相切環(huán)網(wǎng)絡(luò)在智能化地下礦山中的應(yīng)用

〔摘 要〕以某鉛鋅礦為例，針對(duì)具有多個(gè)采掘中段同時(shí)作業(yè)或多個(gè)采區(qū)資源整合的地下開(kāi)采礦山，對(duì)比了單環(huán)網(wǎng)絡(luò)和相切雙環(huán)網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合后期多環(huán)網(wǎng)接入需求和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性保障需求，對(duì)雙環(huán)網(wǎng)核心層進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種設(shè)置2臺(tái)核心交換機(jī)、采用冗余配置方案的改進(jìn)型相切雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的單環(huán)網(wǎng)絡(luò)，相切環(huán)網(wǎng)絡(luò)既能保證各類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，又能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間短要求，且網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性更好。將采用相切環(huán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的多路萬(wàn)兆級(jí)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，作為整個(gè)智能化礦山數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠承載井下各類(lèi)電子信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)，并配置工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，提高網(wǎng)絡(luò)管理效率，降低運(yùn)維成本。

〔關(guān)鍵詞〕相切環(huán)網(wǎng)絡(luò)；萬(wàn)兆工業(yè)以太網(wǎng)；智能化礦山；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD67;TN914" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-0032-04

Application of Tangent-ring Network in Intelligent Underground Mine

YU Liang

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" Taking a lead-zinc mine as an example， for underground-mining mines with simultaneous operation at multiple extraction levels or multiple areas resource integration， the paper compares the two network architectures of single-ring network and tangent dual-ring network. According to the demand for access to multiple-ring network and the demand for network stability at a later stage， the improvements are made to the core layer of the dual-ring network， proposing a kind of improved tangent dual-ring network structure， which is equipped with two core switches and adopts a redundancy configuration scheme. It is found in the comparison that compared to the traditional single-ring network， tangent-ring network can ensure the stability of various data transmission， while satisfying the requirements of shorter network delay， and have better network scalability. The multi-channel 10 gigabit industrial Ethernet ring network established with tangent ring network will be used as the basic network platform for the data transmission of the entire intelligent mine， it is capable of carrying various underground electronic information system services， equipped with an industrial network management platform to improve the network management efficiency and reduce the operation and maintenance costs.

Keywords" tangent-ring network; 10 gigabit industrial Ethernet; intelligent mine; industrial network management platform

為滿(mǎn)足智能化地下礦山的建設(shè)要求，井下需要設(shè)置多種電子信息系統(tǒng)，主要包括人員定位、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、通信聯(lián)絡(luò)、交通燈控制、電機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛、礦機(jī)設(shè)施遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)控制、通風(fēng)機(jī)、水泵房和中央配電室的無(wú)人值守等系統(tǒng)[1-2]。這些系統(tǒng)業(yè)務(wù)不僅種類(lèi)繁多、數(shù)據(jù)量大，要求數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠且實(shí)時(shí)性高，同時(shí)還須滿(mǎn)足數(shù)據(jù)融合共享的要求。為此，地下礦山開(kāi)采需要構(gòu)建1套帶寬高、延時(shí)低井下智能化網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，承載多系統(tǒng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)融合，同時(shí)保證各類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和可靠性。本文以某鉛鋅地下礦為例，介紹采用單環(huán)網(wǎng)絡(luò)、相切環(huán)網(wǎng)絡(luò)和改進(jìn)相切換網(wǎng)絡(luò)3種方式構(gòu)建的萬(wàn)兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，并對(duì)比兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為類(lèi)似地下礦山智能化建設(shè)提供參考。

1 礦區(qū)概況

某鉛鋅地下礦為新建地下開(kāi)采礦山，采用“豎井+輔助斜坡道”開(kāi)拓運(yùn)輸方式，探礦斜井作為輔助進(jìn)風(fēng)通道，北回風(fēng)井作為礦山生產(chǎn)期間的回風(fēng)通道。該礦設(shè)計(jì)規(guī)劃開(kāi)采范圍為+160 ～-640 m，首采中段為-190 m、-240 m，回風(fēng)聯(lián)絡(luò)工程和充填管路位于中段-140 m，溜破和提升工程位于-275～-355 m。開(kāi)拓運(yùn)輸方案主要工程包括主井、副井、輔助斜坡道、探礦斜井和北回風(fēng)井。各生產(chǎn)中段均與副井、輔助斜坡道、探礦斜井、北回風(fēng)井連通，并通達(dá)地表。具體布置見(jiàn)圖1。

