力基本完善，产业配套基本成熟，网络成本持续下降，技术红利亟待释放。5G技术赋能煤矿智能化，为解决好煤矿井上下的通讯问题提供了全新方案，为我国智能煤矿的建设注入了新动力和新活力。

我国现已研发出矿用5G系统，并在煤矿井下获得初步应用，展现出良好的“头雁效应“和广 阔的应用前景。5G+”新一代信息技术在煤矿的融合应用，必将改变煤矿传统的生产组织与用工形式，同时打破安全、环境等对煤炭开发利用的制约。未来我国智能矿山将具备资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程可视化、信息传输网络化、生产管理与决策自主化的能力。

煤矿智能化是新一代信息技术和煤炭开发利用的深度融合，是开采工艺、智能装备、应用软件、 网络技术、先进标准等多种要素的集成，更是一种网络化、平台化协同的合作生态。5G技术在煤矿的应用将助力构建煤矿智能化开放合作生态，有力促进我国煤炭工业高质量发展。此白皮书基于当前5G技术在煤矿的应用和实践经验，阐述了矿井5G网络建设原则、矿井5G应用场景、矿并5G网络构架、矿井5G网络系统要求等，倡议建设煤矿5G应用生态，旨在进一步推动5G技术在煤矿中的应用，加快我国煤矿智能化的建设进程。

01.矿井5G网络建设原则

目前，煤矿井下应用的通信网络主要包括工业以太环网、4G无线网络、Wi-Fi无线网络、有 线调度通讯系统、应急广播、定位系统等。矿井5G网络是新一代矿用无线通信网络，具备高可靠、大带宽、低时延、易部署、易维护的特点。

矿井5G网络建设应遵循如下原则：

安全原则

煤矿井下应用的5G通信系统应满足安标国家矿用产品安全标志中心发布的《煤矿5G通信系 统安全技术要求（试行）》和《煤矿5G通信系统安全标志管理方案（试行）》规定，取得矿用安全标志。同时，网络建设应满足矿用网络安全与信息安全的相关规定。

可靠性原则

矿井5G网络应在矿井各类复杂环境下长时间稳定运行，满足井下工作面、皮带巷、机电酮室 等特殊环境对网络传输高可靠性、高实时性、高上行带宽的需要，并能够支持上下行带宽时隙调整。

融合原则

矿井5G网络建设应与在用的矿井通信网络实现高度融合。无论是依托运营商集成还是矿井企 业自建，需遵循国家通讯规范及既有频谱进行合理规划及部署实施。地面5G通信采用公网号码资源，井下5G通信应与原有资源相结合。矿井5G通信经过网络安全隔离后，可与公网连接，在保障数据安全的条件下实现全方位的互联互通。

因矿施策原则

各煤矿应结合矿井具体情况，基于自身需要部署5G网络建设，如：

——以应用价值为优先考虑，如采煤工作面、掘进工作面可优先应用；

——井下部署有线通信网络困难的，可优先考虑5G网络；

——多连接视频类业务，可优先考虑5G网络；

——工控设备低时延互联业务，可优先考虑5G网络。

02.矿井5G应用场景

2.1视频传输

以300m采煤工作面为例，如需20路视频并发传输，每路为典型1080p，网络带宽需求约为 120Mbps；以400m皮带监控区域为例，如需15路视频并发传输，每路为典型1080p，网络需

2.2物联网

煤矿井下需要物联传输数据的场所主要包括：顶板离层监测、冲击地压监测、地应力监测，通 风监测系统的最大开路电压、最大输出电流、功耗、状态数据信息，非“四遥”读表（管道风量、风压、水量、水压等），立井、斜井井筒安全监测中的井壁和围岩应力、应变、温度、裂隙、渗流及其变化趋势，以及其它应用场景。

2.3设备数据传输

煤矿井下设备数据传输的应用场景主要包括：1）激光扫描成像，用于综采工作面、掘进巷道、 喷浆巷道等有三维扫描成像需求的场景，对点云数据实时传输； 2）惯性导航：对各种机载惯导装置 的数据交时传输； 3）分散设备的监测数据：包括刮板输送机、转载机、破碎机、皮带机驱动部、乳 化液及喷雾泵、各种供电开关等设备的有关实时监测数据； 4）手持终端，包括手持检测终端以及交 互设备等； 5）其它应用场景。

2.4移动巡检

煤矿井下应用巡检装置的场所主要包括：变电所、水泵房、皮带机、大巷、井筒、管道、采煤 工作面等，主要采集实时视频、热成像、环境气体参数、烟雾、设备运行工况等信息。

以实时信息移动巡检采集为例，一台巡检装置最多配置4路高清摄像头，每路1080p，网络需 求约24Mbps；环境参数检测、语音通话、红外热成像等网络需求约5Mbps；合计网络需求约为30Mbps。

