孫繼平，程加敏

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083）

0 引言

煤炭是我國主要能源，在一次能源中，生產(chǎn)量約占70%，消費(fèi)量約占60%[1-3]。2021 年我國原煤產(chǎn)量41.3 億t，同比增長5.7%[4]。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，煤礦事故主要包括瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、水災(zāi)、火災(zāi)、沖擊地壓、頂板冒落、爆破事故、機(jī)電事故、運(yùn)輸事故等。近年來，通過煤礦智能化、信息化和自動化建設(shè)，煤礦安全形勢逐年好轉(zhuǎn)，事故起數(shù)、死亡人數(shù)、百萬噸死亡率大幅下降[1-3]。2021 年全國煤礦共發(fā)生死亡事故91 起、死亡178 人，同比減少事故32 起、減少死亡50 人，分別下降26%和21.9%[5]。

減少煤礦井下作業(yè)人員，是煤礦安全生產(chǎn)和煤礦智能化的必然選擇[6-8]。目前，煤礦井下水泵房、機(jī)電硐室、帶式輸送機(jī)等固定崗位已實(shí)現(xiàn)無人值守、地面遠(yuǎn)程控制。為進(jìn)一步減少煤礦井下作業(yè)人員，人們正在積極探索采煤工作面和掘進(jìn)工作面地面遠(yuǎn)程控制及礦井車輛無人駕駛。煤礦井下設(shè)備無人操作、地面遠(yuǎn)程控制，需要將煤礦井下視頻、音頻、傳感器和執(zhí)行器等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至地面調(diào)度控制中心，并將控制命令實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至被控設(shè)備。因此，承載視頻、音頻、傳感器和執(zhí)行器等數(shù)據(jù)上傳和下達(dá)的信息綜合承載網(wǎng)，必須滿足大帶寬、低時(shí)延、高可靠等要求。

目前用于煤礦井下的信息承載網(wǎng)主要是百兆、千兆和萬兆礦用以太環(huán)網(wǎng)，其時(shí)延和可靠性不可控，難以滿足煤礦井下少人或無人作業(yè)、地面遠(yuǎn)程控制等需求。因此，研究大帶寬、短時(shí)延、高可靠的煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)，既是減少煤礦井下作業(yè)人員、實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制的需要，也是煤礦監(jiān)控、定位、音頻、視頻等多網(wǎng)合一的需要。

1 煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)技術(shù)要求

為滿足煤礦井下少人或無人作業(yè)和地面遠(yuǎn)程控制等需求，煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)應(yīng)滿足下列要求：

（1）傳輸帶寬寬。綜合承載網(wǎng)的傳輸帶寬應(yīng)滿足視頻、音頻和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?，并具有上行帶寬大于下行帶寬的特點(diǎn)。無人或少人作業(yè)的300 m 綜采工作面約需防爆攝像機(jī)60 臺，每臺4K 高清礦用防爆攝像機(jī)數(shù)據(jù)壓縮后傳輸帶寬按20 Mbit/s計(jì)算，1 個(gè)綜采工作面需要傳輸帶寬約1 200 Mbit/s[9]；每臺1 080P 高清礦用防爆攝像機(jī)數(shù)據(jù)壓縮后傳輸帶寬按5 Mbit/s 計(jì)算，1 個(gè)綜采工作面需要傳輸帶寬約300 Mbit/s。煤礦井下采掘工作面多，巷道長度長（單一巷道長度達(dá)10 km、巷道累計(jì)長度達(dá)幾十千米），機(jī)電硐室多，機(jī)電設(shè)備和礦用車輛多。要實(shí)現(xiàn)“采、掘、機(jī)、運(yùn)（提）、通、壓、排”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)無人或少人作業(yè)和地面遠(yuǎn)程控制，需要大量的礦用攝像機(jī)、傳感器和執(zhí)行器。視頻傳輸所需帶寬遠(yuǎn)大于音頻和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，因此，綜合承載網(wǎng)所需傳輸帶寬可以按視頻傳輸帶寬估算。

