李 強，鐘仕軍，賴亞寒*，宋仕斌,2

（1. 四川公眾項目咨詢管理有限公司，成都 610058；2. 四川大學錦江學院，眉山 620860）

0 引言

礦山生產條件艱苦、工作環(huán)境惡劣、地質變化復雜，面臨地質災害、坍塌、冒頂片幫、水災、爆炸、高處墜落、物體打擊、中毒和窒息、機械傷害、車輛傷害、火災、粉塵、噪聲和振動傷害等多種危險有害因素和安全事故風險。煤礦安全生產的關注重點是井下工人作業(yè)場所具有高度危險性以及不確定變化。傳統工人工作方式需要靠人眼判斷狀態(tài)，重復啟停操作井下大量生產設備，面對井下作業(yè)場所多、設備多、操作枯燥重復繁重的特質，作業(yè)人員極易思想懈怠、操作失誤［1］。傳統礦山自動化信息系統仍然存在設備移動性受限、光電纜易損毀、視野盲區(qū)、信息孤島、缺乏智能感知能力等不足，難以對礦山作業(yè)場所環(huán)境危險因素、人的違規(guī)行為、設備的異常狀態(tài)做出及時、精準的判斷，容易導致生產安全事故發(fā)生。本文以煤礦安全生產為例，提出基于5G 專網的智慧礦山解決方案，是礦山數字化、智能化、自動化轉型升級的發(fā)展趨勢。

1 智慧礦山5G通信網絡需求分析

5G 移動通信具有大寬帶、高可靠、低時延、移動性和海量接入等優(yōu)點。隨著5G+工業(yè)互聯網的持續(xù)深入推進和行業(yè)廣泛應用，5G 網絡與礦山作業(yè)流程、安全深度融合，賦能5G+智能采掘、5G+4K 高清視頻、5G+無人駕駛、5G+無人安全機巡檢等智慧礦山典型應用場景［2］。智慧礦山對5G 無線通信網絡需求見表1。安全管理工作人員在煤礦調度集控中心通過綜合自動化系統、安全生產智慧云平臺能夠實時檢查、監(jiān)控、調度煤礦作業(yè)現場安全生產，實現煤礦高危作業(yè)場景少人化、無人化、自動化、標準化運行，在助力礦山企業(yè)降本、提質、增效經營管理目標的同時實現作業(yè)現場“本質安全”，提升煤礦安全管理能力。

表1 智慧礦山典型應用場景網絡應用需求

智慧礦山依托5G 無線網絡技術，“5G+無人駕駛”技術利用5G、物聯網、大數據和云平臺算力實現煤礦運輸卡車的無人駕駛，實現井下“以物換人”。采用“5G+無人機巡檢”方式實現對煤礦井上和洗煤廠進行遠程無人機安全巡檢，降低人工巡檢頻次，提升安全巡檢效率。“5G+高清攝像頭”，將礦山地面及井下作業(yè)現場危險區(qū)域的4K 超高清視頻海量數據通過5G 無線基站高速回傳，在礦區(qū)中心機房LED 大屏同步展現，實現礦山高危作業(yè)場景安全管理透明化、可視化?！?G+井下信息礦燈”實現可視通話、移動廣播、群組對講和一鍵調度等功能。激光瓦斯報警儀、智能手環(huán)等智能傳感器采集感知數據。通過5G 無線網絡實現移動環(huán)境監(jiān)測、生命體征數據的實時傳輸，實現人、物與環(huán)境的智能互聯及動態(tài)感知，為遠程掘進、智能綜采提供數據采集功能。

2 智慧礦山5G專網方案設計

本文為解決傳統礦山安全生產的痛點、難點問題，結合智慧礦山典型應用場景需求和中興通訊［3］面向能源行業(yè)推出的專用輕量級核心網產品提出基于“700M+2.6G/3.5G”多頻融合的5G專網智慧礦山解決方案，如圖1所示。

圖1 多頻融合的5G專網智慧礦山解決方案

700MHz 低頻段覆蓋遠、時延低、穿透力強、抖動小，可完成井上井下基礎語音、數據和物聯的低成本組網。700MHz 頻段覆蓋效果優(yōu)異，實測巷道覆蓋半徑可達到800～900 米。因此，覆蓋同樣長度的巷道，采用700M 頻段建網需要部署的基站數大約為2.6GHz/3.5GHz 頻所須的1/4～1/3 左右，大大降低了礦山井下5G 無線網絡的建設投資。2.6G/3.5GHz 大帶寬的優(yōu)勢可提升系統容量，同時結合1D3U 靈活幀結構，大幅增強上行的邊緣速率。700M“黃金頻段”和2.6G/3.5G 在頻率和制式的差異可以在智慧礦山通信建設中實現優(yōu)勢互補。服務煤礦的所有5G網元采取專享模式與電信運營商5G核心網互聯互通。“700MHz+2.6G/3.5G”多頻融合5G 專網創(chuàng)新方案，較傳統單頻組網覆蓋距離提高了4～6 倍、時延降低35%［4］。為礦山地面及井下安全生產提供信息化綜合管理平臺。

