“此时此刻，我所在的位置是距离地面534米、阳煤集团新元公司的井下采煤作业区。这里开通了世界首个煤矿井下5G网络，也是世界上距离地表最深的5G网络。本次由新华通讯社为您带来的井下直播，在世界直播史上是第一次……”6月12日，在山西阳煤集团新元公司井下534米处，跟随新华社记者的直播镜头，全球观众通过5G技术，与煤矿井下生产现场来了一次“零距离”接触。
5G能“上”珠峰，也能“下”深井。对于煤炭行业来说，5G技术下井，其作用不仅仅是实现实时通话和高清视频直播，真正意义在于和实体行业深度融合，促进煤炭产业的转型升级、推动煤炭产业链的生态变革。
为什么要推动5G技术下井？
在500多米深的井下机电硐室，一个小小的巡检机器人正沿着轨道自主行走。它虽然个头不大，本领却不小，不仅能进行360度视频监测、音频采集、红外热成像，还能精准记录设备故障发生的时间、地点以及类型。
基于5G技术，巡检机器人通过4K高清视频画面“看到”的所有场景、“感知”到的所有数据都能精准迅速地回传至地面总调度室，便于井上对硐室环境、设备进行远程监测；同样是基于5G技术，职工在地面就可以远程控制机器人的动作。
从远程监测到远程监控，井下机电硐室的作业方式被彻底颠覆，新元公司真正实现了无人值守、无人巡检。
5G技术为什么要下井？
从通信行业来看，5G技术正式投入商用以来，譬如云游戏、云AR/VR、个人视频直播等各种沉浸式实时视频业务风生水起，让消费者耳目一新。
但是，在业内人士看来，消费端的业务提升仅仅是4G技术服务的自然演进。5G技术的巨大价值要得到充分发挥，关键在于工业互联网。
“5G技术具有超大容量、高可靠性的超低时延以及千亿级的海量物联技术优势，其核心是产业互联网。而矿山是产业互联网上的一个重要市场。”清华大学互联网产业研究院副院长刘大成说。
从煤炭行业来看，2019年，煤炭占我国基础能源生产量的69.3%、消费量的57.7%，是我国能源的基石。
据了解，我国现有煤矿5300多处，分布区域广泛，开采地质条件复杂多变，煤与瓦斯突出、冲击地压、水、火等多种灾害并存。推动能源革命，建设安全、高效、绿色的智慧矿山势在必行。今年2月，八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。中国煤炭工业协会副会长刘峰表示，大容量快速通信一直是智慧矿山发展的主要技术瓶颈。5G技术具有超高速率、超低时延、超大连接的特点，能够为煤矿物联网的实现提供有效解决方案。煤矿5G技术的突破与应用，将有力推动我国智慧矿山建设。
“原有的井下数字通信技术对于实现煤矿智能化支撑力不足。”中国工程院院士王国法认为，“恰恰是5G技术广连接、大带宽、低时延的三大特性，契合了煤矿智能化发展的需求。”
“5G技术在煤矿是刚需，是安全生产的坚强保障。”阳煤集团党委书记、董事长翟红说，“根据煤矿井下地质条件复杂多变、支护强度大、信号衰减快等特殊条件，在井下推广无线通信意义重大。5G技术把有线、无线彻底打通，让大家不再因为通道问题而被‘卡脖子’。它不仅具有大家现在所了解的语言通信、信息下载等功能，而且实现了工业监测监控的安全可靠，更是井下安全生产的有力支撑。”
5G技术下井克服了哪些困难？
在新元公司落成的5G煤矿网络，由阳煤集团与中国移动、华为公司联手打造。
2019年9月5日，阳煤集团、中国移动、华为公司成立 5G通信煤炭产业应用创新联盟；2019年9月21日至10月1日，各方多次深入研讨后，确定新元公司为5G技术矿井试点。
