金屬礦山智能化與5G專網(wǎng)

肖 偉

（五礦礦業(yè)控股有限公司，安徽 合肥 230091）

0 引言

盡管我國金屬礦開采的機(jī)械化程度不斷提高， 但是采礦作業(yè)的智能化程度仍然不高，數(shù)據(jù)采集和傳輸效率低，傳輸不可靠，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制性能差， 智能決策效率低，大量操作仍需人工現(xiàn)場完成，安全風(fēng)險(xiǎn)較大等，總體來看我國的智慧礦山建設(shè)仍然處于初級階段。

以5G為代表的新的寬帶無線通信技術(shù)以及與之融合的邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)是解決上述問題的有效手段，也是當(dāng)前智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。去年，采礦行業(yè)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”全國現(xiàn)場工作會議發(fā)布了第一批重點(diǎn)行業(yè)和應(yīng)用場景， 并指出采礦業(yè)要繼續(xù)加強(qiáng)5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以生產(chǎn)機(jī)械化、設(shè)備智能化、作業(yè)無人化、管理一體化為目標(biāo)，全力打造本質(zhì)安全、綠色高效的智慧礦山。5G智慧礦山的建設(shè)方案和業(yè)務(wù)應(yīng)用已經(jīng)成為目前5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，具有非常重要的意義。

在新的形勢下，本文針對金屬礦山的智能化建設(shè)，從實(shí)際應(yīng)用的需求出發(fā)，分析了5G技術(shù)的優(yōu)勢，論證了5G技術(shù)對于金屬礦山智慧化建設(shè)的重要性，結(jié)合實(shí)踐給出了完整的5G專網(wǎng)解決方案和實(shí)施方案，并對一些關(guān)鍵的應(yīng)用進(jìn)行了分析，本文的研究成果對于金屬礦山的智慧礦山建設(shè)具有很重要的參考價(jià)值。

1 技術(shù)對比

1.1 智慧金屬礦山的無線通信需求

金屬礦山的智能化主要體現(xiàn)在海量采集數(shù)據(jù)的收集、分析和決策，根據(jù)決策對海量設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程和智能化的控制?？紤]到設(shè)備的移動性，無線方式將會成為未來主要的數(shù)據(jù)傳輸手段，要求無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率高、傳輸時(shí)延低、并發(fā)終端數(shù)量大， 網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性高等，針對礦區(qū)場景，還需要滿足以下特殊的需求：一是無線工作頻段不宜過高。礦井無線傳輸衰減大，受巷道斷面、分支、彎曲、支護(hù)、電纜等影響，無線電傳輸衰減模型復(fù)雜多變。無線工作頻段越高，傳輸衰減越大，傳輸距離越近，繞射能力越差。二是無線傳輸宜具有一定的繞射能力。井下巷道彎曲起伏，空間狹小、設(shè)備多，難以保證無線視距傳輸，無線傳輸宜具有一定的繞射能力。三是抗干擾能力強(qiáng)。井下大功率設(shè)備啟停、大功率變頻設(shè)備工作時(shí)電磁干擾大，為保證系統(tǒng)正常工作，礦井寬帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)抗干擾能力。四是上行傳輸速率大。與公網(wǎng)不同，礦山場景的業(yè)務(wù)流量主要是上行回傳，比如海量視頻數(shù)據(jù)、物聯(lián)采集數(shù)據(jù)的回傳，這些現(xiàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)是智能決策的基礎(chǔ)。

1.2 Wi-Fi6技術(shù)特點(diǎn)

Wi-Fi是非常成熟的一種局部無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 主要用于室內(nèi)場景，比如室內(nèi)辦公、商場、場館等， 在過去的十幾年間也廣泛應(yīng)用于地下礦區(qū)的局部無線通信。隨著終端設(shè)備的吞吐率、數(shù)量的提升， 原有Wi-Fi技術(shù)在容量上的不足也越來越明顯。

Wi -Fi6是最新的一代Wi -Fi技術(shù)，底層采用802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸速率、并發(fā)數(shù)量、時(shí)延等方面相比原有的Wi-Fi技術(shù)有了較大提升。如表1所示。

表1 Wi-Fi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及傳輸速率

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Wi-Fi6的工作頻段仍然為2.4 GHz或5.8 GHz 兩種，空口通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024- QAM等技術(shù)，極大提升了空口的傳輸速率，最高傳輸速率高達(dá)9.6 Gb/s，同時(shí)在業(yè)務(wù)的QoS保障機(jī)制上也有了明顯的提升，終端容量也有了一定的增加， 目前Wi-Fi6也是智慧樓宇、智慧園區(qū)以及智慧倉儲等應(yīng)用的主要技術(shù)之一。

