煤矿5G指挥调度系统

科能煤矿5G指挥调度系统作为新一代矿井通信基础设施，通过融合5G通信技术、边缘计算、网络切片和AI智能分析等前沿技术，构建了井上井下一体化、高可靠、低时延的"一张网"通信环境。该系统不仅实现了矿井生产数据的实时采集与传输，还支持设备远程控制、人员定位、视频监控等多样化应用场景，为煤矿智能化建设提供了重要技术支撑。科能煤矿5G指挥调度系统通过本质安全型基站设计、双频混合组网、网络切片隔离和边缘计算本地化处理等技术手段，解决了传统煤矿通信系统覆盖不足、带宽有限、时延过高等痛点，成为实现"少人则安、无人则安"战略目标的关键技术路径。

1. 系统架构设计与组网模式

科能煤矿5G指挥调度系统采用分层架构设计，包括无线接入层、传输层、核心网层和应用层，实现了井上井下通信的无缝衔接。在无线接入层，系统主要由本安型矿用5G基站、基带处理单元(BBU)、远端数据汇聚单元(RHUB)、微型射频拉远单元(pRRU)和5G CPE等设备构成。其中，本安型矿用5G基站是系统的核心组成部分，符合GB/T 3836.4-2021《爆炸性环境第4部分：由本质安全型"i"保护的设备》标准，采用多路电源供电设计(8路隔离电源)，射频输出功率控制在6W以内，确保在瓦斯等危险环境中安全运行 。基站体积小(重量<15kg)、安装便捷，支持级联传输，解决了传统光纤易损坏且移动不便的问题。

在传输层，系统采用IPRAN万兆工业环网与SPN技术相结合的方案，实现井下数据的高效传输。传输距离方面，BBU与井下5G基站之间的拉远距离支持至少10公里，井下5G基站覆盖距离不小于400米，通过基站级联可实现更远距离覆盖(可达1200米)，尤其在巷道弯道和坡道等复杂地形中，通过在弯道切点位置布置天线，确保信号连续覆盖 。在组网方式上，系统支持三种模式：一是独立组网模式，通过企业级核心网实现井下5G网络的自主运行，确保数据不出矿区；二是公网专用模式，通过共享运营商基站资源但下沉用户面功能(UPF)到矿区，实现业务数据本地终结；三是混合组网模式，结合700MHz低频段(覆盖广)与2.6GHz高频段(带宽高)，形成优势互补的网络架构，如大海则煤矿采用的700MHz+2.6GHz双频组网方案，覆盖能力提升50%，建网成本降低40% 。
核心网层采用轻量化设计，支持双机热备和边缘计算(MEC)下沉，确保系统高可靠性(达99.99%)和低时延(端到端时延<10ms) 。系统还支持网络切片技术，为不同业务提供差异化服务：eMBB(增强移动宽带)切片满足视频监控等高带宽需求，uRLLC(超可靠低时延通信)切片保障远程控制等关键业务的可靠性 。例如，王家岭煤矿通过建立面向井下视频监控和可视化操控的eMBB切片，以及面向智能化工作面的uRLLC切片，实现了业务隔离与资源优化配置 。

