内蒙古智能煤炭有限责任公司采煤机5G远程控制商用纪实
作为5G实践的先锋，内蒙古麻地梁煤矿在综采面核心生产环节上实现了5G远控，并保持常态化运行，在 “少人则安、降本增效、为矿工谋幸福”的道路上迈出了坚实的一步。
文/内蒙古智能煤炭有限责任公司党委书记、董事长 吴劲松
华为运营商BG XtoB工作组 张艳辉
2022年09月
内蒙古智能煤炭有限责任公司位于内蒙古准格尔旗西南部，是由皖北煤电集团控股的现代化企业。从呼和浩特驱车200公里来到此地，全程需3个多小时，一路沟壑纵横，犹如大地的脊梁，雄壮而沧桑。
内蒙古智能煤炭有限责任公司的麻地梁煤矿，为井工煤矿，核定生产力800万吨/年。矿井于2017年开始智能化建设，2019年4月10日，公司获批内蒙古自治区第一批智慧矿山试点示范企业，煤炭企业仅此一家。作为5G实践的先锋，我们早在2019年10月就在地面部署了5G网络，开展5G高清视频及主斜井皮带机巡检机器人5G组网试验；2020年6月在井下部署了5G网络，将5G应用于矿山最核心的生产系统——采煤机5G远程控制。
煤矿地处偏远，井下工作环境恶劣，员工年龄老化、从业人员断档严重是煤炭行业潜在的危机：40岁以上占比高达63%，30岁以下仅占11%，煤矿招工难已开始显现。
安全是煤矿的刚需和底线。煤矿井下环境封闭、条件复杂，冲击地压、瓦斯爆炸、透水等事故多发。2020年，中国每开采百万吨煤死亡0.059人，虽然较2016年大幅下降63.6%，但煤矿事故仍然频发，2020年死亡225人。
图1 煤矿从业人员年龄分布 来源：现代商贸工业，2020.8
图2 安全事故逐年减少，死亡率大幅下降（来源：国家应急管理部、国家矿山安全监察局、中国煤炭工业协会）
近几年来，内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿一直致力于借助5G等数字技术，助力传统煤炭行业转型升级、克服行业危机，实现可持续发展。
一、为什么选择5G技术对采煤机进行远程控制？
井下的综采面是煤矿生产的核心环节，所有的煤都从这里开采然后进行转运。传统综采工作面灯光昏暗、噪声轰鸣、灰尘潮湿，这里既是整个煤矿最核心的生产环节，也是井下最危险的地方之一。现在，5G低时延让地面远程控制成为可能。工人的工作环境可以从恶劣的地下，转到舒适，明亮，干净的地面集控中心。
在许多场景中，比如采煤机割煤，采煤机时刻处于移动状态，远程控制对时延要求极其敏感，过去我们曾经探索过其他的技术，光纤有线易折断，而无线技术，如4G和WIFI又有时延高、不稳定的情况，会造成采煤机停机保护，生产中断。
因此，从矿方的角度来看，5G远控的商用标准是：1．从井上直接遥控井下；2．保证5G远控长期常态运行。
然而，即使是5G技术，最初也不能很好地适应井下环境。综采面环境复杂，充满不确定性，例如：采煤机割煤，每刀800mm，液压支架跟机移动，可能会出现后面的5G信号被前面的支架遮挡，甚至造成非视距的情况；另外，还存在诸如采煤工作面金属物多，“多镜效应”导致5G网络不稳定等情况。麻地梁在2020年9月便完成了采煤机5G组网对接、控制试验，但由于使用5G CPE单链路远程控制的方案时，出现了时延不稳定情况，导致采煤机频繁地停机保护，既影响了生产，也影响了麻地梁对5G的信心。为此，华为公司作为牵头人，大力开展矿用5G技术的难点攻关，保障5G应用场景落地，避免大部分煤矿企业知难而退，拒绝5G。
2021年3月30日华为协同多方伙伴进行了入井检测，发现综采面5G网络时延波动大，甚至偶尔会跳变到上百毫秒，哪怕发生一次大时延跳变，采煤机就会触发停机保护。作为煤矿最核心的生产设备，采煤机是煤矿的生命线，如何保证它的5G远程控制稳定运行至关重要。
二、5G远控商用是如何实现的？
面对挑战，在华为、麻地梁煤矿、运营商、终端&工程厂商、装备厂商的五方协同下，通过四大举措，大力开展矿用5G技术的难点攻关，全球首个采煤机5G远控商用得以实现。
图3 采煤机5G远程控制总览图
1．5G远控技术创新-AR双发选收