1.3 5G技術(shù)特點(diǎn)

5G是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，是新一代蜂窩移動通信技術(shù)。2015年，國際電信聯(lián)盟確定將5G命名為IMT-2020。與該組織此前為3G命名的IMT-2000和為4G命名的IMT-Advanced一脈相承[1]。

前4代移動通信技術(shù)主要解決了人與人之間的通信問題，5G則在此基礎(chǔ)上涵蓋了更多的人與物以及物與物之間的通信問題，其關(guān)鍵指標(biāo)如表2所示， 比前幾代移動通信技術(shù)更加適合行業(yè)智能化應(yīng)用， 包括智慧礦山的行業(yè)應(yīng)用。

表2 2G/3G/4G/5G制式及傳輸速率

5G具有更高吞吐率，載波帶寬更大，同時(shí)支持更大規(guī)模的多天線技術(shù)，吞吐率遠(yuǎn)比4G要大，能夠支撐更大容量、更高質(zhì)量的視頻傳輸。

5G的子幀周期更短，因此具有更低的空口傳輸時(shí)延，能夠更好地支撐低時(shí)延應(yīng)用的需求，例如設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等。

5G更好地實(shí)現(xiàn)了CT和IT的融合，在通用平臺上能夠更好地與邊緣計(jì)算應(yīng)用，以及大數(shù)據(jù)，人工智能技術(shù)深入融合，通過切片技術(shù)更好地、更靈活地適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求，相比以前的技術(shù)更加適合復(fù)雜多樣的行業(yè)應(yīng)用。

5G的終端連接容量要比4G提升了很多，通過信令的優(yōu)化，能夠支持海量終端的接入和并發(fā)業(yè)務(wù)。

表3 5G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[2]

1.4 Wi-Fi6與5G技術(shù)的對比

Wi-Fi6的主要是在室內(nèi)、低速移動環(huán)境下的應(yīng)用場景居多，而5G則即可以兼顧室內(nèi)和室外場景， 移動性的支撐要比Wi-Fi強(qiáng)。

（1）通信帶寬。5G在100 MHz頻譜帶寬下，單小區(qū)下行峰值吞吐率為1.5 Gb/s，上行峰值吞吐率為750 Mb/s。Wi-Fi6在160M頻譜帶寬下，單條空間數(shù)據(jù)流具有最大600 Mb/s的上行傳輸速率?？紤]礦山通信中主要以上行業(yè)務(wù)為主，因此5G和Wi-Fi6在通信帶寬方面能力相當(dāng)。

（2）傳輸時(shí)延。5G在eMBB切片下時(shí)延小于10 ms，在uRLLC切片下時(shí)延小于4 ms。802.11ax時(shí)延為10～20 ms，遠(yuǎn)高于5G的時(shí)延。5G的時(shí)延性能優(yōu)于Wi-Fi6。

（3）業(yè)務(wù)QoS。Wi-Fi6技術(shù)體制不含網(wǎng)絡(luò)切片，對所有業(yè)務(wù)一視同仁，僅能通過限制空口帶寬為特定業(yè)務(wù)提供QoS保障。5G可以為具體業(yè)務(wù)靈活設(shè)置網(wǎng)絡(luò)切片，uRLLC切片提供低時(shí)延保障，eMBB切片提供大帶寬保障，不同的切片可以滿足不同的業(yè)務(wù)場景。

（4）數(shù)據(jù)安全。5G提供端到端AES（Advanced Encryption Standard高級加密標(biāo)準(zhǔn)）加密、數(shù)據(jù)完整性保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)與終端雙向鑒權(quán)；Wi-Fi6通過WPA3- SAE（Simultaneous Authentication of Equals等值同時(shí)認(rèn)證算法）加密[3]，并要求所有連接都使用受保護(hù)的管理幀，數(shù)據(jù)安全性較802.11a/b/g/n/ac有了長足進(jìn)步，但仍繼承了早期臨時(shí)密鑰完整性協(xié)議的漏洞。5G在數(shù)據(jù)安全方面優(yōu)于Wi-Fi6。

（5）移動性方面。5G網(wǎng)絡(luò)可將多個(gè)射頻單元?dú)w并入一個(gè)小區(qū)，終端在同一小區(qū)內(nèi)漫游不產(chǎn)生跨小區(qū)切換或跨設(shè)備切換；不做小區(qū)歸并時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)跨小區(qū)切換時(shí)延小于50 ms，無丟包。Wi-Fi6在技術(shù)體制上仍未考慮終端大范圍移動的場景適配，終端在跨設(shè)備切換時(shí)存在切換時(shí)延大、切換丟包的現(xiàn)象。5G的移動性遠(yuǎn)優(yōu)于Wi-Fi6。