2.5远程控制

基于5G高质量承载管道，未来井下各种工业设备，如采煤机、液压支架、掘进机等设备，可 以考虑远程人工控制或基于Al的智能控制。

井下无轨胶轮车、电机车、单轨吊等为主的应用场景，可以考虑基于5G技术实现井下远程（无 人）驾驶。

以远程（无人）驾驶无轨胶轮车为例，一台车最多配置4个激光雷达、4路高清摄像头（每路 典型1080p）、2路毫米波雷达，网络需求约为40Mbps；5G网络控制时延要求不大于50ms。

以巷道掘进场景为例，需要考虑6路1080P高清视频，考虑综掘机截割速度、启停命令等控制 信号，通信带宽上行可达50Mbps，整体5G网络控制信号时延小于100ms。

03.矿井5G网络构架

3.1矿井5G专网典型构架

矿用5G专网系统主要由5G核心网、5G网管平台、5G承载网设备、5G基站设备、5G本 安型无线网关（CPE）、5G终端设备等组成。

现阶段，矿井5G专网系统典型构架主要有两种方式：基于运营商的煤矿专网以及煤矿自身集 成管理的煤矿专网。

基于运营商的煤矿专网

煤矿本地部署MEC，实现本地业务分流至矿山自有业务服务器，保障数据不出煤矿园区。同 时部署5G核心网代理（和MEC共部署），当外部运营商网络发生故障或断开时，5G核心网代理+MEC确保5G系统能够安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输的可靠、稳定，满足井上井下安全隔离的相关规定。如下图所示：

图1基于运营商的煤矿专网

煤矿专网

5G系统采用矿用5G核心网时，所有应用及控制面信息直接在煤矿园区内闭环，保障数据不出 煤矿园区。与运营商大网连接保证与外网语音和数据的互联互通。

图2 煤矿专网

3.2矿井5G网络基本要求

5G组网架构

——5G组网宜优选SA架构一步到位，MEC就近部署。

——根据井下业务场景和组网方式选择VoNR、EPS fallback（VoLTE/CSFB）的5G 语音 通话方案，优先采用VoNR方式。

——能够实现井下5G无线覆盖，信号强度符合通信要求。

——支持增强移动宽带场景（eMBB）、低功耗大连接场景（mMTC）和低时延高可靠场景 (uRLLC)。

5G组网安全性

——安全策略：应充分考虑NA/NSA切换保障、系统链路冗余等措施。主要设备在停电的情况 下应有至少2小时的续航能力。

——设备入网与取证要求：按照安标国家中心[2020]36号“关于发布煤矿5G通信系统安全 技术要求、安全标志管理方案的通知”办理安标审核手续；5G系统中接入公网的设备应按国家有关规定办理进网许可证。

——组网设备考核指标：

◆矿用5G系统宜采用本质安全型防爆，需要针对性进行研究设计开发，不应简单把应用于地 面的设备加防爆外壳即视为改造完毕。

◆用于控制的矿用5G系统应具有较强的抗干扰能力，必须保证满足“GB/T 17626电磁兼容 试验及测试技术”标准要求。

——基站布设规范需考虑的因素：

◆5G信号接收强度、尤其小区边缘满足的速率要求。

◆巷道条件（巷道类型、安装设备类型、断面、纵向导体、横向导体等）。

◆天线安装位置、方向等。

——供电保障：参考“MT/T 1115-2011多基站矿井移动通信系统通用技术条件”标准。可采 用统一供电法、隔离供电法、总线供电法对节点供电。

04.矿井5G网络系统描述

4.1总体架构

矿井5G通信系统总体架构需包含：

——5G网管平台（NMS）：至少支持矿山用户实现简易的网元设备状态查询和故障查询，支 持本地设备的维护与操作。

——5G核心网平台（5GC）：基于运营商集成及企业集成2种模式，灵活选择核心网部署模式。 核心网的部署需要考虑集团下各个矿井的数据连接及汇聚；同时，部分功能利用边缘计算下沉到矿山园区，实现园区内的数据交换，保障数据不出园区，并满足低时延的业务要求，以及业务分层隔离的切片需求。

——5G传输网络：井下传输网络建议成环部署，一条光纤断路，可用另外一条链路传输，满足

可靠性要求。

——5G无线网络：基于井下无线应用场景（以上行为主），能支持时隙翻转功能（如 UL：DL=3：1的时隙配比），满足井下大容量的视频回传能力，满足设备远控的低时延等要求。

——5G终端：不只需要考虑本安型的通讯智能手机、USB Dongle、CPE；还需要考虑各种 模组内嵌或外接工业设备，以及环境感知等。未来随着5G终端成熟，可逐步把井下远控、环境数据监控、无人驾驶等业务迁移到5G网络上来。

