基于智能煤礦井下網絡需求的5G 解決方案初探

朱 永

中國聯(lián)合網絡通信集團有限公司徐州分公司

0 引言

2020 年2 月25 日，發(fā)改委、能源局等8 部委聯(lián)合印發(fā)了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，提出將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發(fā)利用深度融合，以便形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實現煤礦開拓、采掘（剝）、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行。

當前大部分煤礦井下智能化的網絡載體仍然采用的是4G+WIFI 的部署。然而，4G 及WIFI 網絡具有一定的局限性網絡速度慢、抗干擾性差、不安全、時延大。近年來，國家加大了“機械化減人，自動化換人”的政策推廣力度。隨著煤炭產業(yè)相關新技術的成熟和示范礦井的成功運行，工作一線“減人”已是行業(yè)內的共識，“煤黑子”將成為歷史，“穿西裝的采煤技術工人”將成為當代煤礦工人的象征。目前，煤礦作業(yè)整體正處于后機械化時代，逐步走向自動化，這對通信提出了更高要求。

礦區(qū)采用骨干網絡+MEC+5G 邊緣網絡的融合，可以有效解決礦區(qū)最為關心的網絡可靠性、抗干擾及專有性問題。因此，井下智能化的發(fā)展必須盡快進行網絡的優(yōu)化調整，以適應煤礦智能化的需求。

1 煤礦智能化需求分析

1.1 智能化對于網絡的需求分析

煤炭作業(yè)現場總線連接大量的檢測傳感器、執(zhí)行器和工業(yè)控制器，通信速率在數kbps 到數十kbps。近年來，雖然已有部分支持工業(yè)以太網通信接口的現場設備，但仍有大量的現場設備依舊采用電氣硬接線直連控制器的方式連接。即使部分使用無線通信，往往也是采用安全性低、抗干擾性差、速度低的WIFI 網絡，遠遠達不到井下智能化連接的需求。如圖1、圖2 所示，傳統(tǒng)的網絡已經無法滿足井下對移動性、低時延的各項應用需求。

圖1 井下煤礦對于網絡的需求分析1

圖2 井下煤礦對于網絡的需求分析2

1.2 智能化對于網絡的需求分類

不同的煤炭作業(yè)現場有著不同的網絡需求，而煤礦面臨的最大智能化問題包括全面感知、智能控制、智能采掘等，解決這些問題是實現智能煤礦、無人煤礦最根本的要求。首要需求就是高質量的無線網絡。

總體來說，滿足煤礦井下安全基礎的高質量網絡需求可以分為三類無線網絡的需求、低時延的需求、高帶寬的需求。3G/4G 或者WIFI 網絡難以滿足這樣的需求。如表1 所示，可以看出傳統(tǒng)的無線方式已經滿足不了煤炭智能化的需求。

表1 井下煤礦不同網絡能力分析

2 煤礦智能化需求解決方案

2.1 安全保障

按GB3836.1-2000 標準生產，專供煤礦井下使用的防爆電器設備分為隔爆型、增安型、本質安全型等，如圖3 所示，其中本質安全型電器設備的特征是其全部電路均為本質安全電路，即在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產生的電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物的電路。也就是說，該類電器不是靠外殼和填充物防爆，而是其電路在正常使用或出現故障時產生的電火花或熱效應的能量于0.28 mJ，即瓦斯?jié)舛葹?.5%（最易爆炸的濃度）最點燃能量。隔爆型設備是把設備可能點燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一個外殼內，其外殼能夠承受外殼內部的可燃性混合物在內部爆炸而不損壞，并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點燃（參見GB 3836 2 標準）。依據煤礦的井下安全，首選網絡部署的設備應該支持本質安全型，其次為隔爆型。