（6）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)靈活性方面。5G通過UPF（User Plane Fuct ion用戶面功能）實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)， UPF可靈活部署在網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)[4]；Wi-Fi6可通過AP（Access Point接入點(diǎn)）本地轉(zhuǎn)發(fā)或AC（AP controller AP控制器）集中轉(zhuǎn)發(fā)，具備一定的靈活度，但相較5G的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)靈活性仍有距離。5G在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)靈活性方面優(yōu)于Wi-Fi6。

（7）部署復(fù)雜度方面。5G網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、基帶單元、射頻單元等組成；Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)由AP、交換機(jī)、AP控制器等組成。Wi-Fi6沿用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，部署便捷性和部署成本較5G具有一定優(yōu)勢。

綜上，Wi-Fi6僅在部署成本上相較5G有一定優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)方面與5G持平，在時(shí)延方面、業(yè)務(wù)保障方面、數(shù)據(jù)安全方面、移動性方面、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)靈活性方面與5G相比差距較大，因此5G已經(jīng)成為目前智慧礦山領(lǐng)域的主流技術(shù)。

2 金屬礦山5G專網(wǎng)方案

2.1 5G專網(wǎng)組網(wǎng)方案

典型的5G行業(yè)應(yīng)用有三種組網(wǎng)模式。一是在公網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行切片，這種模式數(shù)據(jù)要出園區(qū)， 而且時(shí)延較大，不適合金屬礦區(qū)的作業(yè)要求。二是UPF下沉，可以解決數(shù)據(jù)不出園區(qū)以及時(shí)延問題， 但是礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)的信令部分仍然需要走到公網(wǎng)，一旦礦區(qū)和運(yùn)營商機(jī)房之間的光纖出問題，整個(gè)礦區(qū)的5G網(wǎng)絡(luò)就會癱瘓，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。三是5G專網(wǎng)，即利用專門的企業(yè)級核心網(wǎng)、基站以及頻譜資源，在礦區(qū)建設(shè)企業(yè)專用的5G專網(wǎng)。5G專網(wǎng)不依賴外界網(wǎng)絡(luò)，自成一體，網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和可控性非常高，同時(shí)也能夠方便地按需配置網(wǎng)絡(luò)，更好地服務(wù)于客戶實(shí)際要求。

針對安徽某金屬礦智能化改造的實(shí)際項(xiàng)目，采用5G專網(wǎng)模式，本節(jié)給出該項(xiàng)目的5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案。如圖1所示。

圖1 地下金屬礦山5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該項(xiàng)目中5G核心網(wǎng)（5GC）和專網(wǎng)網(wǎng)管部署在礦區(qū)的中央機(jī)房，向上連接到企業(yè)內(nèi)網(wǎng)中，成為企業(yè)內(nèi)部新增的一部分，向下連接到礦山萬兆環(huán)網(wǎng)。5G基站主機(jī)設(shè)備（BBU）通過萬兆環(huán)網(wǎng)與核心網(wǎng)相連?；局鳈C(jī)設(shè)備下聯(lián)各自中段面的擴(kuò)展單元（HUB）。擴(kuò)展單元通過光纖連接到微功率設(shè)備單元（pRRU）。pRRU采用分布部署，對工作區(qū)域進(jìn)行連續(xù)覆蓋或者重點(diǎn)覆蓋。工作終端通過5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與礦山集控中心的互聯(lián)互通。

整套系統(tǒng)包括無線接入網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)、輕量化核心網(wǎng)、應(yīng)用服務(wù)器等均部署在礦區(qū)中央機(jī)房，由礦區(qū)統(tǒng)一管理，設(shè)備的安全性可以得到保證。礦山可自主發(fā)行用于專網(wǎng)接入的SIM卡，專網(wǎng)用戶接入本地5GC核心網(wǎng)，執(zhí)行AKA鑒權(quán)流程、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)、雙向加密等流程，終端在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)與網(wǎng)絡(luò)側(cè)完成雙向認(rèn)證，保證用戶和網(wǎng)絡(luò)的合法性。傳輸數(shù)據(jù)過程中，系統(tǒng)通過完整性保護(hù)和加密流程，保證數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中的正確性和私密性。