合作方：华为+麻地梁+装备厂商（上海天地）+运营商（内蒙移动）
5G虽然提供了低时延，但稳定可靠的低时延才是5G远控商用的核心。综采面环境复杂，实践证明，无线单链路无法保证远控稳定运行。
图4 AR双发选收原理图
华为通过独有的AR双发选收技术，为5G控制提供稳定可靠的低时延，使能矿山远程控制类业务。AR双发选收技术，在发送端对控制流进行复制，利用两个空口冗余发送相同的报文；谁先到达接收端就选择哪一路报文，从而实现“系统级”时延最优，克服某一路空口突发大抖动影响，实现时延的稳定性大幅提升。
图5 麻地梁煤矿综采面
2．OT/CT适配和预验证
合作方：装备厂商（上海天地）+华为+终端&工程厂商（上海山源）
为了现场高效实施，把对生产的影响降到最低，采煤机的5G 远控在煤矿部署之前，必须在实验室搭建模拟环境，进行预验证 。在该项目中，上海天地提供采煤机控制单元、上海山源提供矿用5G CPE，华为提供AR502H-5G和5G专网，三方联合进行测试验证。
图6 实验室预验证组网图
首先是OT/CT网络打通，然后是双发选收功能验证、主备倒换门限测试、采煤机停机保护真实门限验证（这个将决定在实际环境中最恶劣的RTT时延上限）；还需要装备厂家做OT参数调整和版本迭代，如初始验证是基于5G为主、光纤为备的方案，但采煤机控制链路会在5G和光纤频繁回切，产生乒乓效应，从而导致系统挂死，因此需要修改采煤机内部交换机的5G检测机制和优化链路倒换门限等。
3．工程优化
合作方：麻地梁+终端&工程厂商（上海山源）+装备厂商（上海天地）
实操过程还必须考虑工程因素。包括隔爆5G AR、隔爆CPE需要安装在采煤机腔体内部并做减震处理；另外，5G AR和CPE外置天线支架的设计要考虑可安装性；为了尽量保证两路无线信号的差异性，5G CPE和5G AR天线要拉开一定距离（如麻地梁两者间隔6米）；还需要做AC/DC转换给AR和CPE供电（如麻地梁220V AC/24V DC 转换）等。
图7 麻地梁煤矿综采面
4．网络优化
合作方：运营商（内蒙移动）+华为+终端&工程厂商（上海山源）
实践证明，网络优化必不可少。首先需对井下工作面无线环境进行路测摸底；并根据摸底情况进行天线调优、参数调优，保证综采面处于一个较优的无线环境。
图8 测试结果数据（备注：纵轴单位为秒，采煤机每40ms发送一个检测报文。）
2021年8月5日，采煤机5G远控完成所有安装、调测，启动试运行。由于没有先例，我们战战兢兢，采煤机5G远控能否稳定运行，唯有交由时间来验证。与此同时，我们和华为、内蒙移动合作，对网络指标（RTT时延、抖动、RSRP等）进行了50天的持续跟踪，测试效果良好，期间采煤机实现“0”中断的正常运行。该系统稳定运行，标志着5G远控正式走向商用，在煤炭行业“少人则安、降本增效、为矿工谋幸福”的道路上迈出了坚实的一步。
三、5G远控的价值
2021年9月29日，工信部连线麻地梁矿，我们汇报了5G智能化建设的情况，尤其是采煤机5G远控的商用情况，获得工信部的高度认可；2021年11月7日，经过为期3天的严格对标检查，内蒙古自治区智能化矿山评估验收组及专家组一致认定：麻地梁顺利通过智能化矿山评估验收。采煤机5G远控在智能化验收中成最大亮点，我矿产能由500万吨/年提升到800万吨/年。
麻地梁煤矿的5G远控正式商用，拉开了5G进入矿山核心生产系统的序幕，也给我们带来了切实的价值。
少人：单个采煤工作面入井减少9~15人；
降本：光电复合缆节省600米/工作面，节省成本60万元/年/工作面；
提效：采用煤机5G远控，避免了光纤断裂导致生产中断，确保了设备开机率，增加了产能和产值；
提升员工幸福感：综采面采煤机司机等工种，他们的工作可以从恶劣的井下，转到舒适、明亮、干净的地面集控中心。
麻地梁采煤机5G远控常态化运行，极大鼓舞了煤矿行业对5G进入核心生产系统的信心。进入2022年，5G矿山在中国已经呈现燎原之势，相信5G将进入更多矿山核心生产系统，为矿企带来切实价值，为传统行业的数字化转型贡献力量。
