智能化礦井網絡架構平臺設計實施研究

吳寧波

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054）

0.引言

國家層面近年一直在5G、智能化和智慧化方面高速方面，煤礦作為國家基礎能源，其經歷了低效開采的漫長過程，行業(yè)安全問題頻發(fā)，工業(yè)智能化進入煤礦生產領域已經是行業(yè)勢不可擋的方向。建設智能化礦井增效減員，已經作為國家戰(zhàn)略，引領著行業(yè)向前推進。當前煤礦智能化系統(tǒng)主要圍繞著生產安全、降本增效、至簡體驗的理念，構建煤礦智慧化場景。智能化礦井的建設從基礎設備層、網絡層和管理層都得到了高效的發(fā)展，隨著許多項目的落地實施，同步暴露出了許多現(xiàn)實問題。本文主要從智能化礦井網絡架構平臺的設計組建和實施中的突出問題出發(fā)，概述了網絡架構的搭建方案，平臺的實施環(huán)境，網絡架構平臺調試的重難點和實施流程等內容。

1.智能化礦井網絡架構設計方案

智能化礦井信息層分為設備感知層、信息基礎設施、綜合管控層和經營決策層，礦井網絡在其中貫通各層數(shù)據(jù)，為煤礦智能化綜合管控平臺和大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)安全運行保駕護航。礦井網絡系統(tǒng)目前在應用層面主要分為生產通信網、安全監(jiān)測監(jiān)控網、視頻網和管理網。其中生產通信網、安全監(jiān)測監(jiān)控網和視頻網屬于生產層面的網絡，管理網是礦井綜合辦公管理層面的網絡。整個智能化礦井的網絡架構包含上述4個網絡，將上述網絡聯(lián)系在一起，共同組成了智能化礦井網絡架構平臺[1]。在這個網絡架構平臺搭建方案設計時，會根據(jù)自身需求和功能不同其方案選擇會有所不同。網絡架構平臺方案的設計和比選是智能化礦井網絡平臺搭建的第一步，也是智能化礦井的基石，所以必須確保網絡架構平臺的經濟實效、先進可靠。

1.1 網絡架構平臺方案

根據(jù)近年網絡架構的實踐應用，目前主流的網絡架構有星形、環(huán)形、雙星形、雙環(huán)形等多種網絡結構，項目實際情況不同可以自由組成多種冗余網絡，也可以選擇單一網絡結構。對上述幾種網絡結構形式的優(yōu)缺點比較見表1。

表1 網絡結構對比表

根據(jù)以上4種網絡結構對比，可以看出每一種方案都有其優(yōu)缺點，在設計時可以根據(jù)項目實際情況進行單一選擇或組合選擇網絡形式。

1.2 方案比選

從上述4種網絡結構的對比可以了解到，在智能化礦井網絡架構方案比選時，可以從網絡安全角度、冗余時間角度和成本角度考慮，不管選擇何種方案都要統(tǒng)籌考慮。根據(jù)現(xiàn)行智能化礦井的網絡架構平臺搭建實施來統(tǒng)計，目前國內主要礦井主干網絡采用環(huán)形網絡架構比較多，支線采用星型結構，這種架構約占智能化礦井項目的90%，剩余礦井采用多種網絡形式組合的網絡架構，對某些特殊的行業(yè)會選擇應用較少的雙環(huán)型網絡架構平臺。環(huán)形網絡平臺以其冗余性和成本低成為當前主要的設計選擇方案。在項目實施時，多數(shù)項目設計在生產通信網、安全監(jiān)測監(jiān)控網和視頻網中優(yōu)先采用環(huán)形網絡。在管理網設計比選時，因為管理網絡架構布局廣，涉及的點多，星形網絡以其布線簡單，管理萬便，直接通過背板交換，交換速度快的優(yōu)點得到項目的青昧。圖1是某智能化礦井的生產網絡架構拓撲圖。

圖1 智能化礦井生產網到管理網拓撲圖

從上面拓撲圖中可以看出，其中很多網絡設備都涉及環(huán)形結構，在配置環(huán)形拓撲結構時要注意設備選擇。在項目實施過程中，多數(shù)網絡架構平臺設備都由幾家設備組成，國內很多廠家設備在配置環(huán)形結構時都不支持不同廠家設備組環(huán)協(xié)議，致使在項目實際實施中很多項目都在網絡結構上發(fā)生了很大的變化，將本身設計的環(huán)形結構變成了星型結構對網絡安全運行產生嚴重威脅。