礦山部署的5G核心網(wǎng)，通過云化平臺和NFV 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的本地/異地?zé)崛轂?zāi)備份，顯著提升系統(tǒng)可靠性。通過5G核心網(wǎng)各網(wǎng)元分布式部署， 各網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)了主從備份。NSSF（網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能）、NRF（網(wǎng)絡(luò)存儲功能）、UDM（統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）/AUSF（鑒權(quán)服務(wù)功能）等網(wǎng)元采用1+1方式進(jìn)行本地/異地?zé)崛轂?zāi)，PCF（策略控制功能）、AMF （接入和移動性管理功能）、SMF（會話管理功能）、UPF（用戶面功能）等網(wǎng)元采用組POOL方式進(jìn)行異地?zé)崛轂?zāi)。杜絕異常掉電、誤操作等引起的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

2.2 智慧金屬礦山5G應(yīng)用

在上述5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求，可以開展多種智能化應(yīng)用的推廣。包括遠(yuǎn)程控制類應(yīng)用、輔助控制類應(yīng)用、機(jī)器人應(yīng)用、AR/ VR類應(yīng)用等。針對金屬礦山特點(diǎn)，宜優(yōu)先展開遠(yuǎn)程控制類應(yīng)用和機(jī)器人應(yīng)用。具體應(yīng)用如下：

2.2.1 金屬礦山采礦設(shè)備的遠(yuǎn)程駕駛/無人駕駛

地下金屬礦山采礦設(shè)備主要包含掘進(jìn)臺車、采礦臺車、裝藥臺車、錨桿臺車、電動鏟運(yùn)車、電機(jī)車等。

地下采礦設(shè)備活動范圍大；行駛精度高；搭載傳感器種類多；對通信帶寬、通信實(shí)時(shí)性要求高。4G可以解決中低速狀態(tài)下少量礦山車輛的遠(yuǎn)程駕駛/無人駕駛。由于4G容量有限，在大規(guī)模部署遠(yuǎn)程駕駛/無人駕駛時(shí)將面臨無線傳輸容量不足，引起的信令下達(dá)不及時(shí)；傳感器信息上報(bào)誤碼，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng)癱瘓。Wi-Fi由于其移動性差，當(dāng)車輛行駛在Wi-Fi接入點(diǎn)切換區(qū)時(shí)，將頻繁出現(xiàn)車輛脫網(wǎng)，造成極大安全隱患。唯有5G的大帶寬、低時(shí)延、大連接、廣覆蓋特性，可以支撐礦山大量部署遠(yuǎn)程駕駛/無人駕駛應(yīng)用。

當(dāng)前，地下采礦設(shè)備駕駛員勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、作業(yè)危險(xiǎn)性高。通過實(shí)現(xiàn)地下采礦設(shè)備遠(yuǎn)程駕駛/無人駕駛，對減輕駕駛員勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，縮短換班時(shí)間，提升采礦生產(chǎn)效率，提升礦山安全水平具有重要意義。

2.2.2 礦山機(jī)器人應(yīng)用[5]

目前常用的礦山機(jī)器人主要是生產(chǎn)作業(yè)面、生產(chǎn)環(huán)境的巡檢機(jī)器人。按行動方式主要分為軌道機(jī)器人和輪式機(jī)器人。它們的共同特點(diǎn)是：活動范圍大，對網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性要求高；攜帶多種傳感器，對網(wǎng)絡(luò)吞吐率要求高；子系統(tǒng)聯(lián)動復(fù)雜，對信令延時(shí)敏感。4G和Wi-Fi在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、帶寬容量、網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性等方面存在不同程度的短板。5G同時(shí)提供了大帶寬、低時(shí)延、大連接、廣覆蓋等優(yōu)良特性，可以為礦山機(jī)器人應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的信息傳輸通道。

通過礦山機(jī)器人替代人工進(jìn)固定場所的巡檢、生產(chǎn)工序的巡檢、生產(chǎn)狀態(tài)的巡檢等工作，是礦山減員增效，推動金屬礦山企業(yè)智慧礦山建設(shè)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有效途徑。

3 結(jié)束語

金屬礦山的智能化建設(shè)能夠極大提升礦區(qū)作業(yè)的效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。5G技術(shù)具有高帶寬、低時(shí)延、大容量、高可靠性和高安全性等特點(diǎn)，是目前智慧礦山的主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。部署專用的5G專網(wǎng)能夠更好地保障礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和可控性， 而且專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源能夠靈活的配置，從而更好地適配礦區(qū)的實(shí)際應(yīng)用需求。

基于實(shí)地勘測，本文給出了具體的金屬礦山5G 專網(wǎng)部署方案，涉及核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和基站以及天饋的部署。本文還給出了基于5G專網(wǎng)的礦山智能化應(yīng)用，未來基于該網(wǎng)絡(luò)還會有更多的5G智能化應(yīng)用，提升礦山作業(yè)的效率。