4.2运维平台

网络运维管理系统（NMS）的价值体现在对业务稳定、运行安全和提效降本三个方面的保障与 控制。保障业务稳定，确保信息系统及服务的7×24小时可用性及稳定性是运维的基本目标。保障运行安全，为企业提供安全、可控的信息系统是运维的重要职责。提效降本，通过提升效率降低企业信息系统的运行成本是运维的工作方向。

现阶段，面对第3方或企业自身管理网络诉求，矿用5G系统需要考虑单独的运维管理平台， 对核心网、传输、基站接入以及可能的终端进行管理，同时运营商也可以对并下网络进行远程的运维管理，协助煤矿解决本地无法解决的故障。其中，总体容量考虑512小区以上的接入及管理；硬件考虑基于×86或ARM的刀片服务器。

4.3核心网网络

基于现有5G公网构建的能满足煤矿业务及安全需求，同时向行业用户提供部分网络管理、监测、 独立运维运营等能力的5G核心网，5GC控制面遵循3GPP标准，同时5G UPF&MEC下沉到矿区。

另外，5G核心网可以全部下沉到矿区，包括5GC控制面、UPF&MEC等。

功能要求：

——UPF支持煤矿数据分流功能：支持从煤矿终端、煤矿移动办公终端到煤矿应用系统的数据 分发。

——具备煤矿应用系统平台的能力：1）煤矿部分应用系统可部署在MEC平台上，支持煤矿应 用的生命周期管理功能；2）MEC应提供安全管理功能，包括煤矿应用系统认证和鉴权服务，组网安全防护能力，以及保证数据安全，包含数据加密、数据隔离、数据防靠改、数据访问控制、数据防泄漏等。

——支持网络能力的开放：用户精确位置、带宽管理能力等连接能力被煤矿应用系统调用。

——宜提供计算能力：编解码转换、加解密、GPU、Al等计算能力被煤矿应用系统调用。

——提供NAT功能：可以将分流用户的源地址按分配的煤矿专网地址池进行转换。隐藏了内部 网络结构，通过终端与煤矿服务端构建L2-LAN专线，方便煤矿应用对终端的操控管理。

性能要求：

——煤矿内接入MEC的同时在线会话数不低于1万。

——系统吞吐量不低于10Gbps。

——MEC平台支持APP应用以虚机模式部署，平台资源可根据应用需求灵活扩容。

可靠性要求：

——系统关键软件、硬件应有一定的备份措施，进行N+1或1+1冗余备份。保证系统的不间断 运行，系统应具有软件、硬件故障在线恢复的能力。

——当设备出现故障后，能实现容灾备份保障业务不中断。建议与运营商大网系统间组成资源池， 实现容灾自动切换。

——当井上网络故障或井下井上传输中断时，矿区井下无线业务仍然能可靠稳定运行，至少2 小时以上。

4.4传输网络

对于小型煤矿，可考虑无需切片的10Gbps传输网络；对于中大型煤矿，建议采取50Gbps 及以上支持切片功能的传输网络。

功能要求：

——井下主干网络支持基于SDN管控融合架构，支持业务部署和运维的自动化能力，以及感 知网络状态并进行实时优化的网络自优化能力。

——井下主干网络支持基于灵活以太【FlexE】的切片技术，采用时分复用方式基于以太网物理 层提供硬管道隔离及监视技术，遵从OIF FlexE规范；能够支持丰富的切片颗粒度比如1Gbps、5Gbps等。

——井下主干网络设备支持切片带宽的动态调整，且带宽调整时业务无损。

——井下主干网络支持电信级故障检测和性能管理。

——井下主干网络支持路径保护和节点保护，在发生故障时能进行电信级快速保护倒换。

——井下主干网络设备支持网络级就近转发和设备级物理层低时延转发能力，匹配时延敏感业 务的承载需求。

——井下主干网络设备支持二层和三层业务模型，满足点对点、点对多点、多点对多点业务承 载需求。

——井下主干网络设备支持同步以太网功能，实现稳定可靠的频率同步；支持1588等时间同 步协议，实现高精度的时间同步。

性能要求：

——井下主干网络设备支持100Mbps、1000Mbps的光接口和电接口以及10Gbps、 50Gbps的光接口；且10Gbps、50Gbps光端口最大传输距离不低于40km，具备单纤双向能力。

——井下主干网络设备支持端到端或逐跳检测业务级性能指标（如：时延、流速、丢包等）。

可靠性要求：

——井下主干网络设备应支持交换单元、主控单元、信令控制单元（当支持控制平面时）等主 要功能单元的1+1冗余备份能力。在上述功能单元的冗余单元启动1+1保护后，系统转发性能应不受影响。

4.5无线接入网络

矿井5G无线接入网络包含基站以及终端（含手机、CPE、USB dongle、AR路由器、模组等）。 基站形态可以多样化：1）分布式，分为基站控制器单元（BBU）以及基站射频单元（RRU），中间还可以有中继扩展单元（RHub）；2）集中式：基站控制单元与射频单元一体化，外接天线。

