閆啟宏，黃友勝

(1.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州省畢節(jié)市，551500；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

貴州省地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤礦智能化建設(shè)[1]難度較高。青龍煤礦是國家首批智能化示范建設(shè)礦井，屬于貴州省4個(gè)智能示范煤礦之一。2021年10月，青龍煤礦承擔(dān)了貴州省科學(xué)技術(shù)廳《井下5G應(yīng)用研究及示范》重點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要完成青龍煤礦5G專網(wǎng)[2]基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一是研究青龍煤礦5G專網(wǎng)語音通信技術(shù)，形成5G專網(wǎng)與外網(wǎng)的語音通信方法，滿足煤礦員工專網(wǎng)內(nèi)和專網(wǎng)外語音通話的需要；二是研究青龍煤礦5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、形成5G專網(wǎng)與公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方法，滿足企業(yè)內(nèi)部專網(wǎng)與公網(wǎng)的數(shù)據(jù)互通；三是研究青龍煤礦有線無線一網(wǎng)承載技術(shù)，形成青龍煤礦工業(yè)互聯(lián)“一張網(wǎng)”的建設(shè)方法，實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)5G無線網(wǎng)、信息網(wǎng)、控制網(wǎng)、辦公網(wǎng)等各種系統(tǒng)一網(wǎng)承載，既要滿足5G專網(wǎng)基本的語音數(shù)據(jù)傳輸要求，又要滿足煤礦5G+高清視頻監(jiān)控、5G+AI圖像識(shí)別分析[3]、5G+巡檢機(jī)器人[4]等智能應(yīng)用，為青龍煤礦井下運(yùn)輸巷、綜采工作面、地面廣場、選煤廠等應(yīng)用場所提供低時(shí)延、高可靠、高帶寬的無線接入。

1 青龍煤礦5G專網(wǎng)組成

青龍煤礦5G專網(wǎng)主要由井上和井下兩部分組成。井上主要由地面5G基站、5G核心網(wǎng)[5]服務(wù)器、萬兆交換機(jī)、地面50 Gbps環(huán)網(wǎng)交換機(jī)[6]、時(shí)鐘服務(wù)器、調(diào)度臺(tái)等組成；井下主要由井下50 Gbps環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、基站控制器、5G基站、移動(dòng)終端等組成。青龍煤礦5G專網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 青龍煤礦5G專網(wǎng)拓?fù)鋱D

傳統(tǒng)的礦用工業(yè)以太網(wǎng)難以承載5G無線信號(hào)，因此，本項(xiàng)目研究了硬切片[7]分組網(wǎng)技術(shù)，基于硬切片分組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建青龍煤礦50 Gbps承載網(wǎng)。

50 Gbps承載網(wǎng)不僅主要承載工業(yè)控制、視頻監(jiān)控、電力監(jiān)控等信息的傳輸，同時(shí)也承載5G無線信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)有線無線一網(wǎng)承載，解決5G承載網(wǎng)在吞吐量、傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)切片等方面的問題。

2 5G專網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)計(jì)

青龍煤礦5G專網(wǎng)最主要的部分為5G核心網(wǎng)，主要由UDM、AUSF、NSSF、AMF、SMF、PCF等網(wǎng)元[8]組成。根據(jù)5G核心網(wǎng)部署方式的不同，可以分為共享專網(wǎng)、混合專網(wǎng)[9]、獨(dú)享專網(wǎng)3種方式。

2.1 共享專網(wǎng)

共享專網(wǎng)為復(fù)用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)為企業(yè)構(gòu)建虛擬專網(wǎng)[10]的方式建設(shè)。共享專網(wǎng)是運(yùn)營商5G信號(hào)在井下的延伸，組網(wǎng)方式簡單，建設(shè)成本經(jīng)濟(jì)。數(shù)據(jù)和語音基于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)一體化管理，并通過運(yùn)營商的5G核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)處理。當(dāng)外部光纜發(fā)生故障或斷開時(shí)，專網(wǎng)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因此，共享專網(wǎng)不能滿足煤礦企業(yè)獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行、數(shù)據(jù)不出礦的要求。

