朱海濤

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司徐州分公司

0 引言

煤礦作為高危行業(yè)，勞動作業(yè)環(huán)境相對惡劣，安全事故始終影響和制約著煤礦的生產(chǎn)建設(shè)，同時相對滯后的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也制約著礦山領(lǐng)域的新技術(shù)運用，掣肘智能化改造效益的發(fā)揮。隨著第五代移動通信技術(shù)（5G，5th generation mobile networks）以及大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的發(fā)展，采用最新的、更具可持續(xù)發(fā)展能力的5G技術(shù)，將給礦山基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來更具前瞻性的發(fā)展，助推提升礦山的綜合機(jī)械化、信息化和智能化程度。

1 需求簡介

采用5G技術(shù)建設(shè)煤礦的高質(zhì)量工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“一張網(wǎng)”承載井下各種業(yè)務(wù)，滿足煤礦井下高危環(huán)境、移動生產(chǎn)環(huán)境、作業(yè)線長覆蓋面廣等現(xiàn)場環(huán)境的要求，滿足智能化建設(shè)中對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、接入方式等方面的要求。

井下應(yīng)用通過5G網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確、全面地獲取安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境視頻，并能實現(xiàn)井上井下高清視頻、各類數(shù)據(jù)的快速傳輸、設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、巡檢機(jī)器人等，為礦區(qū)智能化工作面改造、智能通風(fēng)、智能運輸?shù)冗h(yuǎn)程智能控制，以及相關(guān)數(shù)據(jù)自動監(jiān)測、實時互聯(lián)，提供堅實的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐。

2 方案思路

先進(jìn)性：采用先進(jìn)、成熟的、地面運營商廣泛使用的5G移動通信技術(shù)，滿足煤礦智能化礦井建設(shè)的需要，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性及生命力。

經(jīng)濟(jì)性：根據(jù)煤礦的井下移動通信應(yīng)用需要，進(jìn)行定點基站覆蓋，在需要利用5G低時延、大帶寬的性能進(jìn)行自動化、智能化控制的區(qū)域開通5G網(wǎng)絡(luò)；要求將井下應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到井下數(shù)據(jù)中心，考慮到井下設(shè)備的隔爆要求，井下采用流量轉(zhuǎn)發(fā)板卡（Node Engine，NE）進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)，在靠近移動用戶的位置提供信息技術(shù)服務(wù)環(huán)境和邊緣計算能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的本地分發(fā)和推送，為本地低時延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的業(yè)務(wù)提供服務(wù)，建設(shè)成本更經(jīng)濟(jì)。

合規(guī)性：方案選用的產(chǎn)品已經(jīng)通過了煤安、防爆認(rèn)證，符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。

兼容性：新建礦用5G專網(wǎng)通信系統(tǒng)采用開放的接口，為井下控制類信號、視頻采集類信號、無線傳感器等提供接口。

方案對井上、井下進(jìn)行5G覆蓋，建設(shè)一套高安全、高可靠、高帶寬的礦用5G網(wǎng)絡(luò)，所有的應(yīng)用都承建在5G網(wǎng)絡(luò)上，井下通過NE單板、井上通過聯(lián)通邊緣計算（Multi-Access Edge Computing，MEC）實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，傳送到煤礦的內(nèi)網(wǎng)信息平臺上。

3 組網(wǎng)方案

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

礦用5G移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整體構(gòu)成分為井上部分和井下部分，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)由地面的覆蓋宏基站、萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、MEC設(shè)備、井下礦用隔爆型基站控制器A（基帶處理單元，BBU設(shè)備）、NE單板、礦用隔爆型基站控制器B（射頻遠(yuǎn)端匯聚單元，RHUB設(shè)備）、礦用隔爆兼本安型無線基站（微功率射頻拉遠(yuǎn)單元，PRRU設(shè)備）、礦用萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、礦用本安型手機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成。