（2）傳輸時(shí)延短。時(shí)延是地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵，綜合承載網(wǎng)傳輸時(shí)延越短越好。為滿足地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的需要，綜合承載網(wǎng)傳輸時(shí)延應(yīng)不大于人的反應(yīng)時(shí)間的1/10。人的反應(yīng)時(shí)間因人而異，若按200 ms 計(jì)算，則綜合承載網(wǎng)傳輸時(shí)延應(yīng)不大于20 ms。

（3）可靠性高?？煽啃允堑孛孢h(yuǎn)程可靠控制的關(guān)鍵，綜合承載網(wǎng)可靠性越高越好。按允許萬分之一錯(cuò)誤計(jì)算，綜合承載網(wǎng)的可靠性應(yīng)大于99.99%。

（4）傳輸距離遠(yuǎn)。采煤工作面和掘進(jìn)工作面等距地面調(diào)度控制中心的距離可達(dá)10 km[10]。因此，綜合承載網(wǎng)傳輸距離應(yīng)不小于10 km，以滿足采煤工作面和掘進(jìn)工作面視頻、音頻和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等傳輸至地面調(diào)度控制中心，地面調(diào)度控制中心控制命令傳輸至現(xiàn)場設(shè)備等需求。

（5）抗干擾能力強(qiáng)。煤礦井下空間狹小，設(shè)備集中，單臺設(shè)備功率大（達(dá)數(shù)兆瓦），大功率變頻設(shè)備多，無線通信、定位、視頻和監(jiān)控設(shè)備多。大功率設(shè)備啟停，大功率變頻設(shè)備工作，無線通信、定位、視頻和監(jiān)控設(shè)備工作，影響著煤礦井下電磁環(huán)境。因此，綜合承載網(wǎng)應(yīng)抗干擾能力強(qiáng)。綜合承載網(wǎng)應(yīng)能通過GB/T 17626.3-2016《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定的嚴(yán)酷等級2 級的射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)，試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，受試設(shè)備均能正常工作。綜合承載網(wǎng)應(yīng)能通過GB/T 17626.4-2018《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定的嚴(yán)酷等級2 級的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，受試設(shè)備均能正常工作。綜合承載網(wǎng)設(shè)備的交流電源端口應(yīng)能通過GB/T 17626.5-2008《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定的嚴(yán)酷等級3 級的浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)，試驗(yàn)中受試設(shè)備功能或性能暫時(shí)降低或喪失，試驗(yàn)后受試設(shè)備能自行恢復(fù)并正常工作。綜合承載網(wǎng)設(shè)備的直流電源端口和信號端口應(yīng)能通過GB/T 17626.5-2008《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定的嚴(yán)酷等級2 級的浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)，試驗(yàn)中受試設(shè)備功能或性能暫時(shí)降低或喪失，試驗(yàn)后受試設(shè)備能自行恢復(fù)并正常工作。綜合承載網(wǎng)地面設(shè)備應(yīng)能通過GB/T 17626.2-2006《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定的嚴(yán)酷等級3 級的靜電放電抗擾度試驗(yàn)，試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，受試設(shè)備均能正常工作。

（6）本質(zhì)安全防爆。煤礦井下有瓦斯、煤塵等爆炸性物質(zhì)，用于煤礦井下的電氣設(shè)備必須防爆。在所有防爆類型中，本質(zhì)安全防爆安全性最好，可在煤礦井下任何地點(diǎn)和任何時(shí)間使用。因此，為保證瓦斯超限后綜合承載網(wǎng)仍能正常工作，綜合承載網(wǎng)防爆類型應(yīng)優(yōu)選本質(zhì)安全型，在光纜和電纜上傳輸?shù)男盘柋仨毷潜举|(zhì)安全型信號。綜合承載網(wǎng)電源應(yīng)為隔爆兼本質(zhì)安全型、澆封兼本質(zhì)安全型等本質(zhì)安全與其他防爆型式的復(fù)合型式防爆電氣設(shè)備。

