溫 良，吳文臻，李起偉

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引 言

智能化是煤礦技術(shù)發(fā)展的最高形式，也是第4次煤炭技術(shù)革命[1]；智能化煤礦建設(shè)，開啟煤礦行業(yè)全面創(chuàng)新和技術(shù)變革。智能化煤礦建設(shè)是基于現(xiàn)代智慧理念，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)、機(jī)器人技術(shù)及裝備應(yīng)用到現(xiàn)代化煤礦開采；深度融合煤礦“人-機(jī)-環(huán)-管”多源異構(gòu)信息，建立一個(gè)庫(kù)、一張網(wǎng)、一個(gè)平臺(tái)和一張圖設(shè)計(jì)理念[2]，智能化煤礦建設(shè)平臺(tái)總體架構(gòu)從頂層規(guī)劃實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一模型、統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一方案，完成礦山企業(yè)全要素?cái)?shù)據(jù)的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集、統(tǒng)一規(guī)范集成、多維可視化展現(xiàn)和智能決策分析，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)的透明化、自動(dòng)化、智能化管理[3-4]，達(dá)到真正實(shí)現(xiàn)智能化減人的目標(biāo)，踐行倡導(dǎo)的煤炭資源開采的“安全、高效、智能、綠色”理念。

2019年6月，首次由中國(guó)提出F5G（第五代固定網(wǎng)絡(luò)，The 5th generation Fixed networks），ETSI歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)接納，業(yè)界廣泛參與。F5G與5G是協(xié)同關(guān)系，有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)互相補(bǔ)全，提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和感知。ETSI定義F5G與5G一起共同開啟萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代。

F5G全光工業(yè)網(wǎng)契合煤炭行業(yè)對(duì)高安全的需求，采用全預(yù)連無源光器件，具有大幅減少隔爆箱使用，避免井下熔接高溫隱患，提高運(yùn)維工作效率等特點(diǎn)。F5G智能化煤礦應(yīng)用，促進(jìn)F5G技術(shù)與煤礦智能化的深度融合，共建可持續(xù)發(fā)展的智能礦山產(chǎn)業(yè)生態(tài)； F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備和安全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸；為礦山生產(chǎn)安全保駕護(hù)航，提高事故預(yù)警和防控能力。筆者著重探討了適合煤礦井下應(yīng)用的F5G智能化煤礦的建設(shè)方案、優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)、典型應(yīng)用場(chǎng)景等，以期為F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)提供技術(shù)思路及方法。

1 礦用 F5G工業(yè)光網(wǎng)功能

礦用F5G工業(yè)光網(wǎng)架構(gòu)是基于PON技術(shù)的新型工業(yè)局域網(wǎng)組網(wǎng)方案，繼承了PON網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)組網(wǎng)上考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)高可靠要求，支持TypeC 雙歸屬保護(hù)，實(shí)現(xiàn)ONU手拉手保護(hù)，保證網(wǎng)絡(luò)每個(gè)環(huán)節(jié)都做到冗余保護(hù)。終端側(cè)部署的ONU按照工業(yè)級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，滿足工業(yè)上耐高溫、抗振動(dòng)等苛刻環(huán)境要求。為了滿足工業(yè)終端多種網(wǎng)絡(luò)接口的需求，ONU側(cè)同時(shí)支持GE電口以及RS485/RS232串口；接入設(shè)備側(cè)采用ODN預(yù)鏈接方案，免熔接多級(jí)分光擴(kuò)展，esight作為網(wǎng)管運(yùn)維管理工具，可智能、簡(jiǎn)便地進(jìn)行業(yè)務(wù)發(fā)放及日常運(yùn)維管理。F5G可承載煤礦井下智能開采、掘進(jìn)、運(yùn)輸、安全監(jiān)控等系統(tǒng)的各類以太信號(hào)回傳，主接頭盒與接入設(shè)備側(cè)采用ODN預(yù)鏈接方案，免熔接多級(jí)分光擴(kuò)展。F5G工業(yè)光網(wǎng)具有以下特性滿足煤礦井下多系統(tǒng)融合、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的通信傳輸要求[5-7]。

1） VLAN業(yè)務(wù)隔離規(guī)劃。F5G工業(yè)光網(wǎng)采用二層數(shù)據(jù)承載技術(shù)，使用VLAN技術(shù)來對(duì)不同業(yè)務(wù)劃分不同的VLAN，滿足不同業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)相互隔離。井下多個(gè)生產(chǎn)、智能化子系統(tǒng)使用不同的VLAN進(jìn)行業(yè)務(wù)隔離，多個(gè)系統(tǒng)互不影響。