在輔助斜坡道和探礦斜井地表入口毗鄰處設(shè)置有礦調(diào)度指揮中心，內(nèi)配置礦山智能化系統(tǒng)所需的核心設(shè)備，包括超融合服務(wù)器、各管理工作站、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備、核心層交換機(jī)、IP程控交換機(jī)、OPC服務(wù)器、在線UPS和大屏顯示設(shè)備，管理整個(gè)礦區(qū)所有的智能化和信息化系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案比選

２.1" 三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的要求，井下有線通信線纜應(yīng)設(shè)2條，從不同的井筒連接井下設(shè)備，以保證在1條通信線纜發(fā)生故障時(shí)，另1條線纜仍可以正常工作。以太環(huán)網(wǎng)是由一組IEEE 802.1兼容的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口與其他兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連[3]。結(jié)合規(guī)范中“每個(gè)礦井至少要有兩個(gè)安全出口”的要求，地下礦山網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)采用以太環(huán)網(wǎng)方式構(gòu)建最為合理[4]。這也是目前最為常用的方式，滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸鏈路的冗余要求。

2.1.1" 單環(huán)網(wǎng)絡(luò)

單環(huán)網(wǎng)絡(luò)將輔助斜坡道和副井兩個(gè)主要人員出入的安全通道，作為通信線纜出入井筒井口。該方案采用單模光纜，主干環(huán)網(wǎng)敷設(shè)路徑為礦調(diào)度指揮中心→副井→-240 m中段→輔助斜坡道→礦調(diào)度指揮中心，覆蓋了2個(gè)安全通道和最低生產(chǎn)中段。在礦調(diào)度指揮中心設(shè)置核心層交換機(jī)1臺(tái)，在副井井口，-140 m、-190 m等中段副井馬頭門(mén)，-240 m中段水泵房配電室、牽引變電硐室和避災(zāi)硐室，-140 m、

-190 m、-240 m中段與斜坡道聯(lián)絡(luò)巷，以及輔助斜坡道口等主干環(huán)網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，共8臺(tái)。采用礦用光纖沿主干環(huán)網(wǎng)敷設(shè)路由，依次級(jí)聯(lián)所在路徑處設(shè)置的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，形成1個(gè)獨(dú)立的單環(huán)網(wǎng)絡(luò)。-275 m、-305 m中段和北回風(fēng)井井口的接入交換機(jī)以樹(shù)形方式連接至主干環(huán)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)詳見(jiàn)圖2。

圖2" 單環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

2.1.2" 相切雙環(huán)網(wǎng)

相切雙環(huán)網(wǎng)是在兩個(gè)單環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要傳輸節(jié)點(diǎn)上以相切的方式相連，實(shí)現(xiàn)環(huán)路網(wǎng)中兩個(gè)跨接網(wǎng)元整合一體。采用相切雙環(huán)網(wǎng)方案將輔助斜坡道、探礦斜井和副井3個(gè)主要人員出入的安全通道均作為通信線纜出入井筒井口，構(gòu)建2條主干環(huán)網(wǎng)，路徑分別為：1）礦調(diào)度指揮中心→副井→-190 m中段→探礦斜井→礦調(diào)度指揮中心；2）礦調(diào)度指揮中心→副井→-240 m中段→輔助斜坡道→礦調(diào)度指揮中心。環(huán)網(wǎng)路徑覆蓋了2個(gè)首采中段和3個(gè)安全通道。設(shè)備設(shè)置上，在礦調(diào)度指揮中心設(shè)置核心層交換機(jī)1臺(tái)；在副井井口，-140 m、-190 m等中段副井馬頭門(mén)，-140 m中段與探礦斜井聯(lián)絡(luò)巷，-190 m中段牽引變電硐室，-240 m中段水泵房配電室，牽引變電硐室和避災(zāi)硐室，以及輔助斜坡道口等主干環(huán)網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，共9臺(tái)。采用礦用光纖，均由礦調(diào)度指揮中心的核心層交換機(jī)引出，分別沿上述兩條主干環(huán)網(wǎng)敷設(shè)路由，依次級(jí)聯(lián)所在路徑處設(shè)置的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，形成兩個(gè)獨(dú)立的單環(huán)網(wǎng)絡(luò)。其中，-275 m、-305 m中段和北回風(fēng)井井口的接入交換機(jī)以樹(shù)形方式連接至其中一條主干環(huán)網(wǎng)。相切環(huán)網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)詳見(jiàn)圖3所示。