功能要求：

——基于5G基站×T×R的多通道特点，要求多路射频输出阈功率不大于6w。

——满足蜂窝系统通信行业标准规定的蜂窝系统通信功能要求。

——井下无线接入设备具备4G/5G多频多模硬件能力，以及eMBB、URLLC、mMTC业务 能力。

——5G终端接入支持5G蜂窝终端和loT模组的接入认证、访问和处理数据。

——支持数据路由功能，终端、基站到网络的数据路由配置管理。

——支持将工业应用映射为相应的服务等级，管道能力具备差异化SLA控制，能为不同业务如 数据传输类、远程控制类、视频类提供差异化服务等级。

——基站具备定位能力（可选）：支持设备、人员的定位，定位精度要求在米级。

——网络接入的管理要求：1）应支持对蜂窝网络设备的操作和管理功能，可对蜂窝网络功能进 行创建、删除、配置、监控和故障排除；2）应支持对蜂窝网络的实时监控功能，包括关键应用的QoS、蜂窝网络设备的通信和连接状态及一般服务可用性等；3）应支持和工业网络管理系统的对接，宜支持工业网络的故障告警、拓扑生成及设备管理等；4）应支持业务质量可视、可评估（如5G连接的时延、速率）。

性能要求：

——数据传输速率要求；单基站覆盖，最低要求平均吞吐率满足上行160Mbps；边缘上行吞 吐率大于10Mbps/用户。

——并发用户数要求（重点针对视频业务)：单基站覆盖，至少满足30-40个摄像头类终端数 据并发；多路视频并发传送基本无卡顿。

——网络时延要求：对于控制类业务，网络时延<50ms@99.99%。

05.煤矿5G应用生态建设

煤矿5G的深入应用，需要全行业包括煤炭生产企业、系统集成商、网络运营商、网络设备供应商、 煤机装备厂家以及科研院所、高等学校等的协力合作，共同构建创新、协同、开放、合作的煤矿5G应用生态。其中，

◆煤炭生产企业应根据实际情况循序渐进、逐步推进5G在矿井的商业应用。

◆系统集成商需要端到端整合生态厂家，提升矿用5G系统的可用性和适用性。

◆网络设备供应商应针对煤矿特点，持续研发适合矿用的5G通讯产品。

◆煤机装备厂家应加大研发力度，提供具备5G通信能力的各类矿用装备。

◆科研院所和高等学校应加强5G+煤矿智能化基础研究，为产业先进技术提供原动力。

◆相关行业组织应加快推动对煤矿5G应用的场景细分、组网方式选择、建设验收、设备要求等方面的标准研究，促进设备间、平台间的兼容，指导智能煤矿通信基础设施的建设。

煤炭行业应加强5G相关应用技术的研发突破:

◆智能视频应用将从单路摄像机的应用逐步发展为多个摄像机协作与信息关联的全局态势监控。通过5G连接能实现摄像机的快速部署、智能视频的端云协同。应构建行业视频监控数据集，推动矿井智能视频监控的评估标准化。

基于5G智能手机产业链定制的行业智能终端（移动设备/矿灯/AR眼镜），在基本通信功能的基础上，增加矿井所需的生产管理/设备巡检/人员定位等各种功能。未来5G网络作为通信基础设施，可无需部署额外的信标，提供米级的定位能力。

◆井下车辆可以通过5G网络实现车辆的管理/实时运行数据的采集，车队的编排调度；实现车辆超视距的感知，降低交通事故隐患。

◆5G连接可通过增强的5G LAN能力来实现集团下各个矿区之间的互联互通、业务隔离等。

◆基于5G NR的集群语音和调度通信，可以融合目前基于4G专网的语音集群和调度通信。

◆未来700MHz的5G设备及终端可在井下应用，考虑其覆盖距离远，有较强的绕射能力，能够减少站点数量，增加矿用5G网络的适用性。

◆针对井下特殊生产控制场景核心网的微型化、本地化部署与应用，有助于促进5G技术与特定作业场所生产控制的深度结合；井下5G基站的一体化、小型化本安开发，推动与工业环网的逐步有机融合，能够提高井下5G系统的适应性。

煤炭行业应加强矿用5G技术的体系化测试研究，包括网络融合测试、设备功能性能评测、安全性测试评估等，推动技术成熟；伴随着煤矿5G应用生态的成熟，结合煤矿5G应用各类场景，分阶段推动落实煤矿5G业务应用。

图3 矿井5G业务应用

06.附录

6.1规范性引用文件

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本白皮书；凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本白皮书。

表1 规范性引用文件列表

6.2术语、定义和缩略语

下列术语、定义和缩略语适用于本白皮书。

表2 缩略表