礦山5G創(chuàng)新應用組網方案研究

朱海濤

中國聯合網絡通信有限公司徐州分公司

0 引言

煤礦作為高危行業(yè)，勞動作業(yè)環(huán)境相對惡劣，安全事故始終影響和制約著煤礦的生產建設，同時相對滯后的網絡基礎設施建設也制約著礦山領域的新技術運用，掣肘智能化改造效益的發(fā)揮。隨著第五代移動通信技術（5G，5th generation mobile networks）以及大數據、云計算、人工智能的發(fā)展，采用最新的、更具可持續(xù)發(fā)展能力的5G技術，將給礦山基礎設施建設帶來更具前瞻性的發(fā)展，助推提升礦山的綜合機械化、信息化和智能化程度。

1 需求簡介

采用5G技術建設煤礦的高質量工業(yè)互聯網，能夠實現“一張網”承載井下各種業(yè)務，滿足煤礦井下高危環(huán)境、移動生產環(huán)境、作業(yè)線長覆蓋面廣等現場環(huán)境的要求，滿足智能化建設中對網絡帶寬、時延、接入方式等方面的要求。

井下應用通過5G網絡能夠準確、全面地獲取安全生產數據和環(huán)境視頻，并能實現井上井下高清視頻、各類數據的快速傳輸、設備的遠程控制、巡檢機器人等，為礦區(qū)智能化工作面改造、智能通風、智能運輸等遠程智能控制，以及相關數據自動監(jiān)測、實時互聯，提供堅實的網絡技術支撐。

2 方案思路

先進性：采用先進、成熟的、地面運營商廣泛使用的5G移動通信技術，滿足煤礦智能化礦井建設的需要，確保系統(tǒng)的先進性及生命力。

經濟性：根據煤礦的井下移動通信應用需要，進行定點基站覆蓋，在需要利用5G低時延、大帶寬的性能進行自動化、智能化控制的區(qū)域開通5G網絡；要求將井下應用數據轉發(fā)到井下數據中心，考慮到井下設備的隔爆要求，井下采用流量轉發(fā)板卡（Node Engine，NE）進行流量轉發(fā)，在靠近移動用戶的位置提供信息技術服務環(huán)境和邊緣計算能力，實現數據報文的本地分發(fā)和推送，為本地低時延、數據不出園區(qū)的業(yè)務提供服務，建設成本更經濟。

合規(guī)性：方案選用的產品已經通過了煤安、防爆認證，符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。

兼容性：新建礦用5G專網通信系統(tǒng)采用開放的接口，為井下控制類信號、視頻采集類信號、無線傳感器等提供接口。

方案對井上、井下進行5G覆蓋，建設一套高安全、高可靠、高帶寬的礦用5G網絡，所有的應用都承建在5G網絡上，井下通過NE單板、井上通過聯通邊緣計算（Multi-Access Edge Computing，MEC）實現本地數據處理和轉發(fā)，傳送到煤礦的內網信息平臺上。

3 組網方案

3.1 5G網絡整體架構

礦用5G移動通信網絡系統(tǒng)，整體構成分為井上部分和井下部分，5G移動通信網絡由地面的覆蓋宏基站、萬兆環(huán)網交換機、MEC設備、井下礦用隔爆型基站控制器A（基帶處理單元，BBU設備）、NE單板、礦用隔爆型基站控制器B（射頻遠端匯聚單元，RHUB設備）、礦用隔爆兼本安型無線基站（微功率射頻拉遠單元，PRRU設備）、礦用萬兆環(huán)網交換機、礦用本安型手機等系統(tǒng)設備構成。

井上共享已部署宏基站，共享運營商核心網和MEC設備，核心網提供井下、井上普通用戶2C、2B的用戶注冊鑒權等功能，MEC為井上業(yè)務提供流量轉發(fā)功能。井下部署隔爆型微基站，在基站控制器上提供NE單板，實現井下流量轉發(fā)功能。

井下基站采用3級結構更符合井下復雜的巷道覆蓋特點。國內現有研究結果及實踐表明，無線信號的頻率越高，信號的衰減越大，通信距離越短。但由于巷道通信的特點，影響并不大。經井下現場測試，從400Mhz-4000Mhz的無線電頻率，信號傳輸距離基本都為300米左右，這是隧道通信的一個顯著特點。所以采用低功率微站是目前井下覆蓋最為科學的選擇。

隔爆型基站控制器（BBU，RHUB設備）的主要作用是完成信號的基帶處理，提供傳輸管理及接口，管理無線資源；通過地面核心萬兆環(huán)網交換機接入運營商5G核心網。