2. 系统核心功能特点与技术实现

科能煤矿5G指挥调度系统的核心功能特点体现在多个方面，其技术实现方式也各具特色。首先是多系统融合调度功能，系统支持无线/有线/广播/人员/车辆调度等多系统融合应用与调度指挥，通过一套核心网整合语音、视频、数据业务，实现了"三融合"(应用融合、核心融合、基站融合)的设计理念。在语音调度方面，系统支持组呼、全呼、强拆、强插、紧急呼叫等完整调度功能，满足矿方的各种调度需求。同时，系统支持与运营商网络互联互通，实现煤矿5G网络与运营商5G/4G网络融合，达到语音、视频、数据业务的互联互通。
其次是网络切片技术，系统通过为不同业务分配差异化资源，实现了高可靠、低时延的通信保障。具体而言，系统采用3U1D帧结构启动超级上行模式，提升上行速率至200Mbps以上，满足掘进面、综采面、变电所等场景高清视频回传需求 。网络切片的动态资源分配机制通过实时监测网络负载和用户需求，智能调整切片中的带宽、频谱和计算资源，例如当5G信号时延超过100ms或强度不足时，系统能够自动切换至专用光纤，确保通信不中断 。此外，系统还支持PCF策略下发至UPF，实现数据本地闭环处理，如井下视频不外传，同时支持云化PLC远程控制，为设备提供精准操控 。
第三是边缘计算与本地数据闭环，系统通过MEC边缘计算平台实现数据本地处理，避免敏感信息外泄。MEC平台与UPF协同部署，支持三种方式：集成部署(UPF与MEC合一)、分离部署(物理隔离)和部分共享(CT类与IT类业务分开) 。在实际应用中，MEC负责数据预处理，企业云负责模型开发与优化，两者协同工作，实现数据高效管理与价值挖掘 。例如，AI煤岩识别算法通过5G传输高清图像数据至MEC，边缘侧部署轻量化DenseNet模型，实现煤岩界面的实时识别与控制，准确率达96.05%(PA)和91.54%(IOU) 。
第四是本安基站与安全设计，系统采用符合GB/T 3836标准的本安型基站，通过多路隔离电源、射频功率限制和冗余级联部署等技术手段，确保通信安全 。基站内部模块启动具有优先级，优先启动万兆以太网板卡，确保核心链路稳定；其次启动UWB精确定位模块，确保人员定位数据第一时间传输；再启动5G基站模块，最后启动WiFi6模块，这种设计既满足了高安全性要求，又优化了资源分配 。

3. 系统在煤矿智能化建设中的典型应用场景

科能煤矿5G指挥调度系统在智能化建设中展现出广泛的应用场景，显著提升了生产效率与安全性。首先是远程控制与自动化应用，系统实现了综采工作面、掘进机、水泵房、变电所等设备的地面远程操控，大幅减少井下作业人员。例如，大柳塔煤矿通过5G数字孪生技术，实现了"采煤机记忆割煤+支架自动跟机移架+远程集控"模式，工作面自动化率达92%，生产班人数从12人锐减至5人，工效提升60%，实现了"井下2人巡视、地面2人监护、1人带班"的常态化运行。王家岭矿通过5G网络实现了井下20个主要硐室、运输系统的无人值守，减员102人，显著降低了安全风险 。伊敏露天矿应用5G-A网络，实现了百台无人电动矿卡集群的L4级无人化作业，运力超过人工值的120%，创造了90吨全球最大吨位、40km/h最快运行速度、-40℃最低运行温度三项纪录。
