李硯博， 姚麗英

（山西仲煤工程設計有限公司， 山西 太原 030027）

0 引言

大陽煤礦積極貫徹落實“一個目標、三型五化、七個一流”的新發(fā)展戰(zhàn)略，以《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》為引領，以“五個提升”總目標為宗旨，以實現(xiàn)“5 個百分百”為建設目標，按照公司“統(tǒng)籌規(guī)劃、一礦一策、切實可行”的原則，高起點、高標準扎實推進智能化體系建設，同時承擔起建設“5G＋”智能化礦山應用礦井的重任。

1 大陽煤礦概況

大陽煤礦地處山西省晉城市大陽鎮(zhèn)，井田面積為17.2 km2，可采煤層有3 號、9 號和15 號，核定年生產(chǎn)能力180 萬t，主產(chǎn)優(yōu)質(zhì)無煙煤，礦井儲量豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，是一家集采煤、洗選和煤矸石制磚于一體的現(xiàn)代化企業(yè)[1]。但是，煤礦智能化設備使用率較低，很大程度受限于現(xiàn)場的工作環(huán)境和裝備的可靠性，不能建立合理可靠的通信機制，設備各自獨立運行，無法實現(xiàn)各個系統(tǒng)的可靠信息交互[2]。為了應對井下復雜情況，在惡劣條件下按時完成開采工作，全面實現(xiàn)達到智能化開采的目標，必須及時革新技術手段，提升技術水平。而智能開采對礦井釆煤工作面設備自動化的要求較高，設備間存在復雜的無線網(wǎng)絡問題。部分問題可以依靠微波通信的方式實現(xiàn)，既能節(jié)約成本，又能避免了工作面布置電纜太多而出現(xiàn)破損等情況。

2 基于5G 和云平臺的智能化建設探索

在智能化礦山云平臺基礎上部署一體化監(jiān)管平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺和手機APP 平臺，井下所有覆蓋的區(qū)域都能通過5G、4G 或Wi-Fi 基站與地面實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，做到井上井下互通互聯(lián)[3]。實現(xiàn)井上下三維一張圖可視化監(jiān)測、綜合自動化全景管控、多系統(tǒng)融合聯(lián)動以及手機APP 移動查看各項數(shù)據(jù)，通過分析大數(shù)據(jù)得到所需報表及安全態(tài)勢，確保煤礦安全生產(chǎn)。

2.1 建設內(nèi)容及設計方案

大陽煤礦原有和即將建設的使用工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)臉I(yè)務系統(tǒng)，均能通過本次建設的環(huán)網(wǎng)正常、穩(wěn)定、可靠地傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻分別通過各自環(huán)網(wǎng)傳輸。在機房部署萬兆核心交換機、井下部署萬兆交換機，組成雙萬兆環(huán)網(wǎng)。地面5G 網(wǎng)絡與井下5G 網(wǎng)絡通過MEC 邊緣計算實現(xiàn)低延時、大帶寬的井上井下一張5G 融合網(wǎng)，主要組成部分如圖1 所示。

圖1 5G 融合網(wǎng)建設

5G 通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)位于本礦地上建筑，并保證礦內(nèi)所有5G 通信系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不出礦，不受承建商核心站控制。即使礦端和承建商網(wǎng)絡之間出現(xiàn)網(wǎng)絡中斷等情況，也可以保障煤礦4G 語音和5G 數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼Ｊ褂谩?G 無線系統(tǒng)網(wǎng)可以支持多端口的號碼互撥，并可實現(xiàn)文字留言的功能。

2.2 5G 網(wǎng)絡整體架構示意圖

為根本性解決井下惡劣環(huán)境所造成的數(shù)據(jù)傳輸效率低、信號不穩(wěn)定的問題，達到持續(xù)提升煤礦綜采工作面的技術水平，大陽煤礦針對控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了5G 網(wǎng)絡的部署規(guī)劃。具體分為地面部分和井下部分兩方面，架構示意如圖2 所示。

圖2 5G 網(wǎng)絡整體架構

地面部分包括核心網(wǎng)與SPN 地面部分。其中，核心網(wǎng)為礦用5G 移動通信網(wǎng)絡，由地面的核心網(wǎng)MEC、SPN 環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)構成。核心網(wǎng)的功能主要是提供井下無線網(wǎng)絡的注冊和控制、業(yè)務的鑒權以及語音和數(shù)據(jù)的交換等功能。SPN 地面部分建設有1 臺PTN設備（PTN980），并組成50GE 環(huán)一進一出2 個50GE口。

井下部分包括SPN 與基站兩個部分。由3 臺PTN井下設備和地面設備組成SPN 工業(yè)環(huán)網(wǎng)，用于實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)中設備的接入和承載，通過建設加密虛擬網(wǎng)絡構架業(yè)務等級保護模型，建立業(yè)務物理或邏輯區(qū)域隔離，可根據(jù)實際需要引入，直至符合業(yè)務安全標準。運用4G、5G 雙?；?，主要是基帶控制單元（BBU）、微型射頻拉遠單元（PRRU）和遠端數(shù)據(jù)匯聚單元（RHUB），為井下提供5G 無線信號覆蓋。5G 基站可承載不同業(yè)務系統(tǒng)的終端，針對5G 基站接入的流量，可匹配基站的切片規(guī)劃，在SPN 上規(guī)劃不同的切片。

3 井下建設實踐

3.1 設備的選擇

由于環(huán)境、設備姿態(tài)等相關數(shù)據(jù)的匱乏，無法得知設備在環(huán)境中的位置和狀態(tài)，就無法精準進行下一步?jīng)Q策。本次建設系統(tǒng)的核心部件采用華為公司的技術和產(chǎn)品，華為公司的5G 產(chǎn)品在全球處于領先地位，其產(chǎn)品具有極強的生命力，能夠保證長期的零部件的供應及系統(tǒng)的升級要求。

