5G煤礦專網(wǎng)方案研究

王帥，陳丹，肖羽（.聯(lián)通數(shù)字科技有限公司，北京 0003；.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033）

0 前言

我國(guó)數(shù)量龐大的煤礦作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，其經(jīng)歷了從傳統(tǒng)礦山到自動(dòng)化礦山，再到數(shù)字化礦山的發(fā)展歷程。隨著政府和企業(yè)對(duì)礦山生產(chǎn)的安全性、自動(dòng)化、信息化和智能化程度的不斷重視，5G和大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)開始應(yīng)用于礦山的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)中，而5G專網(wǎng)作為重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，在煤礦掘進(jìn)面、綜采面等少人化、無人化生產(chǎn)，以及配電室的無人值守中發(fā)揮著重要作用。

通過5G、切片、MEC、5G LAN 等技術(shù)打造的5G 行業(yè)專網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)的高安全性、高可靠性、高穩(wěn)定性、超低時(shí)延、二層網(wǎng)絡(luò)支持等方面相比其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)，而根據(jù)井工煤礦特點(diǎn)設(shè)計(jì)的5G 煤礦專網(wǎng)，可以更好地助推煤礦向智能化、綠色低碳化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 智能礦山發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

煤礦，尤其是井工煤礦，開采條件較差，環(huán)境復(fù)雜多變，工作環(huán)節(jié)多，作業(yè)人員數(shù)量多，瓦斯、粉塵、冒頂、透水等潛在災(zāi)害時(shí)刻威脅著礦工的生命安全。安全威脅和低舒適度的工作環(huán)境也導(dǎo)致了礦企招人難、用人難的問題。煤礦現(xiàn)有的建設(shè)、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)模式已不能適應(yīng)新形勢(shì)下的發(fā)展需求，存在的主要問題有如下幾個(gè)方面。

a）煤礦行業(yè)危險(xiǎn)性高，生產(chǎn)安全形勢(shì)嚴(yán)峻。煤礦特殊的生產(chǎn)環(huán)境和裝備特點(diǎn)，導(dǎo)致煤礦瓦斯、透水、頂板災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。2020 年，全國(guó)共發(fā)生礦山事故434起、死亡573人，生產(chǎn)安全形勢(shì)嚴(yán)峻。

b）生產(chǎn)和管理效率低，經(jīng)營(yíng)成本高。目前煤礦行業(yè)平均每班入井人數(shù)在100～1 000 人，仍需大量用工以維持正常生產(chǎn)，但煤礦企業(yè)大多重視生產(chǎn)裝備的投入，而在經(jīng)營(yíng)管理上投入較少，導(dǎo)致煤礦企業(yè)整體管理效率低、經(jīng)營(yíng)成本高。

c）從業(yè)人員斷層嚴(yán)重，招工用工難。缺人、招工困難已經(jīng)成為煤礦企業(yè)面對(duì)的主要矛盾。近年來，井下工人平均年齡已經(jīng)超過45 歲，職工年齡偏大、文化程度偏低，但年輕人不愿下井，煤礦招工困難，使得煤礦企業(yè)新老接替成為難題。

d）煤礦井下系統(tǒng)眾多，運(yùn)維復(fù)雜。煤礦井下部署六大系統(tǒng)，各系統(tǒng)設(shè)備商自集成通信系統(tǒng)用于信號(hào)采集和傳輸，制式眾多，運(yùn)維復(fù)雜。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

煤礦從原始的人工開采時(shí)代，到電氣化機(jī)械化時(shí)代，到自動(dòng)化時(shí)代，再到數(shù)字化時(shí)代，未來將逐步演進(jìn)至智能化時(shí)代。傳統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化開采方式已經(jīng)不能滿足礦山少人無人、高效集約、安全的發(fā)展需求，需要通過礦山新型裝備和以5G 為代表的先進(jìn)技術(shù)跨界融合創(chuàng)新，推動(dòng)煤礦的智能化，最終實(shí)現(xiàn)煤礦產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