圖3" 相切雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由圖3可知，-190 m中段和-240 m中段兩個(gè)首采中段均構(gòu)建1個(gè)獨(dú)立單環(huán)網(wǎng)，將核心交換機(jī)作為相切環(huán)的核心節(jié)點(diǎn)，采用相切環(huán)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單環(huán)網(wǎng)整合。

2.1.3" 改進(jìn)的相切雙環(huán)網(wǎng)

采用萬(wàn)兆級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)方式構(gòu)建環(huán)網(wǎng)，所有的節(jié)點(diǎn)交換機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)要求。目前，市面上各知名廠商的工業(yè)級(jí)交換機(jī)萬(wàn)兆端口均不超過(guò)8個(gè)?？紤]到預(yù)留2個(gè)萬(wàn)兆端口經(jīng)工業(yè)防火墻上傳至礦區(qū)智能化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，核心交換機(jī)最多可實(shí)現(xiàn)3個(gè)獨(dú)立單環(huán)網(wǎng)組成的相切環(huán)。為滿(mǎn)足后期更多環(huán)網(wǎng)接入的需求，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，本項(xiàng)目對(duì)雙環(huán)網(wǎng)核心層進(jìn)行了改進(jìn)，在調(diào)度指揮中心設(shè)置2臺(tái)核心層交換機(jī)，采用冗余配置方案，其他區(qū)域設(shè)置的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、接入層交換機(jī)以及兩條主干環(huán)網(wǎng)的敷設(shè)路徑均和相切雙環(huán)網(wǎng)一致，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)詳見(jiàn)圖4。改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)最多6個(gè)獨(dú)立單環(huán)網(wǎng)組成的相切環(huán)，足以滿(mǎn)足礦山需求。同時(shí)，冗余架構(gòu)進(jìn)一步保證核心層傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)1臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能夠?qū)崟r(shí)切換到另外1臺(tái)設(shè)備上運(yùn)行，保證整個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)不中斷。

2.2 三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)比

針對(duì)上述單環(huán)網(wǎng)絡(luò)、相切雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)、 改進(jìn)的相切雙環(huán)網(wǎng)３種架構(gòu)，在使用相同技術(shù)參數(shù)的交換設(shè)備前提下，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)網(wǎng)覆蓋區(qū)域、可靠性、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性以及成本費(fèi)用等多個(gè)方面進(jìn)行比較，對(duì)比情況見(jiàn)表1所示。

３" "交換機(jī)選型

由網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可知，網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)使用地面核心交換機(jī)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和接入交換機(jī)3種類(lèi)型交換機(jī)。性能參數(shù)要求分述如下。

1）地面核心交換機(jī)。作為網(wǎng)絡(luò)流量的匯聚點(diǎn)和承載點(diǎn)，核心交換機(jī)負(fù)責(zé)連接各環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、各管理工作站群、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、核心管理設(shè)備和各服務(wù)器群等，同時(shí)滿(mǎn)足和礦區(qū)智能化網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的核心層對(duì)接要求。其應(yīng)具備三層交換和網(wǎng)管功能（工業(yè)級(jí)，機(jī)架式），提供至少6個(gè)萬(wàn)兆接口 +8個(gè)千兆光口+24個(gè)千兆以太網(wǎng)電口；支持VLAN、組播、QoS、快速冗余環(huán)等軟件特性，支持靜態(tài)路由、RIP、OSPF等標(biāo)準(zhǔn)化路由協(xié)議，支持基于NAT的IP轉(zhuǎn)換，支持基于SNMP的網(wǎng)管軟件，且環(huán)網(wǎng)自愈時(shí)間小于20 ms。核心交換機(jī)的供電由礦調(diào)度指揮中心的在線UPS提供。

2）環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。作為網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的主干節(jié)點(diǎn)，同時(shí)考慮到承載業(yè)務(wù)前端設(shè)備需要的接入端口數(shù)量。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)至少應(yīng)具備二層交換和網(wǎng)管功能（工業(yè)級(jí)、機(jī)架式），提供至少4個(gè)萬(wàn)兆接口 +8個(gè)千兆光口+16個(gè)千兆以太網(wǎng)電口；支持VLAN、組播、QoS、快速冗余環(huán)等軟件特性，支持基于SNMP的網(wǎng)管軟件，且環(huán)網(wǎng)自愈時(shí)間小于20 ms。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)安裝在井下，需要放置在礦安認(rèn)證的機(jī)柜內(nèi)，且由在線UPS供電。