大陽煤礦井下的基站設備和相關配套設備全部通過認證，一切用于井下的5G 通信設備以及手機必須擁有防爆合格證及安全標志準用證雙重認證，按照新產(chǎn)品審核發(fā)放模式Ⅱ發(fā)放兩年有效期安全標志。這些設備主要有礦用隔爆型數(shù)據(jù)傳輸分站、礦用隔爆兼本安型無線基站等。

3.2 井下基站布置

經(jīng)過多次、多場景測試證實，井下5G 網(wǎng)絡上行速率可達到350 m，時延低于20 ms，在主要巷道等地理環(huán)境較好的區(qū)域，5G 網(wǎng)絡覆蓋半徑可以達到400～500 m，在環(huán)境好的區(qū)域盡量增加基站覆蓋半徑，減少基站投入量，提升經(jīng)濟性。在工作面等區(qū)域，按照200～300 m 半徑建設基站，通過增加信號強度提高應用穩(wěn)定性，井下基站共布置45 個設備，其中，皮基站設備（P-RRU）27 個，主要集中布置在皮帶運輸大巷和軌道運輸大巷，集線器（HUB）11 個，其余見表1。

表1 大陽煤礦5G 網(wǎng)絡整體覆蓋設備列表

在皮帶、振動篩和除塵器等設備上配套安裝PLC控制柜、保護傳感器、攝像頭和改造開關柜。將中央變電所和西風井底變電所高開更換為具有標準通訊協(xié)議和防越級跳閘功能的設備，在變電所安裝電力監(jiān)控分站等設備。

3.3 專網(wǎng)與公網(wǎng)互通

大陽煤礦專網(wǎng)的核心網(wǎng)與屬地的晉城移動公網(wǎng)的核心網(wǎng)實現(xiàn)信令完整對接，進而實現(xiàn)專網(wǎng)與公網(wǎng)的無縫連接，斷開原井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，可通過5G 專用網(wǎng)絡控制試驗生產(chǎn)。5G 作為主要通信鏈路，原有工業(yè)環(huán)網(wǎng)作為備份，為大陽煤礦的5G 專網(wǎng)用戶提供語音通信和數(shù)據(jù)通信業(yè)務的無縫漫游，地面控制室可通過平臺軟件快速切換實現(xiàn)設備連接，從而保證智能工作面系統(tǒng)永遠在線，運行穩(wěn)定、可靠。大陽煤礦建設了本地核心網(wǎng)后，即具備了語音通信的本地交換功能，專網(wǎng)內(nèi)部通信在本地實現(xiàn)自交換,與公網(wǎng)通信通過公網(wǎng)語音通信業(yè)務實現(xiàn)。位于地面調(diào)度室的5G 專網(wǎng)鏈路可全天遠程操控，實現(xiàn)智能化開采，在專網(wǎng)內(nèi)部部署多接入邊緣計算服務器（MEC），實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)通信業(yè)務在大陽礦的地面核心機房落地處理，而不需要傳輸?shù)焦W(wǎng)再返回本地，這是5G 長時間連續(xù)服務于煤礦生產(chǎn)的歷史性進步，綜采工作從需要多人轉(zhuǎn)變?yōu)閱稳诉h程操控和單人巡視，智能化水平顯著提升。

4 建設成果

大陽煤礦在本次工業(yè)環(huán)網(wǎng)改造過程中，實現(xiàn)井上井下的5G 網(wǎng)絡覆蓋率達到95%以上，井下建設了2個可以承載5G 傳輸?shù)墓I(yè)以太環(huán)網(wǎng)，主干帶寬不低于50 GE，每個環(huán)網(wǎng)井下分別配置不少于4 臺主干環(huán)網(wǎng)交換機，三盤區(qū)變電所、中央變電所、避難硐室和集中變電所各1 臺，用于視頻和數(shù)據(jù)的傳輸。

井下所部署的2 臺互為熱冗余的環(huán)網(wǎng)地面核心交換機，每臺背板帶寬最低為640 Gbit/s，上行速度＞1 000 Mbit/s，下行速度＞100 Mbit/s。在此基礎上，可自由調(diào)換上行、下行速度，在帶寬上滿足了視頻、大數(shù)據(jù)和大業(yè)務的回傳要求，支持各種有線網(wǎng)絡信號與5G 互轉(zhuǎn)，保障5G 通信系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)（除需撥打外線語音外）安全與穩(wěn)定[4-5]。

在智能化礦山云平臺基礎上部署一體化監(jiān)管平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺和手機APP 平臺。實現(xiàn)井上井下三維一張圖可視化監(jiān)測、綜合自動化全景管控、多系統(tǒng)融合聯(lián)動和手機APP 移動查看各項數(shù)據(jù)。架空人車巷道的機頭、機尾上車點以及上、下變坡點等關鍵點安裝攝像頭和控制軟件，使用效果如圖3 所示。

圖3 設備使用效果

5 結(jié)語

“5G+”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在煤礦應用的帷幕剛剛拉開，煤礦生產(chǎn)進入了智能化加速建設的新階段。近年來，大陽煤礦為實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)升級進行了大量探索，在主斜井皮帶以及主運皮帶安裝PLC 控制柜、攝像頭等設備，在主斜井皮帶安裝巡檢機器人，對主運皮帶四部帶進行變頻改造以及增加煤量檢測傳感器。實現(xiàn)“逆煤流啟動，順煤流停車”，一鍵啟動、一鍵停機，自動調(diào)速，防止皮帶發(fā)生火災等功能，有效提高了生產(chǎn)效率，為煤礦由勞動密集型向人才密集型轉(zhuǎn)變作出了積極的貢獻，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。