要解決上述問題，需要在設備招標過程中明確設備功能，并描述清楚設備在網絡架構中的位置，必要時可以附網絡設備架構拓撲圖，以確保投標單位理解設備的使用位置和功能，用滿足設計條件的設備進行投標，以保證整個網絡平臺搭建完整。

2.網絡架構平臺項目實施環(huán)境

2.1 項目需求

在項目可研和初設階段，關于網絡架構平臺選擇，是通信設計人員的主要考慮方面，網絡架構需要整體考慮現(xiàn)階段的應用需求，還要考慮未來的擴容需求。項目在前期時，項目需求作為基礎調研資料，需要現(xiàn)場設計調研人員認真調研，綜合分析客戶和項目實際情況，最終制訂符合項目實際需求的網絡架構平臺，為下一步設備選型做好基礎工作。通過調研統(tǒng)計目前國內90%智能化礦井的網絡平臺主要選擇環(huán)形網絡，調研中了解到項目在網絡選擇上會考慮安全、穩(wěn)定、維護簡單方便和投資少等方面，環(huán)形網絡在數(shù)據(jù)通信、網絡安全和投資費用角度都得到普遍的認可。

2.2 項目環(huán)境

每個項目面對的環(huán)境不同，在網絡設備選擇上環(huán)境因素也是一項主要需要考慮點。設計人員應充分分析網絡設備運行環(huán)境，有針對性地選擇適應項目所在地自然和生產環(huán)境的設備，根據(jù)運行環(huán)境的溫度、濕度和粉塵等條件，合理比選網絡架構方案和設備型號，特別是礦井一些濕度、腐蝕性和粉塵嚴重的地方，在設備層面不能克服時，可以考慮機柜正壓通風或者人為搭建一些密閉控制室等措施。不管項目環(huán)境如何設計人員在整體考慮方案時，網絡安全穩(wěn)定是一種行業(yè)公認的基礎條件，需要優(yōu)先考慮并應用。

2.3 項目資金

項目資金其實在一定程度上直接影響項目設計方案的選擇結果，資金充裕的項目在搭建網絡架構平臺時，對方案選擇人員將是一種精神上的支持，這種項目可以充分發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造力，可以激發(fā)設計人員的設計潛能，對我國的智能化礦井的建設起到積極加速推動的作用。在國內部分大型礦井在智能化網絡平臺的建設上，給予了很多的資金傾向，設計的網絡架構平臺組合了多種網絡形式，充分吸取了各種網絡形式的優(yōu)缺點，打造了先進的智能化乃至智慧化礦井神經網絡，為后續(xù)礦井建設奠定了堅實的網絡架構平臺，確保了智能化礦井安全、生產相關數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲的通信安全和各系統(tǒng)的互聯(lián)、互通和互操作的穩(wěn)定。

3.網絡架構平臺調試難點

3.1 施工水平

在項目現(xiàn)場實施時，施工作業(yè)水平將對項目的維護調試產生嚴重影響，一個優(yōu)秀的施工成果，在一定程度上給人一種工業(yè)產品藝術美的享受，所以在網絡架構平臺的施工時，優(yōu)先選擇有豐富經驗的項目作業(yè)團隊。其標準化的作業(yè)水平，對整個機房的設備安裝布局、線纜敷設固定和線纜標簽的制作，都有嚴格的標準，最終保證了項目達到高標準化的數(shù)據(jù)中心機房建設結果。

3.2 調試專業(yè)

隨著社會專業(yè)分工的細化，網絡架構平臺調試過程中會涉及多個專業(yè)的工程師，網絡架構平臺在搭建時將需要網絡工程師、通信工程師、控制工程師，項目規(guī)劃工程師。上述工程師從多方面、多維度對平臺進行調試，最終使平臺滿足項目現(xiàn)場安全通信需求，在這過程中，網絡工程師主要負責平臺硬件線路的搭建實施；通信工程師主要負責基礎數(shù)據(jù)之間和基礎數(shù)據(jù)在網絡平臺之間的數(shù)據(jù)共享通信；控制工程師主要負責基礎數(shù)據(jù)的挖掘、開發(fā)和發(fā)送；項目規(guī)劃工程師主要負責整個網絡平臺的整體規(guī)劃，通信協(xié)議標準開放。在項目實施時，項目管理團隊需要統(tǒng)籌考慮，通過合理的規(guī)劃項目工期計劃整體協(xié)調各專業(yè)工程師進場時間，有效地保證網絡平臺的調試工作的順利實施，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)平臺和綜合管控系統(tǒng)提供了基礎網絡和生產數(shù)據(jù)[2]。在調試過程中，需要注意現(xiàn)場施工中出現(xiàn)的一些不在設計中的環(huán)形網絡鏈路，避免非設計環(huán)形鏈路引起的數(shù)據(jù)通信風暴。同時還需注意網絡IP地址的規(guī)劃，在整個網絡中合理規(guī)劃和使用IP地址，避免因為IP地址沖突引起的網絡數(shù)據(jù)通信故障。