2.2 混合專網(wǎng)

混合專網(wǎng)是在共享專網(wǎng)情況下使用UPF(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)、MEC(邊緣計(jì)算技術(shù))下沉礦區(qū)，UPF主要負(fù)責(zé)5G核心網(wǎng)中用戶數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)功能，并在5G的邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)中發(fā)揮著低延遲和大帶寬的重要作用?；旌蠈＞W(wǎng)通過UPF數(shù)據(jù)分流達(dá)到數(shù)據(jù)不出礦的目的，然而，混合專網(wǎng)的用戶管理、呼叫建立都需要核心網(wǎng)的參與，因此不能滿足《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求(試行)》[11]獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行的要求，在外部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或斷開時(shí)，系統(tǒng)能安全、獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行，保證無線通信及數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定的要求。

2.3 獨(dú)享專網(wǎng)

獨(dú)享專網(wǎng)采用獨(dú)立運(yùn)營商核心網(wǎng)的方式建設(shè)。獨(dú)享專網(wǎng)擁有一個(gè)完整的5G核心網(wǎng)，所以完全滿足《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求(試行)》中5G系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行的要求，當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或斷開時(shí)，系統(tǒng)能夠安全、獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行。然而，獨(dú)享專網(wǎng)運(yùn)營商級(jí)的核心網(wǎng)過于龐大，不適合煤礦部署。因此，本項(xiàng)目采用小型化的5G核心網(wǎng)，小型化的5G核心網(wǎng)采用核心網(wǎng)網(wǎng)元全下沉部署，為用戶提供極低的時(shí)延和專屬的核心網(wǎng)服務(wù)。通過物理設(shè)備隔離，滿足特殊場景下的物理、數(shù)據(jù)安全隔離需求。

3 50 Gbps承載網(wǎng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)多為千兆或者萬兆以太網(wǎng)技術(shù)，不具備硬切片功能，不能滿足5G無線承載需求。本項(xiàng)目研究FlexE硬切片技術(shù)，結(jié)合環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，形成50 Gbps承載網(wǎng)。FlexE硬切片技術(shù)基于高速以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)MAC(以太網(wǎng)物理地址)速率和PHY(以太網(wǎng)端口物理層)速率的解耦，靈活控制接口速度、時(shí)延。同時(shí)將不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行切片劃分，當(dāng)不同的業(yè)務(wù)信道發(fā)生擁塞和丟包時(shí)，也不會(huì)影響其他業(yè)務(wù)信道，從而滿足不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過FlexE硬切技術(shù)，青龍煤礦已經(jīng)將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行物理隔離，建成工業(yè)控制、視頻監(jiān)控、電力監(jiān)控、5G無線傳輸于一體的超融合高質(zhì)量通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)有線無線一網(wǎng)承載。

利用FlexE硬切片技術(shù)，還可以將煤礦安全監(jiān)控、人員定位、車輛定位、設(shè)備定位、輔助運(yùn)輸、掘進(jìn)、采煤等不同業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延和可靠性的需求分配不同的信道、帶寬、時(shí)延，從而將煤礦監(jiān)控、定位、視頻、音頻等多網(wǎng)合一，最終實(shí)現(xiàn)煤礦智能化信息一網(wǎng)綜合承載，滿足地面遠(yuǎn)程控制、人員定位、安全監(jiān)控等不同業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延和可靠性的需求，同時(shí)又可以降低維護(hù)難度，減少工作量。