2）QoS功能。F5G服務(wù)質(zhì)量QoS可實(shí)時(shí)評(píng)估井下各類數(shù)據(jù)服務(wù)需求，高可靠面向業(yè)務(wù)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。全光POL網(wǎng)管平臺(tái)統(tǒng)一對(duì)OLT、ONU設(shè)備集中管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)高帶寬、低時(shí)延、防抖動(dòng)等指標(biāo)的靈活部署、資源統(tǒng)一管理、集中故障監(jiān)測(cè)。

3）高可靠安全保障。F5G全光網(wǎng)ONU支持802.1X認(rèn)證，支持對(duì)接入終端的認(rèn)證，防止非法終端接入；XGS-PON網(wǎng)絡(luò)支持上下行雙向AES加密傳輸；工業(yè)光網(wǎng)支持防DDOS攻擊、防DHCP snooping等網(wǎng)絡(luò)安全措施。

4）運(yùn)維管理功能。F5G工業(yè)光網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足井下環(huán)境的監(jiān)控和運(yùn)維管理，采用融合運(yùn)維管理平臺(tái)esight，支持服務(wù)器虛擬化，交換機(jī)、路由器、WLAN、防火墻、PON、eLTE、統(tǒng)一通信、傳真、視頻監(jiān)控等設(shè)備以及應(yīng)用系統(tǒng)和機(jī)房設(shè)施的統(tǒng)一管理。

2 礦井F5G工業(yè)光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 礦用F5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成

礦用F5G在煤礦應(yīng)用主要包含3個(gè)產(chǎn)品，分別為：光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備 （Optical Ring Head，ORH）、光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備（Optical Ring End，ORE）及無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備 （Optical Ring Passive ，ORP）[8]。

1）ORH。ORH是工業(yè)光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備。ORH設(shè)備的主要功能為匯聚井下各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，并上傳到數(shù)據(jù)中心，同時(shí)把數(shù)據(jù)中心控制數(shù)據(jù)下發(fā)到井下各設(shè)備；管理井下ORE設(shè)備。ORH設(shè)備網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過千兆、萬(wàn)兆等以太網(wǎng)接口與核心交換機(jī)通信，用戶側(cè)提供工業(yè)光接口接入井下網(wǎng)絡(luò)。

2）ORE。ORE設(shè)備是工業(yè)光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備，安裝在井下，必須支持防爆；也可以使用本安型ORE使井下網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)化。ORE網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過ORP分光器與ORH的工業(yè)光接口連接，用戶側(cè)通過以太網(wǎng)口、工業(yè)串口（RS485）連接井下各終端設(shè)備， ORE把井下各終端的數(shù)據(jù)，通過ORP上傳到ORH設(shè)備，同時(shí)把ORH設(shè)備下來的數(shù)據(jù)傳送給各終端設(shè)備。ORE可以通過ORP來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)發(fā)放、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級(jí)，盡量減少井下操作。上行接口最少為萬(wàn)兆，以滿足煤礦智能化建設(shè)需求。用戶側(cè)接口一般為以太網(wǎng)光口或電口，同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)需求提供串口等工業(yè)接口。

3）ORP。ORP設(shè)備用于連接ORH和ORE，實(shí)現(xiàn)1個(gè)ORH工業(yè)光接口連接到多個(gè)ORE設(shè)備。ORP包含光纖光纜和分光器，支持礦井巷道和作業(yè)面鏈型的應(yīng)用場(chǎng)景。ORP支持級(jí)聯(lián)，滿足礦井網(wǎng)絡(luò)的靈活擴(kuò)展。ORP所有部件均為無源設(shè)備，無需供電，ORP按照煤礦的安全規(guī)范滿足阻燃、防靜電設(shè)計(jì)，滿足本安認(rèn)證，滿足井下粉塵和潮濕環(huán)境。

2.2 礦用F5G+5G融合組網(wǎng)架構(gòu)

礦用F5G+5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)提升網(wǎng)絡(luò)可靠性；ORH一般在井上，ORE在井下，通過ORP（光纜和分光器）連接。ORE對(duì)外出標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)光口和電口，井下設(shè)備可直接接到ORE上。F5G作為煤礦井下主干網(wǎng)絡(luò)，將井下安全監(jiān)控網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)、人員定位、5G網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一接入。（按照安規(guī)要求，安全監(jiān)控網(wǎng)需要和其他網(wǎng)絡(luò)接入到不同光纖芯上，實(shí)現(xiàn)分芯傳輸）。