其次是无人驾驶与运输优化，系统通过5G+UWB定位+SLAM融合技术，实现了井下卡轨车、胶轮车的远程控制与无人驾驶。例如，大海则煤矿通过700MHz+2.6GHz+WiFi6+UWB融合基站信号，实现井下无人驾驶车辆准确定位，单辆无人车最少5路高清视频和1路点云地图数据流传输，平台端可监控车辆轨迹姿态等信息，实现一控多车的远程作业目标 。系统还支持在路口盲区通过部署路侧系统传感器(毫米波、雷达、摄像头)，将非无人驾驶车辆、行人数据实时传送至无人驾驶5G终端处，补充了无人驾驶盲区无法检测的弊端，实现了自主感知、躲避障碍、精准定位等功能 。
第三是高清视频监控与AI分析，系统支持井下大量高清摄像头的视频回传与实时分析。例如，金岭煤矿通过5G-A网络实现了上行速率1.1Gbps，能够满足100多路高清摄像头的视频回传需求
。系统通过AI平台进行煤岩识别、设备故障检测和人员违规行为分析，如大柳塔矿的AI智能管控平台可实时监测采煤机运行轨迹、支架状态等参数，实现精准控制。此外，系统还能识别胶带机堆煤、跑偏等情况，以及及时发现人员进入危险作业区等行为，为安全管理提供依据 。
第四是安全管控与应急响应，系统通过双预控系统APP实现隐患上报、风险定位推送，确保管理人员及时收到与本人相关的信息 。同时，系统还支持与运营商网络的安全互通，通过防火墙、加密和流量鉴别等技术，实现数据安全传输。在"三断"(断网、断电、断路)模拟场景下，中国广电的RedCap应急广播终端通过700MHz堡垒基站实现应急信息实时收发，时延控制在1ms以内，远优于传统4G的150ms，为构建高可靠应急广播体系提供了新路径 。
第五是设备健康监测与远程诊断，系统通过5G传输传感器数据，结合AR/VR技术实现设备远程故障诊断。例如，大海则煤矿的故障诊断界面支持实时监测并回传井下作业情况的高清视频，便于地面操作人员及维修工作者远程运维，发现设备故障第一时间进行远程诊断并修复 。系统还支持设备状态的预测性维护，通过分析历史数据，提前发现潜在故障，减少非计划停机时间，提高设备可靠性。
第六是机器人集群应用，系统支持多种井下机器人的远程控制与协同作业。例如，陕煤蒲白建庄矿业公司的智能喷浆机器人通过5G实现地面远程可视化集控，操作工可在视线最佳、空气最好的位置远程操控喷浆机器人摇臂进行喷浆，降低了劳动强度，提高了喷浆质量和效率，较之前人工喷浆效率可提升30%，降低回弹率至20%以下。此外，系统还支持巡检机器人、锚杆支护机器人、喷浆机器人等8类智能装备的远程控制，有效改善了井下作业环境，降低了工人作业强度 。