（7）電網(wǎng)電壓波動適應(yīng)能力強(qiáng)。地面電網(wǎng)電壓波動范圍較小，一般為-10%～+10%。煤礦井下電網(wǎng)電壓波動范圍大，可達(dá)-25%～+10%。為保證設(shè)備在煤礦井下電網(wǎng)電壓波動范圍內(nèi)正常工作，綜合承載網(wǎng)應(yīng)具有較強(qiáng)的電網(wǎng)電壓波動適應(yīng)能力。

（8）抗故障能力強(qiáng)。煤礦井下事故會造成設(shè)備損毀和位移、光纜和電纜斷纜、電網(wǎng)停電等。綜合承載網(wǎng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗故障能力：當(dāng)頂板冒落等造成斷纜時(shí)，不會造成整個(gè)綜合承載網(wǎng)癱瘓；當(dāng)井下部分設(shè)備停電或出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他設(shè)備和綜合承載網(wǎng)正常工作。綜合承載網(wǎng)路由器/交換機(jī)盡量設(shè)置在機(jī)電硐室，線纜應(yīng)采用鎧裝光纜和電纜。底鼓不嚴(yán)重的礦井，鎧裝線纜宜設(shè)置在巷幫與底板夾角處。

（9）防護(hù)性能好。煤礦井下環(huán)境嚴(yán)酷，潮濕、粉塵大、有淋水，有硫化氫等腐蝕性氣體。因此，綜合承載網(wǎng)設(shè)備應(yīng)具有較好的防護(hù)性能，防護(hù)性能應(yīng)不低于IP54，采煤工作面和掘進(jìn)工作面設(shè)備的防護(hù)性能應(yīng)不低于IP65。

（10）多業(yè)務(wù)綜合承載。煤礦井下空間狹小、照度低，線纜維護(hù)困難。因此，應(yīng)減少煤礦井下光纜用量，一網(wǎng)承載多種業(yè)務(wù)。煤礦井下有監(jiān)控、定位、音頻、視頻等4 大業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)對傳輸帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性有不同的要求。用于地面遠(yuǎn)程控制的視頻要求傳輸帶寬寬、時(shí)延短、可靠性高。不用于地面遠(yuǎn)程控制的視頻要求傳輸帶寬寬，但對時(shí)延和可靠性要求不高。礦井安全、供電、運(yùn)輸、排水、采煤工作面、掘進(jìn)工作面等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)占用傳輸帶寬窄，但要求傳輸時(shí)延短、可靠性高。因此，一張網(wǎng)綜合承載礦井監(jiān)控、定位、音頻和視頻等業(yè)務(wù)，需解決信道按需分配等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 基于FlexE 的煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)

目前煤礦井下信息傳輸骨干網(wǎng)主要采用百兆、千兆或萬兆礦用以太網(wǎng)。以太網(wǎng)采用載波多重訪問/碰撞偵測（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）技術(shù)共享介質(zhì)，具有應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但傳輸時(shí)延和可靠性不可控，特別當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量相對網(wǎng)絡(luò)帶寬較大時(shí)，會發(fā)生擁塞和丟包。為滿足不同應(yīng)用對服務(wù)的需求，人們提出了服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）方法：給實(shí)時(shí)性要求高或重要的數(shù)據(jù)報(bào)文提供較高的優(yōu)先級，優(yōu)先處理；給實(shí)時(shí)性要求不高或普通的數(shù)據(jù)報(bào)文提供較低的優(yōu)先級，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)丟棄。通常，QoS 可保證最高優(yōu)先級應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和可靠性，但當(dāng)多路接口信號同時(shí)匯入且數(shù)據(jù)量較大時(shí)，或前1 個(gè)數(shù)據(jù)包正在發(fā)送時(shí)，最高優(yōu)先級應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和可靠性也無法保證。

靈活以太網(wǎng)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）是承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)隔離承載和網(wǎng)絡(luò)切片的一種接口技術(shù)。FlexE 在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過在媒體接入控制層（MAC）與物理層（PHY）之間增加1 個(gè)FlexE Shim 層（圖1）[11]，將MAC 與PHY 解耦，打破MAC與PHY 一一映射的強(qiáng)綁定關(guān)系，可以將多個(gè)MAC映射到多個(gè)PHY，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)隔離承載、帶寬靈活配置。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與FlexE 結(jié)構(gòu)Fig.1 Standard Ethernet and FlexE construction