圖1 礦用F5G+5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Mine F5G+5G network architecture

F5G作為5G承載網(wǎng)，F(xiàn)5G本身可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)低時(shí)延，并為5G承載專門提供高精度時(shí)鐘同步、業(yè)務(wù)隔離功能，5G 的BBU可直接接入到ORE（5G承載ORE一般為10GE光口），實(shí)現(xiàn)井下F5G+5G一張網(wǎng)傳輸。具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化，井下多網(wǎng)統(tǒng)一部署。解決井下原來多張環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、難以運(yùn)維的問題。F5G網(wǎng)絡(luò)井下有源設(shè)備只有ORE，井下設(shè)備更加安全、簡(jiǎn)單。

2）F5G+5G井下一張網(wǎng)改變?cè)瓉砭路稚⒕W(wǎng)絡(luò)，讓多條“小路”融合成一條網(wǎng)絡(luò)“高速公路”，使網(wǎng)絡(luò)最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、融合、智能，為煤礦智能化提供高可靠性保障。

2.3 礦用F5G智能化方案優(yōu)勢(shì)

F5G全光工業(yè)網(wǎng)契合煤炭行業(yè)對(duì)高安全的需求，采用無源光器件具有大幅減少隔爆箱使用、避免井下熔接高溫隱患、提高運(yùn)維工作效率等特點(diǎn)，F(xiàn)5G智能化煤礦應(yīng)用方案可以為智慧礦山建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐。

1）無源光網(wǎng)絡(luò)滿足煤礦井下防爆要求。礦用F5G全光工業(yè)網(wǎng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無源光環(huán)網(wǎng)，無需防爆認(rèn)證，可減少40%的防爆箱使用，降低井下電火花風(fēng)險(xiǎn)，提升礦井下的電氣安全性；F5G全光架構(gòu)設(shè)計(jì)，逐級(jí)匯聚到集中管理，減少匯聚層，帶電設(shè)備大幅簡(jiǎn)化，使井下設(shè)備更加簡(jiǎn)單便捷。

2）無源網(wǎng)絡(luò)自生長(zhǎng)滿足煤礦井下定期移動(dòng)需求。基于工作面定期移動(dòng)的需求，井下設(shè)備需要高可靠、易擴(kuò)展、易拆裝，易維護(hù)等特點(diǎn)，F(xiàn)5G無源全光網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)末端自生長(zhǎng)、光電分離、模塊化，預(yù)連接、免熔纖、新增節(jié)點(diǎn)不影響已有設(shè)備的正常運(yùn)行，米級(jí)故障定位，拓?fù)淇梢?，充分適合煤礦作業(yè)面變化。

3）業(yè)務(wù)安全。無源光網(wǎng)絡(luò)ONU支持802.1X認(rèn)證，支持對(duì)接入終端的認(rèn)證，防止非法終端接入；XGS-PON網(wǎng)絡(luò)支持上下行雙向AES加密傳輸；工業(yè)光網(wǎng)支持防DDOS攻擊、防DHCP snooping等網(wǎng)絡(luò)安全措施；高可靠環(huán)網(wǎng)設(shè)備級(jí)、鏈路級(jí)的“1+1”冗余保護(hù)，并且支持30 ms保護(hù)倒換，可應(yīng)對(duì)井下多重設(shè)備和鏈路失效，保障業(yè)務(wù)零中斷。

圖2 傳統(tǒng)工業(yè)交換機(jī)環(huán)網(wǎng)與F5G工業(yè)光環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)對(duì)比Fig.2 Comparison between traditional industrial switch ring network and F5G industrial optical ring network

3 礦用F5G典型應(yīng)用場(chǎng)景

F5G工業(yè)光網(wǎng)可以接入井下感知控制層的各種設(shè)備，包括智能采掘、智能運(yùn)輸、智能供電、智能通風(fēng)、機(jī)器人等接入設(shè)備[12]，也可以接入環(huán)境感知、位置感知、視頻感知、調(diào)度感知、通信感知、災(zāi)害感知等感知設(shè)備，成為煤礦井下基礎(chǔ)設(shè)施層的主干網(wǎng)絡(luò)[13-15]。