“选择新元公司，一是因为这里的煤矿是一座年轻的煤矿，信息化、智能化基础较好；二是因为该公司属于煤与瓦斯突出矿井，开采条件相对复杂，在这里试点成功的话，后续会有较大的推广价值。”翟红介绍。
5G技术与煤矿的结合应用在业内尚属空白，加之井下环境复杂，所有工作都是一边摸索一边研究。
在中国矿业大学（北京）原副校长、教授孙继平看来，5G技术下井，首先要解决的是防爆问题，否则引发瓦斯爆炸的话，好事变坏事。
针对设备安全问题，创新联盟对5G基站进行了特殊防爆改造，成功研发出首款矿用5G基站。
“过去，我们开发的5G基站主要在地表应用。虽然我们之前加强了防水、防尘、防盐等防护工作，但井下的环境更复杂。除了要满足防爆要求之外，还要通过结构化改造，进一步提升设备其他方面的防护等级。另外，井下环境狭小，要求我们把基站做得尽量小型化，功能要尽量强大。”华为公司全球5G市场部部长赵志鹏介绍。
更多创新点让一个个问题迎刃而解，确保5G技术顺利下井。
精准授时。地面上的5G基站由卫星定位系统进行精准的同步授时。如果时间不能同步，设备之间数据传输就会产生误差，如同生活中两个人握手，一个人已经伸出了手，另一个人的手却还静静袖着——对于工业而言，失之毫厘，则谬以千里。
“井下500多米显然无法接收卫星信号。为此，我们专门研发了井下5G基站网络同步授时技术，精度为100纳秒以下，也就是亿分之一秒，保证了网络的高可靠性、高可控性、超高安全性。”中国移动山西分公司能源行业5G技术总监吕乐说。
超千兆上行。“5G技术在生活中应用时，普通消费者需要更多的是下载，但对于矿井来说，则是监测数据上传量大、指令下传量小。”赵志鹏说。为此，创新联盟将传统大下载的上/下行2:8时隙比研发调整为大上传3:1时隙比，单个基站上行峰值速率达到1100Mbps（兆比特每秒）以上，下行峰值速率达到300Mbps以上，满足了工业上传下控的典型应用需求。
数据安全。“我们部署全国首个‘独立组网+边缘计算’架构，实现了主数据处理不出矿，确保了数据安全，降低了数据传输时延。”吕乐介绍。经实际测量，传输时延小于20ms（毫秒）。
根据井下巷道起伏变化的特性，为保证5G网络性能，创新联盟研发了大功率分体式矿用5G BOOK基站和矿用大增益天馈，确保只要通过两个5G基站，就可以为煤矿一个最复杂的综采工作面提供完整、全面、有效的5G网络服务。
中国矿业大学（北京）校长葛世荣认为，在500多米深的井下，5G网络依旧能够安全、稳定运行，并且成功解决了基站设备安全、网络授时、上行数据传输、矿山信息安全等难题，这为矿山5G技术应用闯出了一条新路。
5G技术下井现在能做什么？
“现在我正在小列车集控室，进风巷工作面正常。”5月27日，新元公司跟班队长郗书博在地下534米，“搭乘”5G网络与井上总调度室进行视频通话。井上，总调度室电子显示屏实时显示着井下瓦斯浓度、温湿度和高清采煤场景。旁边，技术人员进行着远程监控操作。
5G网络因其显著的性能优势，革新着传统井下作业模式。
井上看清井下——近年来，井下很多控制系统实现了远程集中监测，但受限于网络带宽的限制，视频清晰度如同“雾里看花”。和4G网络小于20Mbps的上行带宽相比，新元公司5G专网具有超千兆上行带宽，使单站拥有同时传送50路以上4K高清画面的能力，结合视频智能AI分析技术，让技术人员“身临其境”。
井上控制井下——实时控制生产过程一直是煤矿智能化开采“卡脖子”的难题。相较于4G网络、WIFI网络大于50ms的时延，5G网络小于20ms的低时延、快切换和抗干扰、高可靠的能力，使远程控制成为现实。