智能礦山以控制協(xié)同化、決策在線化和智能化為特征，融合應(yīng)用5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、V2X、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，幫助礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)裝備全連接、環(huán)境全感知、安全全監(jiān)管，從而實(shí)現(xiàn)礦山采掘無人化作業(yè)、智能調(diào)度、設(shè)備主動(dòng)性預(yù)防、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)、安全預(yù)警等功能，最終幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)減人、增安、提效、環(huán)保的目標(biāo)。

2 5G煤礦專網(wǎng)需求分析

智能礦山是煤礦未來的發(fā)展趨勢(shì)，人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等現(xiàn)代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)利用深度融合，煤礦數(shù)字化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型全面提速。智能礦山的建設(shè)離不開5G煤礦專網(wǎng)提供的靈活接入、大帶寬、低時(shí)延、高可靠、穩(wěn)定性等服務(wù)能力。煤礦通過5G改造，能夠迅速提升信息化智能化水平，保障生產(chǎn)安全，提高煤炭開采效率。

5G 煤礦專網(wǎng)通過為井工煤礦部署一張安全、可靠的高質(zhì)量基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，接入煤礦的各類型終端設(shè)備，承載各類型業(yè)務(wù)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全量感知、遠(yuǎn)程控制、無人化和人員環(huán)境的智能安全監(jiān)控，以達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)、無人少人化、作業(yè)效率提升的目的，助力煤礦企業(yè)數(shù)字化高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)。

煤礦井下物理環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)無線信號(hào)的傳輸特性產(chǎn)生不同的影響，各應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)備對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求各異，需要通過不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)滿足采掘、運(yùn)輸、安全監(jiān)控等要求。不同的綜合采煤面和掘進(jìn)面其長(zhǎng)度、高度不同，同時(shí)5G 信號(hào)會(huì)受到液壓支架的干擾，因此需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的站點(diǎn)布設(shè)和信號(hào)覆蓋設(shè)計(jì)。煤礦井下設(shè)備類型眾多，不同設(shè)備對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延要求不同，典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的要求可參考表1。

表1 煤礦典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)5G專網(wǎng)的指標(biāo)要求

3 5G煤礦專網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

5G 煤礦專網(wǎng)若僅用于語音通信及視頻信號(hào)傳輸，應(yīng)能滿足MT/T1115要求的電磁兼容實(shí)驗(yàn)，對(duì)用于控制等實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的5G 系統(tǒng)，應(yīng)參照?qǐng)?zhí)行AQ 6201-2019 中電磁兼容的相關(guān)規(guī)定。5G 系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行，在外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷開時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能安全、獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行，保證無線通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、穩(wěn)定；滿足井上井下安全隔離的相關(guān)規(guī)定。煤礦用5G基站的功率需要控制在6 W 以內(nèi)，按照本安或防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造。

煤礦井下使用的5G專網(wǎng)通信設(shè)備、通信終端需要符合防爆產(chǎn)品的認(rèn)證，即MA 煤安認(rèn)證、隔爆型或本安型，煤礦井上使用的相關(guān)設(shè)備一般不需要進(jìn)行煤安認(rèn)證。

3.2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

煤礦5G 專網(wǎng)基于運(yùn)營(yíng)商5G 大網(wǎng)建設(shè)，主要包括無線接入層、工業(yè)環(huán)網(wǎng)匯聚層、礦山邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（MEC）、5G核心網(wǎng)等。

5G 無線接入層由5G 基站設(shè)備實(shí)現(xiàn)井下各類移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備的接入，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、膠輪車、風(fēng)機(jī)、各類環(huán)境傳感器、視頻攝像頭、防爆手機(jī)等，滿足視頻圖像、傳感信息、設(shè)備狀態(tài)、控制信號(hào)等的承載。5G基站采用滿足煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)（無線發(fā)射類設(shè)備發(fā)送功率小于6 W）的低功耗小站形態(tài)，包含基帶單元（BBU）、射頻匯聚單元（RHUB）和微型射頻拉遠(yuǎn)模塊（PRRU）。