以下分析4種礦用F5G典型應(yīng)用場(chǎng)景[16-20]。

1）視頻監(jiān)控+邊緣分析。F5G工業(yè)光網(wǎng)接入在井下重要場(chǎng)所、工作面等區(qū)域視頻監(jiān)控；能夠滿足實(shí)時(shí)傳輸、靈活部署、超大帶寬、運(yùn)維方便的需求，實(shí)現(xiàn)輸送帶異物、人員違章、鉆場(chǎng)等重要場(chǎng)景視頻智能識(shí)別。

圖3 視頻監(jiān)控+邊緣分析Fig.3 Video surveillance+edge analysis

2）遠(yuǎn)程控制網(wǎng)。F5G工業(yè)光網(wǎng)是井下的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)，因其實(shí)時(shí)性好，遠(yuǎn)程控制低延時(shí)，可靠性、抗干擾、業(yè)務(wù)零中斷等特點(diǎn)；可以接入工作面、變電所、輸送帶、水泵、壓風(fēng)機(jī)、機(jī)器人等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境及工況遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、水泵、壓風(fēng)機(jī)、開關(guān)等設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

圖4 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)Fig.4 Remote control network

3）監(jiān)測(cè)監(jiān)控傳輸網(wǎng)。F5G工業(yè)光網(wǎng)承載全礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控傳輸網(wǎng)，承載安全監(jiān)控系統(tǒng)、精確定位系統(tǒng)（人員、車輛、井下智能交通）的大量數(shù)據(jù)接入，滿足監(jiān)測(cè)監(jiān)控多系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸節(jié)點(diǎn)多、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性高[16]。

圖5 監(jiān)測(cè)監(jiān)控傳輸網(wǎng)Fig.5 Monitoring transmission network

4）礦用5G+融合通信系統(tǒng)承載網(wǎng)。F5G工業(yè)光網(wǎng)可承載井下5G通信、4G通信、WiFi6、廣播通信等融合通信統(tǒng)一承載及傳輸，接入頂板、地壓、水文、粉塵等礦井災(zāi)害監(jiān)測(cè)；也可以接入機(jī)電設(shè)備故障診斷、光纖測(cè)溫等感知監(jiān)測(cè)，滿足智能化煤礦建設(shè)要求。

圖6 礦用5G+融合通信系統(tǒng)承載網(wǎng)Fig.6 Bearing network of mine 5G+ integrated communication system

4 結(jié) 論

1）論述了礦用 F5G工業(yè)光網(wǎng)功能、F5G+5G融合組網(wǎng)設(shè)備及架構(gòu)、礦用井下F5G+5G一張網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)；分析了礦用F5G智能化建設(shè)方案的3個(gè)優(yōu)勢(shì)：無源光網(wǎng)絡(luò)滿足煤礦井下防爆要求、無源網(wǎng)絡(luò)自生長(zhǎng)滿足煤礦井下定期移動(dòng)需求、無源光網(wǎng)絡(luò)ONU支持802.1X認(rèn)證業(yè)務(wù)安全需求。

2）針對(duì)智能化煤礦建設(shè)的業(yè)務(wù)需求，重點(diǎn)探討了礦用F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)的4種典型應(yīng)用場(chǎng)景：視頻監(jiān)控+邊緣分析、遠(yuǎn)程控制網(wǎng)低延時(shí)實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)測(cè)監(jiān)控傳輸網(wǎng)、礦用5G+融合通信系統(tǒng)承載網(wǎng)，為F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)提供技術(shù)思路及方法。

3）礦用F5G全光工業(yè)網(wǎng)架構(gòu)具備PON網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點(diǎn)，契合煤炭行業(yè)對(duì)高安全的需求；但是礦用F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)方案尚處于探索階段，目前沒有成熟案例可供研究參考，建設(shè)方案的可行性及實(shí)用性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證分析。

4）煤礦F5G的深入推廣應(yīng)用，需要煤礦生產(chǎn)企業(yè)，集成商，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商等協(xié)力合作，構(gòu)建創(chuàng)新、協(xié)同、開放、合作的煤礦F5G應(yīng)用生態(tài)；同時(shí)也包括F5G防爆認(rèn)證、研發(fā)適合礦用的F5G通訊產(chǎn)品、整合優(yōu)化F5G煤礦井下的解決方案，提升礦用F5G系統(tǒng)可用性技術(shù)層面的應(yīng)用生態(tài)環(huán)境等。