隔爆兼本安型無線基站主要功能和作用是提供井下5G無線信號覆蓋。

本方案的設計，真正實現井上井下無縫對接，將5G煤礦專網與運營商的公網實現信令的完整對接，進而實現專網與公網的無縫連接。通過雙注冊、雙連接方式，既滿足井下內部移動通信的需要，也滿足井下與地面工業(yè)廣場移動通信的需要，同時也滿足煤礦專網與外網移動通信的需要。系統(tǒng)的拓撲結構示意圖如圖1所示。

圖1 業(yè)務組網圖

地面實現公網+專網雙覆蓋，專網通過運營商機房MEC轉發(fā)業(yè)務到礦內網，公網用戶直接送聯通核心網。井下實現+專網雙覆蓋，礦用數據通過井下設備分流板卡NE直接分流到井下數據中心。

圖1中，綠色為公網業(yè)務路由（2C用戶），紅色為礦區(qū)數據業(yè)務路由（2B用戶）。

井下井上通過萬兆環(huán)網交換機對接，確保數據不出園區(qū)，井下提供基站級交換、計算、存儲等能力。

3.2 5G專網與企業(yè)的關系

5G煤礦專網與運營商的公網實現信令的完整對接、專網與公網的無縫連接，既滿足井下內部移動通信的需要，也滿足井下與地面工業(yè)廣場移動通信的需要，同時也滿足煤礦專網與外網移動通信的需要。專網與企業(yè)內網對接，基站與企業(yè)之間建立分流業(yè)務的GRE隧道。在邊緣節(jié)點內提供運營商級的網絡安全，通過板卡、設備、鏈路的多冗余保護機制，網絡側通過平面隔離、設置安全區(qū)域、防病毒網關等手段，確保節(jié)點業(yè)務運行。

3.3 信號覆蓋設計

3.3.1 地面5G信號覆蓋

地面共享運營商公網宏基站實現地面5G信號的覆蓋，減少礦方對地面基站建設的投資，降低建設成本和后期維護成本。

3.3.2 井下基站布置

本方案設計井下所有基站的信號覆蓋半徑按300米布放，條件較差巷道按照半徑200米布放，能夠滿足井下5G信號強度的需要。井下5G采用室內分布系統(tǒng)部署，微功率射頻拉遠單元、射頻遠端匯聚單元、基帶處理單元，如圖2所示。

圖2 井下室分覆蓋

所有設備按照礦用安全生產標準采取隔爆隔離，

井下設備：礦用隔爆基站控制器，礦用基站按照信號覆蓋需求進行壁掛式布放及安裝。礦方統(tǒng)一規(guī)劃127 V供電電路，基站就近接入礦方統(tǒng)一供電電路。隔爆箱體也可內置射頻遠端匯聚單元、萬兆環(huán)網交換機等。

井下設備：礦用隔爆兼本安型無線基站，礦用基站按照信號覆蓋需求進行壁掛式布放及安裝。礦方統(tǒng)一規(guī)劃127 V供電電路，基站就近接入礦方統(tǒng)一供電電路。

3.3.3 井下分站設計布點原則

巷道場景一般可以分為短巷道場景、長巷道場景、復雜巷道場景。巷道場景與其它場景有很多區(qū)別，附近基站的信號很難進入，經常出現彎道與坡度，無線信號衰減大。所以處理巷道場景要采取靈活方式：（1）在信號的覆蓋強度方面，當長度超過覆蓋距離時，采取多基站覆蓋方式。（2）天線布放位置決定巷道內覆蓋水平，為了保證良好的覆蓋，天線布放位置應滿足巷道內天線覆蓋邊緣場強大于-115dBm。在直道情況下，天線口功率W＞25dBm時，若保證邊緣場強大于-115dBm，根據計算可覆蓋巷道300m，此時即可布放雙極化板狀天線；在彎道情況下，必須考慮彎道對邊緣場強的衰減，建議此時把天線放置在彎道的切點處。（3）對于復雜巷道場景，可采取防爆基站加泄漏電纜的方式進行巷道信號覆蓋。直巷道主要采用定向天線覆蓋，根據巷道寬度密度在半徑300米以上；巷道交錯區(qū)域，在交叉路口設立一個分站、并采用多個天線進行分別覆蓋。