末端设备轻松“剪辫子”——在井下工业环网的末端，传统处理方式是敷设大量复杂的通信线缆。借助5G网络，职工可以轻松“剪”掉设备通信线缆，同时方便移动设备，大大减少了通信线缆铺设、维护、排障工作量。
井下万物互联、多网归一、统一运算——5G网络海量连接和大带宽的特性，使井下每个系统一张网、信息互相隔离的情况成为过去。同时，借助边缘计算能力，数据的融合统一、统一运算成为现实。
新元公司副总经理王海钢介绍：“目前，我们在新元公司主要推出机电硐室无人巡检、掘进面无人操作、综采面无人操作三项5G技术应用，帮助煤矿实现矿井无人化、自动化、可视化运行，有效解决了传统人工作业操作危险系数高、劳动强度高的问题，同时提升了生产效率。”
“近年来，新元公司井下系统已减少操作人员321人。随着5G技术的应用，集团有望在产能进一步提升的同时，再减少1000人。”翟红表示。
5G技术未来还需要做什么？
6月9日，阳煤集团与中国煤炭工业协会签署了5G+工业互联网与智能化矿山建设企业技术标准框架协议，借助阳煤集团示范项目的原创和先发优势，共同研究制定煤矿5G 总体网络框架、工业互联网应用平台及相关技术要求标准。
“智能矿山，标准先行。”刘峰表示，“标准化应用是煤矿5G技术应用和智慧矿山建设的重要技术基础。”
翟红同样认为，制定煤矿5G技术指导性规范和推荐性标准，有利于指导企业更科学、有效地开展井下应用。尤其是需要明确井下5G专用频段、组网架构、多网融合等关键问题。
“中国煤炭工业协会、中国煤炭学会将按照‘即用先行、开放合作’的原则，联合通信运营商、设备提供商等，尽快开展相关标准研究工作，并在企业技术标准的基础上，逐步升级为行业标准和国家标准。”刘峰说。
结合应用场景对5G网络进行设计优化，深入推进各链条的“剪、看、控”能力，同样是工作重点。
中国移动上海产业研究院副总经理陈豫蓉告诉记者，下一步，要提升5G网络能力，开发通用5G网络物联网模组，实现现有设备“即插即用”，让煤矿“剪”得更放心、更方便；通过不断升级VR高清视频、热成像、激光扫描、智能AI识别等技术，为煤矿提供更加自主灵活的视角，实现暗环境画面可见，让煤矿“看”得更全面、更智能；利用5G+AICDE，让煤矿“控”得更智能。
切实推动5G落地应用，需要整个煤炭上下游产业链行动起来。
“5G技术倒逼我们转变思路，推动基于5G技术的设计理念变革，加强基于5G传输技术的煤矿设备及其智能控制系统的研发。”翟红说。
上海创力电气研究院院长石勇直言，过去，因为没有数据传输通道，采掘设备很多环节上并没有加装传感器。现在，设计人员的思维方式需要彻底转变。
天津华宁公司总经理吴国强表示，基于5G技术，在后续巡检机器人的研发上，要考虑巡检模式和智能识别的功能拓展，考虑电池性能的改善提高等。
5G技术下井将推动煤炭产业链的巨大变革。但5G技术工业应用研发投入大，涉及领域广，需要政府、行业、企业通力合作，成立更广泛的技术应用联盟，互有重点，互通有无，互相借鉴，扩大5G+智能煤矿产业生态圈。
“将来，5G网络会变成像水、电、煤一样的基础设施。当前，越早投入5G技术应用领域创新，越早抢占市场先机。华为公司将和全球的合作伙伴一起，共享经验，统一标准，创造更多价值。”赵志鹏说。
可喜的是，为引导资源共建共享，加快核心技术突破，中国移动联合清华大学、中国矿业大学（北京）、阳煤集团、中煤科工集团、华为公司等70多家单位，于6月18日正式成立了5G智慧矿山联盟。
