基于5G無線網絡技術的智慧礦山方案研究

任朝恩

（河北廣電信息網絡公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

我國是一個礦產資源大國，采礦業(yè)在我國國民經濟中占有重要地位。然而，礦山安全風險大、招工難、成本高、效率低等一系列問題，一直是礦山企業(yè)發(fā)展面臨的主要問題。

智慧礦山是通過以機械化、自動化、信息化、智能化為核心的“四化”策略，以高速率、大容量、雙向綜合數(shù)字通信網絡為載體，以智能設計與生產管理軟件系統(tǒng)為平臺，通過對礦山生產對象和過程進行實時、動態(tài)、智能化的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)礦山開采的安全、高效和經濟效益較大化[1]。當前，5G通信技術以其大帶寬、低時延的網絡優(yōu)勢，結合邊緣計算、大數(shù)據(jù)、云計算等先進技術，能夠滿足礦區(qū)移動性和封閉性的特殊場景需求，助力礦區(qū)“少人化、無人化”目標的落地和推廣。

1 智慧礦山項目需求分析

1.1 煤炭行業(yè)轉型痛點及智慧化需求分析

目前，我國煤炭行業(yè)面臨安全生產嚴峻考驗，隨著行業(yè)不斷發(fā)展，國家對安全生產的重視程度和要求不斷提升，而傳統(tǒng)的煤礦作業(yè)系統(tǒng)和設備已經不能完全適應和滿足當前煤礦安全生產的要求。將5G等信息化技術廣泛地應用在煤炭安全生產中，有助于推動我國煤炭行業(yè)的健康發(fā)展和智慧化轉型。

當前煤炭行業(yè)從業(yè)人員流失嚴重，特別是煤礦工程技術人才隊伍短缺，給煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來影響，煤炭行業(yè)已經到了必須從人力密集型行業(yè)向技術密集型行業(yè)轉型升級的關鍵時期。而運用5G等信息化技術手段提升煤礦運行效率，降低作業(yè)人員規(guī)模，是轉型升級的一條可行之道。智慧礦山的建設部署，能夠讓煤炭行業(yè)對人力的需求從簡單的規(guī)模數(shù)量轉向求精求質的高質量人才，調整人力資源結構，帶動整個產業(yè)的轉型升級。

智能掘進、智能采煤、智能巡檢、無人礦卡及遠程控制等智慧礦山應用場景，對寬帶、時延及覆蓋等網絡性能提出了非常高的要求。5G作為最新一代成熟商用的無線通信技術標準，其大帶寬、低時延、高可靠的技術特點，正好能夠契合智慧礦山對無線通信的要求。

1.2 建設原則及目標

礦山5G網絡的建設和部署是一項復雜的工程，需要配合智慧礦山整體建設規(guī)劃和節(jié)奏，視情況分周期逐步推進。

在建設部署礦山5G網絡的同時，需要充分考慮現(xiàn)有各類通信系統(tǒng)的業(yè)務情況，做好融合互通，既要防止立煙囪式的隔離建設，又不能對現(xiàn)有系統(tǒng)和業(yè)務造成大的沖擊。

網絡規(guī)劃應立足長遠，充分考慮智慧礦山各類智能化應用需求。在具體實施過程中，應充分考慮當期及未來各類智慧礦山業(yè)務的網絡需求，做到從整體規(guī)劃，易擴展；注重技術創(chuàng)新，使用無線通信技術最新成果，結合礦山實際情況，開拓創(chuàng)新，積極開展各類智慧礦山應用，切實提升礦山智能化水平。

2 智慧礦山項目網絡架構及建設模式

2.1 整體網絡架構

礦山網絡設計主要分為應用層，網絡層和感知層，如圖1所示。應用層包含智慧礦山涉及的相關智能化業(yè)務，如智能采煤/掘進、輔助運輸、智能巡檢視頻分析以及遠程控制等智慧礦山業(yè)務，最終對應到礦山各類信息化系統(tǒng)，如大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)、綜采工作面綜合管理系統(tǒng)、危險源分析預測預警系統(tǒng)、透明礦山綜合管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、安全檢測系統(tǒng)以及應急救援智慧系統(tǒng)等。

圖1 智慧礦山網絡架構

網絡層包含核心網和基站接入網。核心網是移動通信網絡的核心部分，起著承上啟下的作用，主要負責處理終端用戶的接入管理、會話管理、移動性管理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘2]。感知層包含各類信息傳感和采集終端，如通信類終端、視頻采集終端以及物聯(lián)傳感終端等。

2.2 網絡建設模式

2.2.1 5G核心網自建

考慮到礦山業(yè)務復雜性及礦區(qū)特別是井下環(huán)境的惡劣程度，考慮在礦山部署低成本小型化5G核心網，采用與運營商共享基站的模式接入基站，保障礦山業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性和用戶管理的完全自主性。礦山相關業(yè)務通過礦區(qū)自建核心網與業(yè)務系統(tǒng)聯(lián)通承載。該網絡是一張真正的礦區(qū)5G專網，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)隔離和業(yè)務自主。