3.3 整體控制

在網絡架構平臺的建設實施時設計和調試人員應站在全局的高度，統(tǒng)籌規(guī)劃、整體控制。智能化礦井建設將在確保安全可靠的前提下，選用先進網絡平臺，在調試過程中充發(fā)揮網絡通信的先進性。同時，充分考慮用戶需求，選型要經濟適用，并具有較好的兼容能力和擴充、升級能力。通過整體控制從可研、設計、采購到施工全面把控網絡架構，考慮現(xiàn)場，統(tǒng)籌未來，建成具有時代特點的優(yōu)質網絡。

4.智能化礦井網絡架構平臺現(xiàn)場實施流程

4.1 詳細設計

在智能化礦井網絡架構平臺現(xiàn)場實施中，首先面對的問題就是詳細設計，在可研和初設階段已經將網絡平臺的方案基本確定，在項目詳細設計階段設計人員根據(jù)初設的方案進行詳細設計，從設備選型、設備規(guī)格和設備功能等方面開始著手，綜合考慮現(xiàn)場生產環(huán)境中的溫度、濕度和粉塵等因素，選擇適合現(xiàn)場環(huán)境的設備。在詳細設計階段要對現(xiàn)場施工各種材料要明確施工規(guī)格和數(shù)量，因現(xiàn)在項目都是要求高標準高質量，施工材料對項目實施的高標準高質量起到畫龍點睛的作用。許多設計人員對這方面都沒有考慮周全，致使項目在施工過程中因為材料的問題，而導致項目沒有達到優(yōu)質項目的目標。所以詳細設計要達到設計應用的目的，保證具有落地可行的指導項目采購和施工作用。

4.2 設備采購到貨和安裝調試

在智能化礦井網絡架構平臺詳細設計完成后，工程項目采購人員根據(jù)設計圖紙組織設備招標采購，在此過程中設計人員緊密配合，確保采購的設備滿足設計要求。設備采購完成后，采購人員緊密跟進設備生產備貨情況，并與施工現(xiàn)場配合，共同確認設備到貨時間。

設備到貨后，項目部現(xiàn)場組織施工人員將貨物存放到物資庫中，確保電子產品免受不必要的存儲危險。根據(jù)設計圖紙和施工方案開始組織人力和物力?，F(xiàn)場項目管理團隊在確保工程安全的前提下，保質保量有序推進項目建設，以高標準嚴要求控制項目質量和標準化，將整個網絡平臺建成優(yōu)質項目。

4.3 項目驗收使用和交工

項目在安裝調試完成后，承包單位組織項目部技術人員，對項目進行自檢，在自檢合格的基礎上，向建設單位提交竣工驗收，建設單位組織相關專家對施工成果進行性能驗收，重點檢驗網絡平臺施工調試是否滿足設計要求，各項性能是否滿足使用功能。對在驗收過程中存在的問題，承包單位及時組織進行整改，整改完成后，再次組織復檢，在復檢合格后，承包單位對項目進行整體交工移交，將設備的移交給建設單位。最后進行項目竣工結算，并在質保期內做好項目回訪工作。

5.結語

智能化礦井網絡架構平臺，作為智能化的基礎神經，其設計方案選擇和項目成功實施將對后續(xù)工作起到承上啟下的作用。許多礦井在網絡架構平臺老舊，嚴重影響力智能化礦井建設應用，在智能化礦井網絡架構平臺的設計階段，應因地制宜，選擇符合礦井需求的網絡平臺。國家層面正在開展跨領域、跨學科、跨專業(yè)系統(tǒng)合作，針對智能化煤礦關鍵技術進行聯(lián)合攻關，并開展工程實踐。相信在智能化礦井網絡架構平臺方向上將來一定有重大突破，一個穩(wěn)定、高效的網絡平臺將會隨工業(yè)發(fā)現(xiàn)而應運而生。