工業(yè)環(huán)網(wǎng)匯聚層既可以滿足5G數(shù)據(jù)的承載，又可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)二層控制信息的承載，避免重復(fù)投資建設(shè)。井上井下傳輸設(shè)備成環(huán)部署，任一段光纖故障不會(huì)影響業(yè)務(wù)正常傳輸，提升煤礦鏈路傳輸可靠性，同時(shí)可以通過Flex-E 切片技術(shù)為不同業(yè)務(wù)提供不同的承載通道、安全隔離以及SLA 保障。工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)需要進(jìn)行防爆改造，加裝防爆外殼。

礦山邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（MEC）設(shè)備由于功率較大，防爆改造難度大，一般部署在煤礦地面數(shù)據(jù)中心，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)和井下5G 基站進(jìn)行對(duì)接，根據(jù)礦山專網(wǎng)DNN 實(shí)現(xiàn)煤礦本地業(yè)務(wù)分流至礦區(qū)數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和管控平臺(tái)，保障數(shù)據(jù)不出礦山和控制類業(yè)務(wù)低時(shí)延需求。

礦山使用運(yùn)營(yíng)商集中部署在大區(qū)或省會(huì)城市的5G 核心網(wǎng)，滿足用戶開卡、身份鑒權(quán)認(rèn)證、5G 信令處理等需求，并通過高可用性等方案保障礦山網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。

露天煤礦5G 專網(wǎng)建設(shè)與井工礦類似，以5G SA 方式組網(wǎng)，MEC（含UPF）下沉至礦區(qū)數(shù)據(jù)中心，部署在礦坑及主干線路的5G 基站實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的5G 無線信號(hào)覆蓋。區(qū)別在于露天礦山只需要在儲(chǔ)運(yùn)中心部署滿足煤安要求的5G 設(shè)備，其他區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)設(shè)備無防爆要求。

5G 煤礦專網(wǎng)按照“一張網(wǎng)”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，即地面的工業(yè)環(huán)網(wǎng)及井下的工業(yè)環(huán)網(wǎng)、5G 無線網(wǎng)、NB 物聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)一規(guī)劃，不重復(fù)建設(shè)同一類型的網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)5G信令和數(shù)據(jù)、各種類型的二層工業(yè)協(xié)議、Wi-Fi 等的統(tǒng)一承載；5G 無線網(wǎng)負(fù)責(zé)采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、膠輪車等設(shè)備的接入；NB 物聯(lián)網(wǎng)主要負(fù)責(zé)環(huán)境傳感器的接入；Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)固定類視頻終端的接入；各網(wǎng)絡(luò)通過物理纖芯的隔離、VLAN 或VPN 的隔離，并實(shí)施相應(yīng)的安全策略保障各業(yè)務(wù)之間相對(duì)獨(dú)立，不同類型的業(yè)務(wù)通過不同的物理或邏輯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入和傳輸，建設(shè)形成礦區(qū)統(tǒng)一的一張網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行管理和運(yùn)維。5G 煤礦專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G煤礦專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 無線覆蓋方案

煤礦井下環(huán)境較為復(fù)雜，綜采面、掘進(jìn)面、巷道、硐室等空間差異較大，設(shè)備類型各異，所需帶寬、時(shí)延不同，對(duì)5G無線信號(hào)傳輸、覆蓋要求不同，需要分別針對(duì)各場(chǎng)景進(jìn)行5G無線覆蓋方案設(shè)計(jì)。

3.3.1 綜采面無線覆蓋方案

綜采面是煤礦的核心工作面，也是5G重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景之一，需要對(duì)綜采面的特點(diǎn)和可能存在的問題進(jìn)行針對(duì)性方案設(shè)計(jì)。綜采面的覆蓋面臨著如下諸多挑戰(zhàn)。

a）綜采面巷道長(zhǎng)160～320 m，由于采煤機(jī)、液壓支架等大型設(shè)備的遮擋，通常pRRU 與終端接收天線間為非視距環(huán)境，單站覆蓋距離受較大影響。

b）綜采面巷道高2～5 m，但液壓支架的頂板支撐距離地面一般3 m 左右，無線信號(hào)在巷道傳播會(huì)受到空間壓制。

c）液壓支架一般粗30～60 cm，工作時(shí)其前進(jìn)間距不等，導(dǎo)致液壓支架頂部的天線會(huì)被左/右液壓支架遮擋，影響無線信號(hào)質(zhì)量。

d）采煤機(jī)在巷道中來回移動(dòng)，線槽中的電纜/供液纜都比較粗，光纜來回容易折損，更換一次至少影響2個(gè)班次的工作。

e）采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制需要穩(wěn)定的低時(shí)延，一般單向時(shí)延小于20 ms，Wi-Fi無法滿足該場(chǎng)景需求。

