目前，国有特大型矿井已基本完成5G 网络部署，应用主要集中于井下高清视频传输等大带宽业务，与核心生产业务的深度融合存在一定的局限性，尤其在煤机装备和工业采集控制系统的无线化应用方面仍需进一步拓展和优化。

煤矿井下离散型采集控制系统涵盖压风管网智能监控、多级供水管网调控、临时排水集控、粉尘浓度在线监测、机电设备智能诊断等数10 类子系统，具有设备节点分散（单矿井平均部署约200套）、网络拓扑复杂的特点。传统有线传输方案巷道布线工程量大、设备扩展性受限、故障定位效率低等痛点，难以适应智能矿山动态组网需求。

针对5G工业模组部署成本高、功耗大等难题，中煤科工集团北京华宇工程有限公司联合陕西能源赵石畔矿业运营有限责任公司（简称赵石畔煤矿）研发了基于3GPP R17 标准的5G RedCap新型工业矿用本安网关，满足低功耗、低成本部署的需求，实现了井下离散采集控制系统的无线轻量化融合接入。结合人工智能和机器学习算法，具备智能预警功能，为实现安全预警低时延、生产调度自优化、资源利用最大化的煤矿新型智能运营决策体系提供数据支撑。

5G RedCap 及关键技术

5G RedCap 是3GPP在R17 标准中定义的轻量化5G技术。通过降低带宽和天线数量等精简模式，减少设备成本与功耗，主要服务于工业传感器、智能穿戴、视频监控等中高速物联网场景，具备毫秒级低时延、99.99%高可靠性和长续航优势，设备成本较传统5G降低约70%，5G RedCap 与其他技术能力对比见表1。

表1　5G RedCap 与其他技术能力对比

基于5G RedCap 新型工业矿用本安网关，实现了井下离散采集设备与5G网络的数据交互。汇聚采集设备数据，按照 5G RedCap 协议进行编码、调制等处理，然后通过 5G 无线信号传输至地面核心网，实现数据的远程传输；同时接收地面调度中心控制指令，解析后下发至相应采集设备，实现双向通信，应用场景示意如图1所示。

图1　应用场景示意

（1） 低功耗设计技术

选用低功耗的芯片组和电子元器件，优化硬件电路设计，降低整体功耗。采用高效的电源管理芯片，动态调整设备工作电压和频率。开发智能休眠与唤醒机制，在设备空闲时进入低功耗休眠状态，当有数据传输需求时能快速唤醒，进一步节省设备资源。

（2） 高可靠通信技术

煤矿井下环境复杂，信号易受干扰，为保证通信可靠性，物理层采用分集接收技术，通过多个天线接收信号，合并处理信号后增强信号强度，降低信号衰落影响；链路层使用自动重传请求机制，当数据传输出现错误时，自动请求重传，确保数据准确无误传输；网络层支持 5G LAN 等新型网络技术，保障网络稳定连接与数据高效传输。

项目价值及创新优势

（1） 井下离散采集控制系统的无线化接入

通过优化现有井下离散采集控制系统组网形式，离散采集系统各分站或控制箱5G无线化接入生产综合监控环网，实现了信息5G无线上传、远程监测及监控功能。优化了现有网络架构，由有线串行连接改为无线星型方式，减少故障点，可靠性提高20%；解决了光纤连接的有线网络部署不灵活、耗资大、维护成本高等问题。无线化部署单矿减少线缆铺设，离散点无线化接入满足井下巷道动态变化的场景需求，部署灵活性及便利性提升了30%；实现了5G技术与生产业务的深度融合。

（2） 井下离散采集控制系统轻量化接入

针对井下各类离散采集控制系统，完成压风管网监控、井下供水管网监控、临时排水、粉尘监控等系统轻量化接入应用场景研究。针对采集系统无线传输性能要求为带宽>10 Mbit/s，时延<50 ms，且由于数量庞大，对成本功耗要求较高，研发制造了5G RedCap 新型工业矿用本安网关的，并基于该网关实现了井下离散采集控制系统轻量化接入。

（3） 井下离散采集控制系统融合接入

通过5G RedCap 物联网，实现了井下各类传感器、摄像头、巡检机器人等海量中低速设备数据的融合接入，结合人工智能和机器学习算法，系统具备智能预警控制等功能。在压风管网监控中，AI 实时监控管网压力曲线，结合历史数据预测压力突变风险，自动调整供气策略。离散数据的融合接入也为实现后期安全预警零延迟、生产调度自优化、资源利用最大化的煤矿新型智能运营决策体系提供了数据支撑。

应用效果

项目成果在煤炭行业适用场景包含井下离散采集控制系统、选煤厂DCS系统、智能采掘等其他生产系统、地面离散接入点、井下车载终端、巡检机器人等移动终端。非煤炭行业适用场景包含电力、化工、智慧城市物联网建设等。项目首次实现了5G技术与煤矿生产业务的深度融合，成功适配了5GRedCap 新型工业模组与生产场景。5G RedCap 在煤矿井下的应用如图2所示。

图2　5G RedCap在煤矿井下的应用

结 语

赵石畔煤矿井下各离散采集控制系统均采用无线化部署后，所有数据通过5G通信系统传至地面综合管控平台，节省单人每天运维时间6 h，单矿减少下井人员约60 人，每年节省人工成本1 140 万元，单矿减少85 km的线缆铺设长度，一次性节省379 万元的布线成本。首次实现了5G RedCap 技术在煤矿井下的创新应用，弥补了业务短板，复制性强，可作为样板工程快速推广；通过煤矿辅助生产系统无线化、少人化，实现绿色节能减排，助力实现“双碳”战略目标。

策划：李金松 编辑：钱小静