2.2.2 邊緣云下沉

在使用運營商5G公網核心網的情況下，為了進一步保障礦山業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性，并方便各類礦山智能化業(yè)務的部署，可考慮在礦山自建下沉的邊緣計算技術（Mobile Edge Computing，MEC）/用戶面功能（User Plane Function，UPF）邊緣云，采用本地分流的模式進行數(shù)據(jù)傳輸和業(yè)務加載，控制面數(shù)據(jù)由運營商的5G核心網承載，用戶面數(shù)據(jù)由礦區(qū)本地MEC/UPF邊緣云卸載在礦區(qū)本地，與業(yè)務系統(tǒng)聯(lián)通承載。此模式下，礦山用戶數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，數(shù)據(jù)安全性得到保障，也有利于遠程控制等低時延業(yè)務的開展，但用戶管理和業(yè)務的開通等操作仍需要在運營商5G核心網實現(xiàn)。

2.2.3 公網切片

此模式下，整套5G核心網均由運營商提供，數(shù)據(jù)和控制面數(shù)據(jù)流均通過運營商5G核心網承載，可考慮為礦業(yè)集團和礦山在運營商網絡部署專用切片，滿足集團、礦山的定制化業(yè)務需求。

3 5G智慧礦山無線網絡核心網關鍵技術

核心網是移動通信網絡的三大組成部分之一。核心網主要負責管理數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分揀。而對數(shù)據(jù)的處理和分發(fā)，其實就是“路由交換”，這是核心網的本質。

作為移動通信網的核心部分，核心網起著承上啟下的作用，主要負責處理終端用戶的接入管理、會話管理、移動性管理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?G核心網構架主要包含基于服務的架構（Service Based Architecture，SBA）、控制面與用戶面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）以及網絡切片三大關鍵技術，本質上是最終實現(xiàn)化整為零、由硬變軟的演進過程。

3.1 基于服務的架構

基于服務的架構（Service Based Architecture，SBA）采用云原生構架設計，借鑒了IT領域的“微服務”理念。傳統(tǒng)網元是一種緊耦合的黑盒設計，網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）從黑盒設備中解耦出網絡功能軟件，但解耦后的軟件依然是“大塊頭”的單體式構架，需進一步分解為細粒度化的模塊化組件，并通過開放的應用程序接口（Application Programming Interface，API）來實現(xiàn)集成，以提升應用開發(fā)的整體敏捷性和彈性。基于這樣的設計理念，傳統(tǒng)網元先是轉換為網絡功能（Network Function，NF），然后NF再被分解為多個不同的網絡功能服務。

SBA=網絡功能服務+基于服務的接口。網絡功能可由多個模塊化的網絡功能服務組成，并通過基于服務的接口來展現(xiàn)其功能[3]，因此網絡功能服務可以被授權的NF靈活使用。

3.2 控制面與用戶面分離

控制面與用戶面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）的目的是讓網絡用戶面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心網（中心數(shù)據(jù)中心），也可部署于接入網（邊緣數(shù)據(jù)中心），最終實現(xiàn)分布式部署[4]。

事實上，核心網一直沿著控制面和用戶面分離的方向演進。從R7版本開始，通過Direct Tunnel技術將控制面和用戶面分離，在3G 無線網絡控制器（Radio Network Controller，RNC）和網關GPRS支持節(jié)點（Gateway GPRS Support Node，GGSN）之間建立了直連用戶面隧道，用戶面數(shù)據(jù)流量直接繞過服務GPRS支持節(jié)點（Serving GPRS Support Node，SGSN）在RNC和GGSN之間傳輸。到了R8版本，出現(xiàn)了移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）這樣的純信令節(jié)點。而到了4.5G和5G時代，這一分離的趨勢更加徹底，也更加必要，其中一大原因就是為了滿足5G網絡毫秒級時延的關鍵績效指標（Key Performance Indicator，KPI）。光纖傳播速度為200 km·s-1，要在長距離實現(xiàn)數(shù)據(jù)的毫秒級延時傳輸，需將內容下沉，分布式地部署于接入網側（邊緣數(shù)據(jù)中心），使之更接近用戶，以降低時延和網絡回傳負荷。

3.3 網絡切片

5G服務是多樣化的，包括車聯(lián)網、大規(guī)模物聯(lián)網、工業(yè)自動化、遠程醫(yī)療等[5]。不同的服務項目對網絡有不同的需求，因此必須將網路切成許多虛擬而又彼此隔離的子網路，分別應對不同的業(yè)務。對于如此靈活的切片工作，使用傳統(tǒng)大塊頭的黑盒設備是無法完成的，因此一定要進行虛擬化、軟件化，并使網絡的功能進行細粒度模塊化，才能進行靈活組裝業(yè)務應用。

4 結 語

智慧礦山是煤炭生產管理轉型升級的重要發(fā)展方向。將5G無線網絡技術融入礦山煤炭安全生產中，能夠為礦山建設提供良好的通信條件，推進遠程無人控制勘探、開采及多種技術的綜合應用，提高生產過程的自治化和自主化運行管控水平。5G無線網絡技術的加入，對我國采礦工程的安全性及效率提升具有積極的意義，智慧礦山也將成為未來礦業(yè)發(fā)展的新趨勢。