4. 四、系统实施价值与未来发展趋势

科能煤矿5G指挥调度系统的实施价值主要体现在安全、效率、经济和管理四个方面。安全价值方面，系统通过本质安全型基站设计、双预控系统和网络切片隔离技术，显著降低了井下作业风险。例如，双预控系统APP融合人员精确定位系统，对检查人员进行准确定位，通过手机终端实现风险、隐患、三违信息、重点人员预警信息等的精准定位推送，提高了安全管理的精准度 。同时，系统支持与立体调度指挥系统智能联动，自动定位被叫对象位置，智能搜索并展示周边人、车、固话、手机、广播、摄像仪、智能单兵等信息化设备，为调度指挥提供更高效、精准的决策依据。
效率价值方面，系统通过远程控制和自动化技术，大幅提高了生产效率。例如，三道沟煤矿通过基于5G的数字孪生智能生产协同管控技术，实现了综采队人数由原来的78人降至58人，回采工效由4.49万t/人提高到6.25万t/人，每年可创造利润1230万元；同时，通过优化开采方案，提高了开采速度和工作效率，加快了煤炭产量，提高了煤炭资源的回收率，每年可多回收原煤8.9万吨，增加利润4450万元，合计年利润增加5680万元 。此外，系统还支持设备群及整套作业工序的智能远程控制，实现了"井下2人巡视、地面2人监护、1人带班"的常态化运行，工效提升60%。
经济价值方面，系统通过混合组网和轻量化设计，降低了建设成本和运维复杂度。例如，大海则煤矿通过700MHz+2.6GHz融合网络，建网成本降低40%，时延降低35%，设备重量降低90%，工程成本降低60%。同时，系统还支持与运营商网络的互联互通，实现了井下与地面5G网络通过网闸后实现数据互通，将工业网络与公用网络数据流量鉴别，降低了网络建设和运维成本 。
管理价值方面，系统通过打破数据孤岛，实现生产、安全、设备数据的统一分析与可视化调度。例如，王家岭矿的综合管控平台实现全矿的监、管、控一体化，全环节数据集成化，全场景数据可视化，多维度数据汇集、数据分析、智能控制和智慧协同，实现了对矿山的有效监管 。三道沟煤矿的数字孪生系统将综采工作面从井下"搬运"到地面，生产时只需人员地面操作，提高了数据利用率(50%)和综合管理效率(40%) 。
未来发展趋势主要体现在以下几个方面。首先是5G-A与RedCap技术的融合应用，系统将向更高性能、更低功耗方向发展。例如，金岭煤矿已实现5G-A网络覆盖，上行速率可达1.1Gbps，显著提升了数据传输能力。RedCap技术将降低终端功耗和成本，扩大5G在煤矿设备中的应用范围，如中国广电已在多个省市完成5G RedCap新型应急广播终端技术试点，覆盖半径分别达20.1公里和11.1公里，为构建高可靠应急广播体系提供了新路径 。
其次是数字孪生与5G的深度结合，系统将实现更精准的虚实同步与远程操控。例如，三道沟煤矿通过基于5G的数字孪生技术，实现了工作面信息传输高速"运+行"，网速达到10Gbps，保障了数字孪生系统的高可用性与高效性 。系统通过三维地质动态快速建模技术，实时更新煤层模型，为采煤机自主规划截割提供数据支撑，大幅提高了工作效率 。同时，系统还能实现对井下现场生产工艺信息的自动提取、实时跟踪及可视化展示，为智能决策提供支持 。
第三是L4级无人驾驶的普及应用，系统将支持更复杂的井下环境感知与智能决策。例如，伊敏露天矿应用5G-A网络，实现了百台无人电动矿卡集群的L4级无人化作业，每天运输时长达22小时，运力超过人工值的120%，创造了多项世界纪录。系统通过毫米波雷达穿透厚重扬尘，激光雷达以厘米级精度绘制实时地图，5G-A网络将设备指令的传输时延控制在20毫秒以内，使无人矿卡能够在极端环境下实现24小时不间断作业。
第四是政策驱动与标准完善，系统将获得更强的政策支持和更完善的行业标准。国家能源局《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(2020年)和《首批智能化示范煤矿建设通知》(2020年)明确将5G技术列为智能化建设核心支撑，推动行业标准制定 。国务院办公厅印发的《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》提出，在矿山安全领域集成云计算、工业互联网、无人驾驶等技术，实现智能感知、智能决策、自动执行、综合管控，提升矿山安全生产全流程自动化水平，构建生产条件实时感知、过程可视可控、风险可测可防、要素可调可配的高水平矿山安全生产智能化应用场景。这些政策导向正在推动企业加速技术投入，实现从"可行"到"高效"的跨越。