FlexE 通用架構(gòu)如圖2 所示[11]。FlexE Client 對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)各種用戶接口，可根據(jù)帶寬需求靈活配置為10，25，40，50，100，200，400 Gbit/s 等。FlexE Group是以太網(wǎng)PHY 資源池。FlexE Shim 將FlexE Group中的每個(gè)100GE PHY 劃分為20 個(gè)時(shí)隙（Slot）的數(shù)據(jù)承載通道，每個(gè)時(shí)隙的帶寬為5 Gbit/s（可以更小），用戶接口可從資源池中申請獨(dú)立的帶寬資源，供自己獨(dú)有。

圖2 FlexE 通用架構(gòu)Fig.2 FlexE universal architecture

FlexE 解決了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)時(shí)延和可靠性不可控的缺點(diǎn)，同時(shí)保留了以太網(wǎng)應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有帶寬配置靈活、不同業(yè)務(wù)互不干擾、傳輸時(shí)延和可靠性可控等優(yōu)點(diǎn)，即使某業(yè)務(wù)信道發(fā)生擁塞和丟包，也不會影響其他業(yè)務(wù)信道。因此，筆者提出了基于FlexE 的煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)，可根據(jù)時(shí)間敏感和時(shí)間不敏感視頻、時(shí)間敏感和時(shí)間不敏感音頻、人員定位、車輛定位、設(shè)備定位、安全監(jiān)控、供電監(jiān)控、運(yùn)輸監(jiān)控、排水監(jiān)控、采煤工作面監(jiān)控、掘進(jìn)工作面監(jiān)控等不同業(yè)務(wù)對帶寬、時(shí)延和可靠性的需求，分配不同的信道，將煤礦監(jiān)控、定位、視頻、音頻等多網(wǎng)合一。基于FlexE的煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)既滿足了地面遠(yuǎn)程控制、人員定位、安全監(jiān)控等不同業(yè)務(wù)對帶寬、時(shí)延和可靠性的需求，又實(shí)現(xiàn)了煤礦智能化信息一網(wǎng)綜合承載，減小了維護(hù)難度和工作量。

3 結(jié)論

（1）為滿足煤礦井下少人或無人作業(yè)、地面遠(yuǎn)程控制等需求，提出了煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)技術(shù)要求：傳輸帶寬寬、傳輸時(shí)延短、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、本質(zhì)安全防爆、電網(wǎng)電壓波動適應(yīng)能力強(qiáng)、抗故障能力強(qiáng)、防護(hù)性能好、多業(yè)務(wù)綜合承載等。

（2）FlexE 是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC 與PHY 之間增加了1 個(gè)FlexE Shim 層，將MAC 與PHY 解耦，打破了MAC 與PHY 一一映射的強(qiáng)綁定關(guān)系，可以將多個(gè)MAC 映射到多個(gè)PHY，實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)隔離承載、帶寬靈活配置，具有帶寬配置靈活、不同業(yè)務(wù)互不干擾、傳輸時(shí)延和可靠性可控等優(yōu)點(diǎn)。

（3）提出了基于FlexE 的煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)，根據(jù)時(shí)間敏感和時(shí)間不敏感視頻、時(shí)間敏感和時(shí)間不敏感音頻、人員定位、車輛定位、設(shè)備定位、安全監(jiān)控、供電監(jiān)控、運(yùn)輸監(jiān)控、排水監(jiān)控、采煤工作面監(jiān)控、掘進(jìn)工作面監(jiān)控等不同業(yè)務(wù)對帶寬、時(shí)延和可靠性的需求，分配不同的信道，將煤礦監(jiān)控、定位、視頻、音頻等多網(wǎng)合一?；贔lexE 的煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)既滿足了地面遠(yuǎn)程控制、人員定位、安全監(jiān)控等不同業(yè)務(wù)對帶寬、時(shí)延和可靠性的需求，又實(shí)現(xiàn)了煤礦智能化信息一網(wǎng)綜合承載，減小了維護(hù)難度和工作量。