2.1 智慧礦山5G專網軟硬件配置

“700 MHz+2.6G/3.5G”多頻融合5G專網軟硬件一體化設計，最簡配置僅需一臺服務器。i5GC 可以量體裁衣，靈活組合NF，滿足智慧礦山不同高危作業(yè)場景下的無線網絡通信功能需求。支持礦區(qū)內各種終端的泛在接入，滿足高速、中速、低速等多種網絡連接需求。核心網的AMF+SMF+UDM+PCF+UPF+IMS 網絡功能單元下沉礦區(qū)機房，提供融合數據語音接入；核心網AMF+SMF+UDM+UPF 下沉礦區(qū)機房，提供數據接入；核心網的AMF+SMF+UPF 網絡功能單元下沉礦區(qū)機房，復用大區(qū)UDM，其它網元下沉部署，電信運營商統一開卡放號；核心網僅下沉部署極簡UPF，為智慧礦山提供高性價比的分布式數據傳輸服務。

2.2 獨立專網

5G 獨立專網（SA）通過5G 網絡切片功能為智慧礦山用戶提供無線接入、承載網及核心網的全程端到端、物理隔離、自主運維的5G 網絡系統。等同于礦山業(yè)主單位自主建設專用5G 網絡，專網專用，重要控制數據不出礦區(qū)，保障礦山數據高度安全，為智慧礦山提供確定性的端到端網絡服務保障［5］。

2.3 用戶面功能（UPF）下沉

智慧礦山用戶面功能（UPF）下沉方案可以最大程度共享5G 專網無線網絡資源，包括無線網RRU（AAU）、SPN 承載網、i5GC 核心網。通過共享電信運營商的公網5G 宏站網絡建設，將UPF 網元下沉礦區(qū)，實現公網專用，滿足智慧礦山高帶寬、低時延、移動性和廣連接的通信需求，同時通過電信運營商統一提供專業(yè)運維服務，提升礦山企業(yè)的生產效率。

2.4 應急備份核心網

智慧礦山i5GC 核心網CPF 信令功能利用電信運營商公網實現，疊加i5GC 輕量化的應急控制面網元，當在智慧礦區(qū)和電信運營商公網之間的傳輸鏈路異?；蛘甙l(fā)生故障時，由應急備份核心網接管礦區(qū)業(yè)務，提供極致容災備份和雙網傳輸可靠性，實現“網斷業(yè)不斷”。當傳輸鏈路恢復時，可自動切換回電信運營商公網運行。礦山地質災害等危險環(huán)境監(jiān)測、生產作業(yè)裝備大都是在移動中持續(xù)推進，傳輸光纖容易出現中斷故障導致斷網。本方案進行設備和鏈路級的冗余保護設計外，提出了L1 和L2 級網絡容災解決方案，確保危險作業(yè)環(huán)“斷纖不斷網”。這種高可靠組網方案不僅可以復用5G 成熟商用電信運營商公網，讓礦山生產企業(yè)快速建網，同時提供極致可靠保障，滿足礦山不間斷的業(yè)務作業(yè)和安全生產管理需求。

2.5 智慧礦山5G專網語音方案

在智慧礦山5G 專網建設中，本方案建議采用中興i5GC 疊加部署輕量化iIMS 語音系統，提供智慧礦山5G 專網語音解決方案。支持與現網中礦山語音調度系統實現對接，滿足礦山地面、井下的應急廣播、指揮調度、對講通話等語音和視頻通話需求，為智慧礦山井下工人及安全管理人員提供成本低、功能全、體驗佳的語音通信能力。

2.6 井下5G無線覆蓋方案

礦井下5G 無線網絡信息覆蓋使用皮基站設備，經防爆設計改造后，具備隔爆功能，功率低、安裝靈活。皮基站采用BBU-PB-pRRU 三級的星型組網架構，礦井下巷道里每個點位設計一個5G 皮基站并外接兩面定向天線覆蓋兩個方向。皮基站掛墻安裝在隧道側壁或者頂部，本地取電，最大拉遠可到10 公里。井下5G 網絡規(guī)劃分為三種場景：①在井下較直、坡度較小的巷道，5G 皮基站天線向左右方向覆蓋，覆蓋半徑按300 米設計；②在巷道彎度較大的轉彎處布置5G 皮基站；③在巷道彎道較多的地方布設5G 皮基站，天線向左右方向覆蓋，覆蓋半徑建議按100～150 米設計。網絡設計還需考慮礦井巷道起伏坡度，為實現信號全覆蓋，對各個重要區(qū)域進行基站安裝位置設計，具體位置及數量根據實際工勘進行調整。

2.7 5G防爆“本安基站”

本方案建議采用中興通訊等廠家推出的隔爆型防爆5G“本安基站”，通信設備廠商對低功率皮基站的結構、散熱、前傳、授時、耐壓隔離等方面進行優(yōu)化和節(jié)能改造，“本安基站”在電磁兼容性、5G 設備散熱及ERIP 功率限制等方面具有優(yōu)異特性，體積小、重量輕、功耗低、安全性高，特別適用煤礦井下部署。