采煤工作面長(zhǎng)度小于100 m 場(chǎng)景應(yīng)采取如下措施。

a）pRRU 放置于液壓支架頭端3～5 m 處，出2路平板天線，75°和45°覆蓋綜采面。

b）平板天線增益為8～15 dBi，掛頂0.5 m處。

c）采煤機(jī)采用2面CPE天線，掛頭尾側(cè)面。

d）pRRU1 與pRRU2 開通小區(qū)合并或分布式MIMO，避免切換，保障時(shí)延的穩(wěn)定。

e）pRRU1 與pRRU2 開通分布式MIMO，提升上行速率。

f）基站開通2∶3時(shí)隙配比，提高上行容量，以滿足液壓支架高密度攝像頭視頻流上傳需求。

采煤工作面長(zhǎng)度大于100 m 場(chǎng)景應(yīng)采取如下措施。

a）相比采煤面長(zhǎng)度小于100 m 的場(chǎng)景，增加1～2路pRRU放置于綜采面液壓支架中段（相對(duì)于100 m長(zhǎng)度，每增加100 m 增加1 路pRRU）；單天線的覆蓋距離基于視距（line-of-sight，LOS）考慮，一般在50 m內(nèi)。

b）綜采面偏矮（2 m 上下）巷道，不建議選擇較高懸掛的基站平板天線，可以選擇全向吸頂天線，避免人員和采煤機(jī)碰撞。

c）綜采面高度大于2.5 m 的巷道，基站天線采用平板天線。

d）采煤機(jī)采用2 面CPE 天線，掛頭尾側(cè)面，推薦全向鞭狀天線×2或平板廣角雙極化天線×2。

e）多個(gè)pRRU開通小區(qū)合并或分布式MIMO，避免切換，保障時(shí)延穩(wěn)定，提高上行速率。

f）基站開通2∶3時(shí)隙配比，提高上行容量。

3.3.2 掘進(jìn)面無線覆蓋方案

一般情況下，掘進(jìn)機(jī)每日可掘進(jìn)3～8 m，每月可掘進(jìn)約200 m。因此，對(duì)掘進(jìn)面的覆蓋需要盡可能遠(yuǎn)，以避免頻繁調(diào)整5G覆蓋范圍。

掘進(jìn)機(jī)一般配備6～8 路1 080P 攝像頭、若干設(shè)備傳感器和控制設(shè)備，需要的數(shù)據(jù)傳輸帶寬約為30 Mbit/s，RTT 時(shí)延小于100 ms?；谶B接可靠性考慮，建議在掘進(jìn)機(jī)上安裝2 套CPE、2 面天線。掘進(jìn)面的5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如下。

a）推薦4T4R配置，劈裂2面平板天線同向覆蓋。

b）基于掘進(jìn)路徑的可視性（路徑坡度是否直線），可視覆蓋最大為400 m，最少為50 m（針對(duì)非可視路徑）。

c）掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)配置天線防撞盒，內(nèi)置平板天線。

d）采用2套CPE接入或設(shè)備內(nèi)嵌5G模組接入。

e）負(fù)責(zé)掘進(jìn)機(jī)通信的pRRU 配置成單小區(qū)（僅覆蓋掘進(jìn)機(jī)方向），隨著掘進(jìn)巷道的拓展，逐步增加pRRU，可采取主巷道模式覆蓋。