3.4 井下業(yè)務NE單板分流

為滿足煤礦數據安全的要求，井下煤礦的數據及系統(tǒng)流量均不出井，在井下轉發(fā)到井下數據中心，所有新建設備需符合技術規(guī)范要求，因此對井下的分流設備要求必須采用隔爆設備，參照3GPP標準技術規(guī)范引入在基站側的分流單板，NE單板是嵌入到基站控制器基帶處理單元BBU中的分流板卡，可以完成在基站側的分流，一次部署到位，避免后續(xù)網絡調整。在靠近移動用戶的位置上，提供信息技術服務環(huán)境和邊緣計算能力，實現數據報文的本地分發(fā)和推送，為本地低時延、數據不出井的業(yè)務提供服務。

NE單板分流可根據數據流的IP源/目的地址以及DNS域名等多元組合進行分流，識別“定向”業(yè)務。

對于2B業(yè)務，井下網絡基站直接轉發(fā)到井下數據機房，流量轉發(fā)更貼近用戶，時延更低，通過NE單板便于運營商將訪問本地礦山的數據流卸載到井下本地網絡里，縮短終端訪問服務器的時延，有效提升用戶體驗，且滿足井下隔爆的要求。

另外，對于礦山井下工業(yè)典型應用場景中有大量依托于5G視頻回傳的無人作業(yè)場景，遠程控制場景不僅可以把一線員工從惡劣的生產環(huán)境中解脫出來，還可以提升生產效率。為了實現精準的遠程控制，要盡可能地縮短遠端視頻的回傳時延。因此，在基站側分流的方案，低時延效果比較明顯，有效縮短了業(yè)務在回傳路徑的轉發(fā)時延。

3.5 井上業(yè)務MEC邊緣云分流

考慮到井上的實際應用對時延和帶寬的要求不是很高，同時也為了投資更經濟，就近共享運營商部署MEC設備，實現井上業(yè)務需求的流量轉發(fā)。

控制面接入運營商的核心網，使用核心網管理面進行MEC的拉遠部署及后期運維管理。本地UPF使用標準輕量化服務器免磁陣部署方式進行部署，安全方面部署一對防火墻，負責與煤礦本地網絡的隔離。

3.6 應用場景簡介

3.6.1 井下5G+移動巡檢機器人

圖3 井下NE流量轉發(fā)

圖4 井上業(yè)務MEC分流

礦用移動巡檢裝置機器人主要由移動巡檢平臺、無線通訊系統(tǒng)、無線充電裝置、各種信號采集設備和軌道系統(tǒng)組成，適用于礦山變電所、水泵房、大型輸送帶巷道移動巡檢。機器人搭載高清攝像頭所拍攝的視頻可以通過5G網絡實時回傳到地面，實現機器人在軌道自動或手動控制運行，對整個軌跡內的音頻、圖像、氣體、溫度等參數進行實時采集、回傳、存儲及分析。

3.6.2 5G視頻AI多維分析

通過部署5G、AI攝像機等基礎硬件，采用人工智能算法的智能視頻分析軟件平臺對各種安全事件主動預警，通過實時分析，將報警信息反饋至監(jiān)控平臺及客戶端，實現智慧煤礦對事故的事前預警，降低甚至避免事故的發(fā)生。

3.6.3 5G遠程控制，設備健康管理

借助5G低時延的獨特優(yōu)勢，結合遠程控制技術，實現基于無線技術的遠程控制能力。監(jiān)測核心設備運行狀態(tài)，分析故障風險，開展預測性維護，降低備件儲備成本，減少意外停機，保障持續(xù)生產、提高效益。運用多媒體調度系統(tǒng)，直連后臺專家和煤礦各工作場景，遠程協(xié)助巡檢、排障，有效降低故障恢復時間，帶動效益提升。

4 結束語

本方案基于煤礦的需求提供了井上、井下兩種不同的5G分流解決方案，有助于更經濟、安全地建設5G網絡，實現礦山的數字化、網絡化、智能化融合，助力企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

通過井下機器人巡檢、環(huán)境監(jiān)測、視頻分析、綜采和掘進設備的控制等技術，實現生產、經營決策、安全環(huán)保管理和設備控制的信息化，建立數字化資源儲量模型，構建從工作面、采區(qū)和礦廠等的實時監(jiān)管數據鏈，實現各生產環(huán)節(jié)的精確管理、集中監(jiān)測和遠程控制，極大地提高了資源利用率，以及生產效率和安全環(huán)保水平。通過5G的智能礦山建設改變煤炭生產方式，將極大改善職業(yè)健康安全環(huán)境，打造安全可靠、先進適用、節(jié)約高效的智能礦山，具有廣泛的推廣價值和良好的社會效益。