北京華宇：5G-RedCap創(chuàng)新應(yīng)用賦能趙石畔煤礦，設(shè)備運維成本降低40%

針對5G工業(yè)模組部署成本高、功耗大等難題，中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司聯(lián)合陜西能源趙石畔礦業(yè)運營有限責(zé)任公司（簡稱趙石畔煤礦）研發(fā)了基于3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)的5G RedCap新型工業(yè)礦用本安網(wǎng)關(guān)，滿足低功耗、低成本部署的需求，實現(xiàn)了井下離散采集控制系統(tǒng)的無線輕量化融合接入。結(jié)合人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，具備智能預(yù)警功能，為實現(xiàn)安全預(yù)警低時延、生產(chǎn)調(diào)度自優(yōu)化、資源利用最大化的煤礦新型智能運營決策體系提供數(shù)據(jù)支撐。

文章來源：《智能礦山》2025年第4期“技術(shù)裝備推廣”欄目

第一作者：梁沫，高級工程師，現(xiàn)任中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司西北設(shè)計研究院副總經(jīng)理、中國煤炭建設(shè)協(xié)會勘察設(shè)計委員會信息化專業(yè)部秘書長，主要從事礦井智能化設(shè)計及應(yīng)用研究工作。E-mail：liangmo@bhec.cn

作者單位：中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司；陜西能源趙石畔礦業(yè)運營有限責(zé)任公司

引用格式：梁沫，李智飛，董云峰，等.5G-RedCap在煤礦井下離散采集控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研發(fā)[J].智能礦山，2025，6(4)：58-60.

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生產(chǎn)業(yè)務(wù)的深度融合存在一定的局限性，尤其在煤機裝備和工業(yè)采集控制系統(tǒng)的無線化應(yīng)用方面仍需進(jìn)一步拓展和優(yōu)化。

煤礦井下離散型采集控制系統(tǒng)涵蓋壓風(fēng)管網(wǎng)智能監(jiān)控、多級供水管網(wǎng)調(diào)控、臨時排水集控、粉塵濃度在線監(jiān)測、機電設(shè)備智能診斷等數(shù)10類子系統(tǒng)，具有設(shè)備節(jié)點分散（單礦井平均部署約200套）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜的特點。傳統(tǒng)有線傳輸方案巷道布線工程量大、設(shè)備擴(kuò)展性受限、故障定位效率低等痛點，難以適應(yīng)智能礦山動態(tài)組網(wǎng)需求。

針對5G工業(yè)模組部署成本高、功耗大等難題，中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司聯(lián)合陜西能源趙石畔礦業(yè)運營有限責(zé)任公司（簡稱趙石畔煤礦）研發(fā)了基于3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)的5G RedCap新型工業(yè)礦用本安網(wǎng)關(guān)，滿足低功耗、低成本部署的需求，實現(xiàn)了井下離散采集控制系統(tǒng)的無線輕量化融合接入。結(jié)合人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，具備智能預(yù)警功能，為實現(xiàn)安全預(yù)警低時延、生產(chǎn)調(diào)度自優(yōu)化、資源利用最大化的煤礦新型智能運營決策體系提供數(shù)據(jù)支撐。

5G RedCap及關(guān)鍵技術(shù)

5G RedCap是3GPP在R17標(biāo)準(zhǔn)中定義的輕量化5G技術(shù)。通過降低帶寬和天線數(shù)量等精簡模式，減少設(shè)備成本與功耗，主要服務(wù)于工業(yè)傳感器、智能穿戴、視頻監(jiān)控等中高速物聯(lián)網(wǎng)場景，具備毫秒級低時延、99.99%高可靠性和長續(xù)航優(yōu)勢，設(shè)備成本較傳統(tǒng)5G降低約70%，5G RedCap與其他技術(shù)能力對比見表1。

表1 5G RedCap與其他技術(shù)能力對比

基于5G RedCap新型工業(yè)礦用本安網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了井下離散采集設(shè)備與5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。匯聚采集設(shè)備數(shù)據(jù)，按照 5G RedCap 協(xié)議進(jìn)行編碼、調(diào)制等處理，然后通過 5G 無線信號傳輸至地面核心網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；同時接收地面調(diào)度中心控制指令，解析后下發(fā)至相應(yīng)采集設(shè)備，實現(xiàn)雙向通信，應(yīng)用場景示意如圖1所示。

圖1 應(yīng)用場景示意

（1）低功耗設(shè)計技術(shù)