f）基站可開通2∶3時(shí)隙配比，提高上行容量。

3.3.3 巷道無線覆蓋方案

在礦山的主井、副井、人車場(chǎng)、運(yùn)輸大巷、皮帶大巷、變電所、采/掘工作面等重要場(chǎng)所安裝礦用隔爆型5G 基站。BBU 和RHUB 一般部署于巷道旁的硐室內(nèi)，pRRU 掛墻安裝在巷道壁上，通過電纜取電，RHUB 與多個(gè)pRRU 通過光纜星型連接。通常1 個(gè)BBU 連接3 個(gè)RHUB，每個(gè)RHUB掛接6 個(gè)pRRU。按站間 距400 m 計(jì)算，1 個(gè)BBU 能夠覆蓋約7.2 km 長(zhǎng)的平直巷道。對(duì)于有一定坡度的巷道，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況勘測(cè)確定需要部署的pRRU位置和數(shù)量。

3.4 環(huán)網(wǎng)承載方案

煤礦井上和井下業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸方案需要統(tǒng)籌考慮，在組網(wǎng)方式上，為了提高傳輸?shù)目煽糠€(wěn)定性，建議井下的傳輸設(shè)備與井上的傳輸設(shè)備成環(huán)組網(wǎng)，任一段光纖故障不會(huì)影響業(yè)務(wù)正常傳輸。為了避免傳輸設(shè)備重復(fù)建設(shè)，降低投資和運(yùn)維成本，建議煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)和5G業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)，一張傳輸網(wǎng)絡(luò)既可以承載工業(yè)數(shù)據(jù)，又可以承載5G信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對(duì)于大中型煤礦，根據(jù)井下物理位置和業(yè)務(wù)承載需求的不同，可以部署多個(gè)井下傳輸環(huán)網(wǎng)，并與地面?zhèn)鬏斣O(shè)備成環(huán)組網(wǎng)。煤礦井上傳輸設(shè)備可與運(yùn)營(yíng)商的5G 承載網(wǎng)接入設(shè)備組成匯聚環(huán)。

BBU 與井下傳輸設(shè)備的互連接口為10GE 光口，井下傳輸環(huán)可以是10GE 環(huán)網(wǎng)或50GE 環(huán)網(wǎng)，取決于無線基站數(shù)量和業(yè)務(wù)傳輸需求。建議MEC（一般通過MEC 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)交換機(jī)）與地面?zhèn)鬏斣O(shè)備之間的接口帶寬不低于10GE。

基站時(shí)鐘同步優(yōu)先采用1588v2 時(shí)間同步技術(shù)，提供多個(gè)BBU 之間的同步。若礦山網(wǎng)絡(luò)與時(shí)鐘源之間的傳輸發(fā)生中斷，礦山業(yè)務(wù)會(huì)受到影響，因此建議5G煤礦專網(wǎng)配備1臺(tái)時(shí)鐘服務(wù)器+GPS或北斗，保障在5G專網(wǎng)與公網(wǎng)之間的傳輸中斷情況下，不影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的時(shí)鐘同步。

IPRAN 新技術(shù)點(diǎn)也較好匹配了未來業(yè)務(wù)需求的不確定性，因此目前全球主流運(yùn)營(yíng)商都計(jì)劃基于當(dāng)前IPRAN網(wǎng)絡(luò)做平滑演進(jìn)。

3.5 MEC方案

為了滿足礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出礦區(qū)、控制類業(yè)務(wù)低時(shí)延的要求，需要在煤礦井上數(shù)據(jù)中心建設(shè)MEC（含UPF），MEC 設(shè)備通過節(jié)點(diǎn)交換機(jī)雙上聯(lián)至傳輸設(shè)備。運(yùn)營(yíng)商需要為煤礦分配專網(wǎng)特定DNN，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)針對(duì)特定DNN 設(shè)置專用UPF（煤礦UPF），5GC 在為業(yè)務(wù)選擇UPF 時(shí)即可根據(jù)DNN 來選擇。煤礦各類物聯(lián)網(wǎng)終端簽約特定DNN，由SMF根據(jù)特定DNN為物聯(lián)網(wǎng)終端選擇煤礦UPF 進(jìn)行承載建立，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)在煤礦本地的分流，由UPF分流后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)N6接口送至MEP 平臺(tái)或煤礦數(shù)據(jù)中心的相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。煤礦5G專網(wǎng)MEC組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 煤礦5G專網(wǎng)MEC組網(wǎng)示意圖