圖3 井下煤礦安全需求

2.2 井下網絡的解決方案

5G+MEC 等新技術的發(fā)展為井下需求的低時延、高帶寬、高安全、高可靠的網絡提供了解決方案。

5G 彌補了4G 和WiFi 技術的不足，在吞吐率、時延、連接數量、能耗等方面進一步提升了系統(tǒng)性能。5G 相較于4G的優(yōu)勢實現單位面積移動數據流量增長1000 倍；在傳輸速率方面，典型用戶數據速率提升10 到100 倍，峰值傳輸速率可達10Gbps（4G 為100Mbps）；端到端時延縮短5-10 倍，頻譜效率提升5-10 倍，網絡綜合能效提升1000 倍。

MEC（Multi-access Edge Computing）多接入邊緣計算，將計算存儲能力與業(yè)務服務能力向網絡邊緣遷移，使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署，從而在一定程度上解決了5G eMBB、URLLC 以及mMTC 等技術場景的業(yè)務需求。

2.2.1 全面感知的5G 解決方案

傳統(tǒng)的有線傳輸方式難以適應井下移動作業(yè)戰(zhàn)線長、監(jiān)測范圍廣的要求。井下建設5G 網絡后，同步開通NB 物聯(lián)網，可以實現傳感器的無線連接（無數據線、無電源線，類似于地面的三表行業(yè)）。

以有線感知為輔、無線感知為主的5G 建設思路，可以簡化網絡結構，降低建設成本，提高檢測監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，滿足智能礦山建設的要求。網絡架構依照圖4 方式部署。

圖4 基于5G 的煤礦網絡感知系統(tǒng)架構

2.2.2 智能控制/采掘的解決方案

目前多數礦井智能控制都是基于有線網絡開展的。在移動環(huán)境下，有線網絡運維麻煩，而且經常斷線，所以在移動環(huán)境下，有線網絡的穩(wěn)定性并不能保證，往往是有人維護就可以使用，沒人維護就不能使用。4G 無線網絡由于帶寬和時延不能滿足工業(yè)控制的要求，所以不適合作為煤礦控制網絡。5G 的技術特點，使得5G 更適用于實時互聯(lián)和工業(yè)控制。由于當前井下設備多不具備5G 模塊，前期可以通過CPE 實現通信方式的轉變，比如行程傳感器、傾角傳感器等設備通過有線連接到就近的CPE 設備，再由CPE 設備通過5G 無線網絡連接到5G基站，后期由攜帶5G 模組的控制器直接與5G 基站井下無線通信。

3 案例分析

圖5 基于5G 的煤礦智能掘進方案

某煤礦原網絡結構采用萬兆環(huán)網+WiFi 的方式組網，工業(yè)環(huán)網帶寬有限、帶寬利用率低、缺乏隔離手段，必須專線傳輸，重復建設并增加維護成本。而WiFi 網絡傳輸帶寬局限于16M以下，業(yè)務承載能力有限，Qos 技術容易受到干擾導致穩(wěn)定性差、時延大。無法支撐井下智能化、數字化的開采。

部署5G 網絡后，運用5G 切片技術實現多業(yè)務一網承載、隔離傳輸、節(jié)省投資和降低維護量直至達到“減人增效”，在帶寬能力、時延能力、穩(wěn)定性等方面得到了極大提升。結合5G 高清攝像頭、巡檢機器人、人/設備/環(huán)境采集器等多種接入應用的部署，實現了井下智能開采、智能掘進、數據感知等智能化應用，極大提升了井下的安全性。

4 結束語

本方案利用5G 技術讓煤炭企業(yè)快速提高生產力，破解5G 在垂直行業(yè)應用發(fā)展的難題。目前各方都致力于工業(yè)互聯(lián)網平臺建設，開展工業(yè)及能源領域平臺及端到端解決方案的研究，目標是5G+邊緣計算，實現云計算本地化部署，做到數據不出礦區(qū)。利用5G+邊緣計算設備，實現設備端到控制端、端到端的網絡切片，建立高可靠、高安全的煤礦無線局域網。