井上共享已部署宏基站，共享運營商核心網(wǎng)和MEC設(shè)備，核心網(wǎng)提供井下、井上普通用戶2C、2B的用戶注冊鑒權(quán)等功能，MEC為井上業(yè)務(wù)提供流量轉(zhuǎn)發(fā)功能。井下部署隔爆型微基站，在基站控制器上提供NE單板，實現(xiàn)井下流量轉(zhuǎn)發(fā)功能。

井下基站采用3級結(jié)構(gòu)更符合井下復(fù)雜的巷道覆蓋特點。國內(nèi)現(xiàn)有研究結(jié)果及實踐表明，無線信號的頻率越高，信號的衰減越大，通信距離越短。但由于巷道通信的特點，影響并不大。經(jīng)井下現(xiàn)場測試，從400Mhz-4000Mhz的無線電頻率，信號傳輸距離基本都為300米左右，這是隧道通信的一個顯著特點。所以采用低功率微站是目前井下覆蓋最為科學(xué)的選擇。

隔爆型基站控制器（BBU，RHUB設(shè)備）的主要作用是完成信號的基帶處理，提供傳輸管理及接口，管理無線資源；通過地面核心萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)接入運營商5G核心網(wǎng)。

隔爆兼本安型無線基站主要功能和作用是提供井下5G無線信號覆蓋。

本方案的設(shè)計，真正實現(xiàn)井上井下無縫對接，將5G煤礦專網(wǎng)與運營商的公網(wǎng)實現(xiàn)信令的完整對接，進(jìn)而實現(xiàn)專網(wǎng)與公網(wǎng)的無縫連接。通過雙注冊、雙連接方式，既滿足井下內(nèi)部移動通信的需要，也滿足井下與地面工業(yè)廣場移動通信的需要，同時也滿足煤礦專網(wǎng)與外網(wǎng)移動通信的需要。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)組網(wǎng)圖

地面實現(xiàn)公網(wǎng)+專網(wǎng)雙覆蓋，專網(wǎng)通過運營商機(jī)房MEC轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)到礦內(nèi)網(wǎng)，公網(wǎng)用戶直接送聯(lián)通核心網(wǎng)。井下實現(xiàn)+專網(wǎng)雙覆蓋，礦用數(shù)據(jù)通過井下設(shè)備分流板卡NE直接分流到井下數(shù)據(jù)中心。

圖1中，綠色為公網(wǎng)業(yè)務(wù)路由（2C用戶），紅色為礦區(qū)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)路由（2B用戶）。

井下井上通過萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)對接，確保數(shù)據(jù)不出園區(qū)，井下提供基站級交換、計算、存儲等能力。

3.2 5G專網(wǎng)與企業(yè)的關(guān)系

5G煤礦專網(wǎng)與運營商的公網(wǎng)實現(xiàn)信令的完整對接、專網(wǎng)與公網(wǎng)的無縫連接，既滿足井下內(nèi)部移動通信的需要，也滿足井下與地面工業(yè)廣場移動通信的需要，同時也滿足煤礦專網(wǎng)與外網(wǎng)移動通信的需要。專網(wǎng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)對接，基站與企業(yè)之間建立分流業(yè)務(wù)的GRE隧道。在邊緣節(jié)點內(nèi)提供運營商級的網(wǎng)絡(luò)安全，通過板卡、設(shè)備、鏈路的多冗余保護(hù)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過平面隔離、設(shè)置安全區(qū)域、防病毒網(wǎng)關(guān)等手段，確保節(jié)點業(yè)務(wù)運行。

3.3 信號覆蓋設(shè)計

3.3.1 地面5G信號覆蓋

地面共享運營商公網(wǎng)宏基站實現(xiàn)地面5G信號的覆蓋，減少礦方對地面基站建設(shè)的投資，降低建設(shè)成本和后期維護(hù)成本。

3.3.2 井下基站布置

本方案設(shè)計井下所有基站的信號覆蓋半徑按300米布放，條件較差巷道按照半徑200米布放，能夠滿足井下5G信號強(qiáng)度的需要。井下5G采用室內(nèi)分布系統(tǒng)部署，微功率射頻拉遠(yuǎn)單元、射頻遠(yuǎn)端匯聚單元、基帶處理單元，如圖2所示。