5. 系统实施案例与成效分析

科能煤矿5G指挥调度系统已在多个矿企成功实施，取得了显著成效。以中煤华晋集团王家岭矿为例，该项目通过构建5G"一张网"，实现了井上井下一张网，形成网络"双连接" 。系统采用专用频段部署独立5G核心网和基站，打造矿井数据自控、本地闭环的5G专网，实现井下变电所、水泵房、工作面设备群的5G无盲区覆盖 。系统支持地面对井下设备的远程控制，如供电系统、排水系统、工作面集控系统等，并实现有线和5G无线两套通信控制模式的自动切换 。

在技术实现上，王家岭矿5G专网采用矿用5G移动通信网络架构，包括地面的核心网元(企业级核心网)、基带控制单元(BBU)、远端数据汇聚单元(RHUB)、微型射频拉远单元(pRRU)和5G CPE(信号转换器)等设备 。井下安装9台5G基站，4台BBU和4台HUB，实现井下5G无线信号覆盖；地面建设室外宏站6个，覆盖厂区各区域 。系统通过网络切片技术，将安全生产、内部管理、外部服务三大类业务隔离承载，确保关键业务的可靠传输 。

系统实施效果显著：网络时延降低至10ms以内，可靠性达到99.99% ；实现了井下设备的远程精准控制；通过5G网络与TSN技术的融合，解决了工业生产设备及移动设备无线接入工业互联网的问题，提供了更好的可靠性和传输延迟 ；在实际应用中，系统支持井下与地面5G网络通过网闸后实现数据互通，并将工业网络与公用网络数据流量鉴别，实现信息事件急时化和调度管控效率化 。
以大海则煤矿为例，该矿通过5G技术实现了井下固定场所及设备作业点的远程集中控制。目前已建成全国首个大倾角厚煤层远距离智能化综放工作面，井下20个主要硐室、运输系统实现无人值守、远程集控，减员102人 。系统还实现了井下系统大巷的卡轨齿轨车远程控制和无人驾驶，通过SLAM融合700MHz+2.6GHz+WiFi6+UWB融合基站信号，实现井下无人驾驶车辆准确定位 。系统支持单辆无人车最少5路高清视频和1路点云地图数据流传输，平台端可监控车辆轨迹姿态等信息，实现一控多车的远程作业目标 。
以神东煤炭大柳塔煤矿为例，该矿通过5G数字孪生技术，实现了"采煤机记忆割煤+支架自动跟机移架+远程集控"模式，工作面自动化率达92%，生产班人数从12人锐减至5人，工效提升60%，实现了"井下2人巡视、地面2人监护、1人带班"的常态化运行。系统还支持井下与地面5G网络通过网闸后实现数据互通，并将工业网络与公用网络数据流量鉴别，实现信息事件急时化和调度管控效率化 。
以金岭煤矿为例，该矿与中国移动、华为公司合作，先行先试5G-A技术，于2023年10月在全国率先实现矿井5G-A网络覆盖。按照智慧矿山"1+1+N"(一张网、一个平台、N个系统)建设规划，目前已实现了5G信号井下重点区域覆盖，建成了拥有45个综合安全监测监控子系统的数字化智能调度中心，实现煤矿整个系统信息共享、数据互通、一键启停、实时监测。系统上行达1.1Gbps，能够满足100多路高清摄像头的视频回传；且5G-A基站设备覆盖距离较原有5G网络设备提升50%，部署成本降低30%以上。

6. 系统部署挑战与解决方案

科能煤矿5G指挥调度系统的部署面临诸多挑战，需要针对性的解决方案。首先是井下环境复杂带来的部署挑战，包括巷道狭长、多分支、巷道壁对无线电波的吸收与干扰、强电磁干扰、高粉尘环境等 。针对这些挑战，系统采用微基站进行部署，相比宏基站更适合井下空间狭小、设备布设复杂的环境 。同时，系统采用异频冗余覆盖技术，在同一区域部署两台矿用5G基站，实现5G信号冗余覆盖，提高覆盖的可靠性 。基站还采用紫铜为散热基板，通过全贴合密集通道散热方法提高散热效率，增强基站长期运行的稳定性 。
其次是网络性能保障挑战，包括大带宽需求与信号覆盖范围小的矛盾、低时延与高可靠性的平衡、海量设备接入的管理等。针对这些挑战，系统采用700MHz+2.6GHz双频混合组网方案，700MHz频段穿透力强、覆盖远、时延低、抖动小，适合井下基础覆盖；2.6GHz频段提供大带宽，满足高清视频回传需求 。系统还采用3U1D帧结构启动超级上行，提升上行速率至200Mbps以上，满足掘进面、综采面等场景的高清视频回传需求 。此外，系统通过网络切片技术，为不同业务分配差异化资源，如eMBB切片满足视频监控等高带宽需求，uRLLC切片保障远程控制等关键业务的可靠性，实现低时延(端到端时延<10ms)与高可靠性的平衡 。
第三是多系统融合与数据安全挑战，包括传统系统与5G系统的兼容性、数据孤岛问题、敏感信息外泄风险等。针对这些挑战，系统采用"三融合"设计理念，支持无线/有线/广播/人员/车辆调度等多系统融合应用与调度指挥。核心网下沉至矿区，结合MEC实现数据本地处理，避免敏感信息外泄 。同时，系统支持与运营商网络的安全互通，通过防火墙、加密和流量鉴别等技术，实现数据安全传输 。
第四是运维管理与人才培养挑战，包括系统运维复杂度高、专业人才短缺等。针对这些挑战，系统采用模块化建设，支持按照院区规模分期部署，快速试点、灵活扩展 。同时，系统支持与运营商网络互联互通，实现煤矿5G网络与运营商5G/4G网络融合，达到语音、视频、数据业务的互联互通，弥补了矿井因信息化及智能化人才短缺造成运维困难的不足 。例如，庞庞塔煤矿通过5G智慧矿井解决方案，实现了矿井云端控制，通过边缘5G终端实时采集各项数据及参数信息发送至私有云，计算结果反馈至井下边缘5G终端的执行工具，计算资源部署集中在煤矿数据中心私有云，传输时间和云端处理时间累计小于100ms，满足了井下设备的远程精准控制需求。