本次青龍煤礦50 Gbps承載網(wǎng)采用“云網(wǎng)融合”[12]技術(shù)，按照有線無線“一張網(wǎng)”的要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，井下各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)通過50 Gbps承載網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一承載。煤礦原子系統(tǒng)井上部分直接接入地面50 Gbps環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，井下部分直接接入井下50 Gbps環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。通過50 Gbps環(huán)網(wǎng)交換機(jī)FlexE硬切片技術(shù)保證煤礦原子系統(tǒng)的物理隔離。同時(shí)劃分視頻大帶寬和5G低時(shí)延信道，保證5G專網(wǎng)無線數(shù)據(jù)和時(shí)延要求，實(shí)現(xiàn)5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，網(wǎng)絡(luò)管控本地化等需求。青龍煤礦50 Gbps承載網(wǎng)示意如圖2所示。

圖2 青龍煤礦50 Gbps承載網(wǎng)示意

4 5G專網(wǎng)語音通信

青龍煤礦5G專網(wǎng)不僅要解決5G專網(wǎng)內(nèi)部語音通信問題，還要和煤礦企業(yè)內(nèi)部的其它語音子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。5G專網(wǎng)內(nèi)語音通信采用VoNR[13]技術(shù)，具有更強(qiáng)的抗丟幀、抗延時(shí)、抗抖動(dòng)和高保真能力。

VoNR通過IMS[14]進(jìn)行高清語音管理，IMS是全I(xiàn)P的多媒體子系統(tǒng)簡稱，它支持語音及多媒體服務(wù)的連接管理，提供標(biāo)準(zhǔn)的SIP協(xié)議[15]，可以接入標(biāo)準(zhǔn)的E1中繼網(wǎng)關(guān)[16]，通過E1中繼接口，可以和煤礦企業(yè)內(nèi)部的調(diào)度系統(tǒng)、行政電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。通過行政電話網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)煤礦5G專網(wǎng)與運(yùn)營商電話網(wǎng)的語音通信，從而實(shí)現(xiàn)青龍煤礦5G專網(wǎng)與外網(wǎng)的語音通信。煤礦企業(yè)內(nèi)部語音互通都在礦區(qū)內(nèi)部，不產(chǎn)生通話費(fèi)用。此外，5G專網(wǎng)語音通信和外網(wǎng)語音通信共享行政電話與外網(wǎng)的語音通信。5G專網(wǎng)語音通信示意如圖3所示。

圖3 5G專網(wǎng)語音通信示意

5 5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

青龍煤礦5G專網(wǎng)采用獨(dú)立核心網(wǎng)的方式，所有數(shù)據(jù)在專網(wǎng)內(nèi)傳輸，滿足青龍煤礦礦區(qū)生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)不出礦的設(shè)計(jì)要求。煤礦原子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用FlexE硬切片分組的方式，分別獨(dú)享各自信道的方式工作。5G無線數(shù)據(jù)通過FlexE硬切片分組到5G核心網(wǎng)，再通過萬兆交換機(jī)和煤礦原子系統(tǒng)進(jìn)行通信，同時(shí)通過上網(wǎng)防火墻實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳的要求。5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸示意如圖4所示。

圖4 5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸示意

6 地面無線覆蓋

由于青龍煤礦地面存在運(yùn)營商5G信號(hào)，所以建設(shè)5G專網(wǎng)需要考慮5G信號(hào)沖突問題。本項(xiàng)目研究了地面5G基站雙注冊(cè)方法，即和運(yùn)營商共建共享[17]的方式進(jìn)行建設(shè)，滿足煤礦5G專網(wǎng)和運(yùn)營商5G對(duì)礦區(qū)地面同時(shí)覆蓋的要求。

地面5G基站直接和青龍煤礦5G核心網(wǎng)相聯(lián)，并劃分為2個(gè)獨(dú)立的物理信道，一個(gè)信道為運(yùn)營商專用，通過青龍煤礦5G核心網(wǎng)切片運(yùn)營商專線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端在礦區(qū)的正常通信。礦用5G專網(wǎng)信息通過另一個(gè)信道切片到青龍煤礦5G核心網(wǎng)，和煤礦5G專網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)青龍煤礦移動(dòng)終端在井上下都可接入煤礦5G專網(wǎng)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)通信的目的，滿足煤礦5G專網(wǎng)獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行的要求。地面無線覆蓋示意如圖5所示。