圖2 井下室分覆蓋

所有設(shè)備按照礦用安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)采取隔爆隔離，

井下設(shè)備：礦用隔爆基站控制器，礦用基站按照信號覆蓋需求進(jìn)行壁掛式布放及安裝。礦方統(tǒng)一規(guī)劃127 V供電電路，基站就近接入礦方統(tǒng)一供電電路。隔爆箱體也可內(nèi)置射頻遠(yuǎn)端匯聚單元、萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)等。

井下設(shè)備：礦用隔爆兼本安型無線基站，礦用基站按照信號覆蓋需求進(jìn)行壁掛式布放及安裝。礦方統(tǒng)一規(guī)劃127 V供電電路，基站就近接入礦方統(tǒng)一供電電路。

3.3.3 井下分站設(shè)計布點原則

巷道場景一般可以分為短巷道場景、長巷道場景、復(fù)雜巷道場景。巷道場景與其它場景有很多區(qū)別，附近基站的信號很難進(jìn)入，經(jīng)常出現(xiàn)彎道與坡度，無線信號衰減大。所以處理巷道場景要采取靈活方式：（1）在信號的覆蓋強(qiáng)度方面，當(dāng)長度超過覆蓋距離時，采取多基站覆蓋方式。（2）天線布放位置決定巷道內(nèi)覆蓋水平，為了保證良好的覆蓋，天線布放位置應(yīng)滿足巷道內(nèi)天線覆蓋邊緣場強(qiáng)大于-115dBm。在直道情況下，天線口功率W＞25dBm時，若保證邊緣場強(qiáng)大于-115dBm，根據(jù)計算可覆蓋巷道300m，此時即可布放雙極化板狀天線；在彎道情況下，必須考慮彎道對邊緣場強(qiáng)的衰減，建議此時把天線放置在彎道的切點處。（3）對于復(fù)雜巷道場景，可采取防爆基站加泄漏電纜的方式進(jìn)行巷道信號覆蓋。直巷道主要采用定向天線覆蓋，根據(jù)巷道寬度密度在半徑300米以上；巷道交錯區(qū)域，在交叉路口設(shè)立一個分站、并采用多個天線進(jìn)行分別覆蓋。

3.4 井下業(yè)務(wù)NE單板分流

為滿足煤礦數(shù)據(jù)安全的要求，井下煤礦的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)流量均不出井，在井下轉(zhuǎn)發(fā)到井下數(shù)據(jù)中心，所有新建設(shè)備需符合技術(shù)規(guī)范要求，因此對井下的分流設(shè)備要求必須采用隔爆設(shè)備，參照3GPP標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范引入在基站側(cè)的分流單板，NE單板是嵌入到基站控制器基帶處理單元BBU中的分流板卡，可以完成在基站側(cè)的分流，一次部署到位，避免后續(xù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。在靠近移動用戶的位置上，提供信息技術(shù)服務(wù)環(huán)境和邊緣計算能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的本地分發(fā)和推送，為本地低時延、數(shù)據(jù)不出井的業(yè)務(wù)提供服務(wù)。

NE單板分流可根據(jù)數(shù)據(jù)流的IP源/目的地址以及DNS域名等多元組合進(jìn)行分流，識別“定向”業(yè)務(wù)。

對于2B業(yè)務(wù)，井下網(wǎng)絡(luò)基站直接轉(zhuǎn)發(fā)到井下數(shù)據(jù)機(jī)房，流量轉(zhuǎn)發(fā)更貼近用戶，時延更低，通過NE單板便于運營商將訪問本地礦山的數(shù)據(jù)流卸載到井下本地網(wǎng)絡(luò)里，縮短終端訪問服務(wù)器的時延，有效提升用戶體驗，且滿足井下隔爆的要求。