選用低功耗的芯片組和電子元器件，優(yōu)化硬件電路設(shè)計，降低整體功耗。采用高效的電源管理芯片，動態(tài)調(diào)整設(shè)備工作電壓和頻率。開發(fā)智能休眠與喚醒機制，在設(shè)備空閑時進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸需求時能快速喚醒，進(jìn)一步節(jié)省設(shè)備資源。

（2）高可靠通信技術(shù)

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，信號易受干擾，為保證通信可靠性，物理層采用分集接收技術(shù)，通過多個天線接收信號，合并處理信號后增強信號強度，降低信號衰落影響；鏈路層使用自動重傳請求機制，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤時，自動請求重傳，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤傳輸；網(wǎng)絡(luò)層支持 5G LAN 等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定連接與數(shù)據(jù)高效傳輸。

項目價值及創(chuàng)新優(yōu)勢

（1）井下離散采集控制系統(tǒng)的無線化接入

通過優(yōu)化現(xiàn)有井下離散采集控制系統(tǒng)組網(wǎng)形式，離散采集系統(tǒng)各分站或控制箱5G無線化接入生產(chǎn)綜合監(jiān)控環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了信息5G無線上傳、遠(yuǎn)程監(jiān)測及監(jiān)控功能。優(yōu)化了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由有線串行連接改為無線星型方式，減少故障點，可靠性提高20%；解決了光纖連接的有線網(wǎng)絡(luò)部署不靈活、耗資大、維護(hù)成本高等問題。無線化部署單礦減少線纜鋪設(shè)，離散點無線化接入滿足井下巷道動態(tài)變化的場景需求，部署靈活性及便利性提升了30%；實現(xiàn)了5G技術(shù)與生產(chǎn)業(yè)務(wù)的深度融合。

（2）井下離散采集控制系統(tǒng)輕量化接入

針對井下各類離散采集控制系統(tǒng)，完成壓風(fēng)管網(wǎng)監(jiān)控、井下供水管網(wǎng)監(jiān)控、臨時排水、粉塵監(jiān)控等系統(tǒng)輕量化接入應(yīng)用場景研究。針對采集系統(tǒng)無線傳輸性能要求為帶寬>10 Mbit/s，時延<50 ms，且由于數(shù)量龐大，對成本功耗要求較高，研發(fā)制造了5G RedCap新型工業(yè)礦用本安網(wǎng)關(guān)的，并基于該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了井下離散采集控制系統(tǒng)輕量化接入。

（3）井下離散采集控制系統(tǒng)融合接入

通過5G RedCap物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了井下各類傳感器、攝像頭、巡檢機器人等海量中低速設(shè)備數(shù)據(jù)的融合接入，結(jié)合人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)具備智能預(yù)警控制等功能。在壓風(fēng)管網(wǎng)監(jiān)控中，AI實時監(jiān)控管網(wǎng)壓力曲線，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)預(yù)測壓力突變風(fēng)險，自動調(diào)整供氣策略。離散數(shù)據(jù)的融合接入也為實現(xiàn)后期安全預(yù)警零延遲、生產(chǎn)調(diào)度自優(yōu)化、資源利用最大化的煤礦新型智能運營決策體系提供了數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用效果

項目成果在煤炭行業(yè)適用場景包含井下離散采集控制系統(tǒng)、選煤廠DCS系統(tǒng)、智能采掘等其他生產(chǎn)系統(tǒng)、地面離散接入點、井下車載終端、巡檢機器人等移動終端。非煤炭行業(yè)適用場景包含電力、化工、智慧城市物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等。項目首次實現(xiàn)了5G技術(shù)與煤礦生產(chǎn)業(yè)務(wù)的深度融合，成功適配了5G RedCap新型工業(yè)模組與生產(chǎn)場景。5G RedCap在煤礦井下的應(yīng)用如圖2所示。

圖2 5G RedCap在煤礦井下的應(yīng)用

結(jié) 語

趙石畔煤礦井下各離散采集控制系統(tǒng)均采用無線化部署后，所有數(shù)據(jù)通過5G通信系統(tǒng)傳至地面綜合管控平臺，節(jié)省單人每天運維時間6 h，單礦減少下井人員約60人，每年節(jié)省人工成本1 140萬元，單礦減少85 km的線纜鋪設(shè)長度，一次性節(jié)省379萬元的布線成本。首次實現(xiàn)了5G RedCap技術(shù)在煤礦井下的創(chuàng)新應(yīng)用，彌補了業(yè)務(wù)短板，復(fù)制性強，可作為樣板工程快速推廣；通過煤礦輔助生產(chǎn)系統(tǒng)無線化、少人化，實現(xiàn)綠色節(jié)能減排，助力實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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