3）接入交換機(jī)。作為網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的支路節(jié)點(diǎn)，考慮承載業(yè)務(wù)前端設(shè)備需要的接入端口數(shù)量。接入交換機(jī)至少應(yīng)具備二層交換和網(wǎng)管功能（工業(yè)級(jí)，導(dǎo)軌式），至少提供4個(gè)千兆光口+16個(gè)千兆以太網(wǎng)電口；支持VLAN功能和基于SNMP的網(wǎng)管軟件。該設(shè)備安裝在井下，可設(shè)置在礦安認(rèn)證且具備2 h備用電源的機(jī)箱內(nèi)。

４" "工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

為提高網(wǎng)絡(luò)管理效率、降低運(yùn)維成本、減少網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，為相切多環(huán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置1套工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理軟件。網(wǎng)管軟件部署在與井下智能化傳輸網(wǎng)絡(luò)相連接的地下礦山安全系統(tǒng)服務(wù)器上，滿(mǎn)足工業(yè)以太網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置、監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)診斷要求，可自動(dòng)偵測(cè)到所有節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)和 SNMP/IP 設(shè)備，在本地或以遠(yuǎn)程方式，通過(guò) Web 瀏覽器管控所有節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)[6]具備以下主要功能：1）可視化，包括冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的冗余鏈路狀態(tài)和設(shè)備角色可視化、VLAN 組圖像的可視化、顯示符合工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信安全狀態(tài)等；2）網(wǎng)絡(luò)診斷和事件通知，包括實(shí)時(shí)偵測(cè)問(wèn)題或定期通過(guò)輪詢(xún)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、可搜集帶寬利用率和數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率等統(tǒng)計(jì)數(shù)字，并生成趨勢(shì)圖等；3）綜合報(bào)告，主要包括提供設(shè)備可用性報(bào)告和記錄、為網(wǎng)絡(luò)上的每臺(tái)設(shè)備生成庫(kù)存報(bào)告和生成網(wǎng)絡(luò)流量趨勢(shì)報(bào)告；4）實(shí)現(xiàn)帶寬分析，即將節(jié)點(diǎn)中所有交換機(jī)帶寬使用情況上報(bào)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)定帶寬占用情況設(shè)置網(wǎng)絡(luò)告警信息；5）環(huán)網(wǎng)切換、網(wǎng)絡(luò)鏈路和設(shè)備狀態(tài)等提醒，以及界面方式呈現(xiàn)。

5" "結(jié)論

綜上所述，相切環(huán)網(wǎng)絡(luò)除成本費(fèi)用更高外，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)網(wǎng)覆蓋區(qū)域、可靠性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等方面優(yōu)于單環(huán)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于構(gòu)建智能化礦山的企業(yè)，選擇改進(jìn)的相切環(huán)網(wǎng)更為合理，同時(shí)配置工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，有效減少網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，提升網(wǎng)管效率。

相切環(huán)網(wǎng)除可以運(yùn)用在多個(gè)采掘中段同時(shí)作業(yè)（每個(gè)采掘中段構(gòu)建１個(gè)子環(huán)網(wǎng)）的礦山外，同樣適用于多個(gè)采區(qū)資源整合的礦山，每個(gè)礦區(qū)可構(gòu)建一個(gè)子環(huán)網(wǎng)，即實(shí)現(xiàn)在礦調(diào)度指揮中心網(wǎng)絡(luò)整合，又保證每個(gè)礦區(qū)數(shù)據(jù)傳輸相互不干擾。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳奶明.智慧礦山建設(shè)發(fā)展方案及趨勢(shì)的分析與研究[D]. 山西：太原理工大學(xué)，2020.

[2] 喬振峰，謝進(jìn)，王占飛，等.基于“7+1+1”基礎(chǔ)架構(gòu)的智能礦山建設(shè)[J].工礦自動(dòng)化，2022，48（增刊1）：1-5.

[3] “科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)組.以太環(huán)網(wǎng)[EB/OL].（2022-03-22）https：//baike.baidu.com/ item/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%8E%AF%E7%BD%91/10388854？fr=ge_ala.

[4] 胡繼峰，張文濤，薛德強(qiáng)，等.復(fù)雜條件下礦井萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)升級(jí)改造研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（增刊2）：92-97.

[5] 何加. 光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的理論研究和仿真分析[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013.

[6] 姜玉峰. 礦用PON及其演進(jìn)技術(shù)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)，2023，32（10）：88-94.

收稿日期：2023-10-26

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：贛科發(fā)計(jì)字〔2021〕142號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：余亮（1985—），男，高級(jí)工程師，主要從事通信工程設(shè)計(jì)、實(shí)施工作。