為了保障煤礦5G專網(wǎng)在與運(yùn)營(yíng)商大網(wǎng)之間的傳輸鏈路故障情況下，煤礦5G專網(wǎng)仍能夠繼續(xù)進(jìn)行業(yè)務(wù)的承載，需要專網(wǎng)部署1套UPF 和應(yīng)急AMF/SMF/UDM 控制面功能。正常情況，通過運(yùn)營(yíng)商大網(wǎng)5GC控制面提供專網(wǎng)5G用戶接入和移動(dòng)信令處理，應(yīng)急控制面定時(shí)從大網(wǎng)UDM 同步專網(wǎng)用戶簽約數(shù)據(jù)；專網(wǎng)與大網(wǎng)失聯(lián)后，專網(wǎng)gNB和UPF對(duì)處于連接態(tài)且不發(fā)生移動(dòng)性切換的業(yè)務(wù)可提供?；罟δ?，且故障恢復(fù)后業(yè)務(wù)繼續(xù)，不會(huì)中斷。而空閑態(tài)、連接態(tài)發(fā)生移動(dòng)性切換的用戶通過本地應(yīng)急控制面重新接入，數(shù)據(jù)面由專網(wǎng)UPF轉(zhuǎn)發(fā)。

煤礦部署的無人電機(jī)車、安全生產(chǎn)監(jiān)管、綜采面遠(yuǎn)程控制、掘進(jìn)面遠(yuǎn)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用可以基于MEP 平臺(tái)進(jìn)行部署，MEP 平臺(tái)可以靈活分配應(yīng)用所需的CPU/vCPU、內(nèi)存、硬盤、GPU等資源。

4 5G專網(wǎng)對(duì)煤礦智能化的價(jià)值

5G 專網(wǎng)是煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)信息設(shè)施，可以靈活便捷地接入采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、環(huán)境傳感器、攝像頭、手機(jī)等各類終端，在設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)采集、井下人員通信等場(chǎng)景發(fā)揮著重要的價(jià)值和作用（見圖3）。

圖3 5G專網(wǎng)對(duì)煤礦智能化價(jià)值示意圖

4.1 遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景

現(xiàn)有固定環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，易造成光纖折斷、數(shù)據(jù)丟失或中斷，導(dǎo)致集控系統(tǒng)通信中斷。通過5G專網(wǎng)下達(dá)指令僅需20 ms，完全滿足生產(chǎn)控制需要，且傳輸可靠性高。

4.2 視頻監(jiān)控場(chǎng)景

在硐室、運(yùn)煤皮帶、采煤巷道、設(shè)備監(jiān)控、主副井口監(jiān)控、巡檢機(jī)器人、綜采面遠(yuǎn)程控制、軌道車、膠輪車等需要視頻監(jiān)控的場(chǎng)景中，有線接入方式不靈活，Wi-Fi 不能很好支持移動(dòng)性場(chǎng)景，而5G 專網(wǎng)可以較好地滿足視頻大上行的要求。

4.3 數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景

煤礦需要對(duì)環(huán)境感知、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備控制、人員位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而這類設(shè)備和傳感器數(shù)以千計(jì)，若通過有線網(wǎng)絡(luò)接入，線纜布放復(fù)雜，升級(jí)、維護(hù)困難，通過5G 專網(wǎng)可以靈活接入數(shù)量龐大的終端設(shè)備。

4.4 人員通信場(chǎng)景

5G 專網(wǎng)可以使井下人員擺脫僅靠固定電話、語音等簡(jiǎn)單溝通方式的限制，可以支持AR、5G 安全帽、高清視頻等多種豐富的溝通互動(dòng)方式。

5 結(jié)束語

5G 專網(wǎng)僅僅是煤礦智能化建設(shè)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，還需要通過礦山技術(shù)裝備、智能控制調(diào)度、預(yù)測(cè)性維護(hù)、協(xié)同聯(lián)動(dòng)等多種技術(shù)的融合創(chuàng)新，共同助力礦山實(shí)現(xiàn)安全、智能、高效、綠色發(fā)展。