3 5G+智慧礦山安全管理應用案例及功能驗證

陜西隆德煤礦聯合華電煤業(yè)［6］、中國移動和中興通訊推動“5G+智慧礦山”建設，成為國家首批智能化示范煤礦，如圖2所示。本應用案例基于“井下部署一站、井下部署一柜、綜合管理一平臺”的創(chuàng)新理念架構設計，礦區(qū)中心機房部署i5GCEPC、iIMS和統一網管系統，形成“井上、井下一張網”。通過“700M+2.6G/3.5G”多頻融合的5G 專網構建具有大帶寬、低時延、高可靠和安全隔離的新型智慧礦山。采用5G 本安基站的無線網絡承載礦區(qū)地面、井下傳感器數據采集、信息傳輸業(yè)務，對井下高危作業(yè)場景視頻監(jiān)控數據大帶寬上行回傳。實現“降本增效”產業(yè)升級和作業(yè)現場“本質安全”，提升礦區(qū)安全生產能力。

物聯感知、人工智能、自動控制與5G 無線通信技術的深度融合，掘進機、采煤機、錨桿臺車、礦卡無人駕駛、機器人安全巡檢實現精準控制和全天候監(jiān)控，貫穿煤礦企業(yè)全流程、智能化安全管理。在建設智慧礦山的過程中，5G 專網為礦山提供可靠高效的基礎網絡，支撐視頻監(jiān)控、遠程控制、信息采集、人員通訊等業(yè)務在礦山的應用。

3.1 智能采煤

綜采工作面大型設備多，作業(yè)空間狹小、視覺環(huán)境差，潛在安全事故風險高，給綜采面的日常運維帶來巨大困難。在井下綜采面部署5G 無線專網，通過把高清攝像視頻流回傳集控中心，實現對綜采面環(huán)境的實時立體感知。在綜采面的大型機械由廠家完成對控制系統改造再接入5G 專網系統，實現設備的狀態(tài)數據采集和遠程自動控制。在綜采面大量、密集部署高清攝像頭，利用5G 專網大寬帶上行回傳能力實現對作業(yè)環(huán)境全面感知與安全監(jiān)控。

3.2 智能掘進

井下煤礦掘進工作面地質條件復雜并處于動態(tài)變化之中，掘進操作過程中可能存在片幫、冒頂、瓦斯突出、粉塵爆炸等事故風險。掘進工作面通過部署5G 專網，破碎機、錨桿機、皮帶機作業(yè)現場4K 高清監(jiān)控視頻回傳，實現對掘進設備的遠程智能操控、指揮調度，實現了對綜掘工作面智能化升級改造，逐步實現“機械化換人、自動化少人、智能化無人”智慧礦山安全管理目標［7］。

3.3 巷道智能巡檢

煤礦巷道和硐室都有定期巡檢的要求。特別是巷道內的皮帶運輸系統，有的長度超過20公里，巡檢難度大，效率低；如異物容易導致皮帶損傷，皮帶跑偏導致火災。通過井巷道和硐室的5G 覆蓋，采用5G 安全巡檢機器人對危險作業(yè)環(huán)境進行定期安全巡檢，將環(huán)境安全監(jiān)測信息及高清視頻數據通過5G 專網實時回傳至智慧礦山綜合監(jiān)管平臺，通過大數據分析、研判，及時對井下安全隱患發(fā)出告警。

3.4 案例成效

陜西隆德煤礦“5G+智慧礦山”方案的推廣應用，單就采煤機一類設備就實現連續(xù)生產，開機率提升約20%，實現綠色、高效、智能及安全生產。陜西隆德煤礦產品為低硫、低灰、高發(fā)熱量的優(yōu)質化工及動力用煤，目前煤炭生產規(guī)模約為800 萬噸/年，“5G+智慧礦山”建設大幅提升礦井生產能力，已達到同地區(qū)同產能礦井先進水平，經濟效益良好。

4 結語

本文通過對礦山危險作業(yè)場景安全風險進行分析，根據礦山智能化升級改造對5G 無線通信網絡需求展開研究和梳理，結合中興通訊5G通信技術及“本安基站”設備，提出基于“700M+2.6G/3.5G”多頻融合的5G 專網智慧礦山解決方案，詳細闡述5G 專網、井下語音通信及信號覆蓋系統部署。陜西隆德煤礦“5G+智慧礦山”解決方案的成功應用，實現了煤礦高產高效、安全生產、可持續(xù)高質量發(fā)展目標。我國“5G+智慧礦山”應用仍處于從標桿示范向模型化商用過渡階段［8］。未來，通信設備供應商將持續(xù)開展技術創(chuàng)新，從自動化、智能感知、大數據應用、生態(tài)合作、安全高效等方向拓展賦能［9］。不斷迭代升級“5G+智慧礦山”解決方案，助力礦山等能源行業(yè)轉型升級與創(chuàng)新發(fā)展。