圖5 地面無線覆蓋示意

7 青龍煤礦5G專網(wǎng)應(yīng)用效果

青龍煤礦5G專網(wǎng)項(xiàng)目于2021年10月開始啟動(dòng)，于2022年8月建成并投入使用。在青龍煤礦機(jī)房部署5G核心網(wǎng)、萬兆交換機(jī)、地面50 Gbps環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、時(shí)鐘服務(wù)器、E1中繼網(wǎng)關(guān)、企業(yè)路由器各一套，實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)功能。在水泵房、辦公樓頂各部署地面5G基站一套，實(shí)現(xiàn)地面生活區(qū)、工作區(qū)5G專網(wǎng)覆蓋。在井下中央變電所、絞車房、運(yùn)輸巷、21601智能化工作面、21603智能化掘進(jìn)工作面部署了井下5G基站，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域、綜采工作面5G無線信號(hào)覆蓋，滿足井上下重點(diǎn)區(qū)域5G無線通信要求。專網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)終端已經(jīng)和礦區(qū)調(diào)度電話、行政電話、外網(wǎng)電話互聯(lián)互通，具有內(nèi)部短號(hào)互通、外部號(hào)碼互通、自動(dòng)轉(zhuǎn)接等功能，極大地方便了礦區(qū)的生產(chǎn)調(diào)度。移動(dòng)終端下井的通話方式改變了井下遠(yuǎn)距離作業(yè)人員只能通過固話溝通的傳統(tǒng)通訊方式，減少了井下作業(yè)人員的溝通時(shí)間，提高了煤礦的生產(chǎn)效率。同時(shí)原視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、電力監(jiān)控子系統(tǒng)通過硬切片的方式就近接入新建的50 Gbps承載網(wǎng)。青龍煤礦5G專網(wǎng)解決了原視頻監(jiān)控網(wǎng)帶寬不足、視頻卡頓和影響電力監(jiān)控子系統(tǒng)難題。

搭載5G通信模組，青龍煤礦實(shí)現(xiàn)了“5G+高清視頻監(jiān)控、5G+AI圖像識(shí)別分析、5G+帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人”等智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了將帶式輸送機(jī)沿線的高清視頻、監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制指令與調(diào)度中心進(jìn)行實(shí)時(shí)高效交互和自動(dòng)分析，有效解決了數(shù)據(jù)上報(bào)緩慢、人為分析困難等問題。

本次青龍煤礦5G專網(wǎng)的建設(shè)使井下網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件得以改善，承載網(wǎng)帶寬提高，可支持更多智能化設(shè)備的接入。有線無線“一張網(wǎng)”建設(shè)有效減少煤礦井下光纜電纜設(shè)備數(shù)量，所有新建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以就近接入50 Gbps承載網(wǎng)，使新建系統(tǒng)的投資成本降低。同時(shí)還可支持5G無線接入，傳感器、視頻監(jiān)控等設(shè)備的無線化可減少此類巡檢人員的投入，達(dá)到減人增效的效果。

8 結(jié)語

基于5G專網(wǎng)平臺(tái)，青龍煤礦將進(jìn)一步加大5G運(yùn)用場景，打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人、智能采煤工作面、智能生產(chǎn)輔助系統(tǒng)、智能AI視頻分析系統(tǒng)及安全風(fēng)險(xiǎn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的提檔升級(jí)。利用5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井上下高速率、大帶寬、低時(shí)延通訊，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)和多系統(tǒng)智能協(xié)同控制，達(dá)到便捷調(diào)度指揮、提升快速應(yīng)急管理能力目標(biāo)，助推智慧礦山建設(shè)向更高層次發(fā)展。