另外，對于礦山井下工業(yè)典型應(yīng)用場景中有大量依托于5G視頻回傳的無人作業(yè)場景，遠(yuǎn)程控制場景不僅可以把一線員工從惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中解脫出來，還可以提升生產(chǎn)效率。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程控制，要盡可能地縮短遠(yuǎn)端視頻的回傳時延。因此，在基站側(cè)分流的方案，低時延效果比較明顯，有效縮短了業(yè)務(wù)在回傳路徑的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

3.5 井上業(yè)務(wù)MEC邊緣云分流

考慮到井上的實際應(yīng)用對時延和帶寬的要求不是很高，同時也為了投資更經(jīng)濟(jì)，就近共享運營商部署MEC設(shè)備，實現(xiàn)井上業(yè)務(wù)需求的流量轉(zhuǎn)發(fā)。

控制面接入運營商的核心網(wǎng)，使用核心網(wǎng)管理面進(jìn)行MEC的拉遠(yuǎn)部署及后期運維管理。本地UPF使用標(biāo)準(zhǔn)輕量化服務(wù)器免磁陣部署方式進(jìn)行部署，安全方面部署一對防火墻，負(fù)責(zé)與煤礦本地網(wǎng)絡(luò)的隔離。

3.6 應(yīng)用場景簡介

3.6.1 井下5G+移動巡檢機(jī)器人

圖3 井下NE流量轉(zhuǎn)發(fā)

圖4 井上業(yè)務(wù)MEC分流

礦用移動巡檢裝置機(jī)器人主要由移動巡檢平臺、無線通訊系統(tǒng)、無線充電裝置、各種信號采集設(shè)備和軌道系統(tǒng)組成，適用于礦山變電所、水泵房、大型輸送帶巷道移動巡檢。機(jī)器人搭載高清攝像頭所拍攝的視頻可以通過5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳到地面，實現(xiàn)機(jī)器人在軌道自動或手動控制運行，對整個軌跡內(nèi)的音頻、圖像、氣體、溫度等參數(shù)進(jìn)行實時采集、回傳、存儲及分析。

3.6.2 5G視頻AI多維分析

通過部署5G、AI攝像機(jī)等基礎(chǔ)硬件，采用人工智能算法的智能視頻分析軟件平臺對各種安全事件主動預(yù)警，通過實時分析，將報警信息反饋至監(jiān)控平臺及客戶端，實現(xiàn)智慧煤礦對事故的事前預(yù)警，降低甚至避免事故的發(fā)生。

3.6.3 5G遠(yuǎn)程控制，設(shè)備健康管理

借助5G低時延的獨特優(yōu)勢，結(jié)合遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實現(xiàn)基于無線技術(shù)的遠(yuǎn)程控制能力。監(jiān)測核心設(shè)備運行狀態(tài)，分析故障風(fēng)險，開展預(yù)測性維護(hù)，降低備件儲備成本，減少意外停機(jī)，保障持續(xù)生產(chǎn)、提高效益。運用多媒體調(diào)度系統(tǒng)，直連后臺專家和煤礦各工作場景，遠(yuǎn)程協(xié)助巡檢、排障，有效降低故障恢復(fù)時間，帶動效益提升。

4 結(jié)束語

本方案基于煤礦的需求提供了井上、井下兩種不同的5G分流解決方案，有助于更經(jīng)濟(jì)、安全地建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)礦山的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合，助力企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

通過井下機(jī)器人巡檢、環(huán)境監(jiān)測、視頻分析、綜采和掘進(jìn)設(shè)備的控制等技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營決策、安全環(huán)保管理和設(shè)備控制的信息化，建立數(shù)字化資源儲量模型，構(gòu)建從工作面、采區(qū)和礦廠等的實時監(jiān)管數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的精確管理、集中監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，極大地提高了資源利用率，以及生產(chǎn)效率和安全環(huán)保水平。通過5G的智能礦山建設(shè)改變煤炭生產(chǎn)方式，將極大改善職業(yè)健康安全環(huán)境，打造安全可靠、先進(jìn)適用、節(jié)約高效的智能礦山，具有廣泛的推廣價值和良好的社會效益。