基于多頻融合5G專網(wǎng)的智慧礦山安全管理研究

李 強(qiáng)，鐘仕軍，賴亞寒*，宋仕斌,2

（1. 四川公眾項(xiàng)目咨詢管理有限公司，成都 610058；2. 四川大學(xué)錦江學(xué)院，眉山 620860）

0 引言

礦山生產(chǎn)條件艱苦、工作環(huán)境惡劣、地質(zhì)變化復(fù)雜，面臨地質(zhì)災(zāi)害、坍塌、冒頂片幫、水災(zāi)、爆炸、高處墜落、物體打擊、中毒和窒息、機(jī)械傷害、車輛傷害、火災(zāi)、粉塵、噪聲和振動(dòng)傷害等多種危險(xiǎn)有害因素和安全事故風(fēng)險(xiǎn)。煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)注重點(diǎn)是井下工人作業(yè)場(chǎng)所具有高度危險(xiǎn)性以及不確定變化。傳統(tǒng)工人工作方式需要靠人眼判斷狀態(tài)，重復(fù)啟停操作井下大量生產(chǎn)設(shè)備，面對(duì)井下作業(yè)場(chǎng)所多、設(shè)備多、操作枯燥重復(fù)繁重的特質(zhì)，作業(yè)人員極易思想懈怠、操作失誤［1］。傳統(tǒng)礦山自動(dòng)化信息系統(tǒng)仍然存在設(shè)備移動(dòng)性受限、光電纜易損毀、視野盲區(qū)、信息孤島、缺乏智能感知能力等不足，難以對(duì)礦山作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境危險(xiǎn)因素、人的違規(guī)行為、設(shè)備的異常狀態(tài)做出及時(shí)、精準(zhǔn)的判斷，容易導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故發(fā)生。本文以煤礦安全生產(chǎn)為例，提出基于5G 專網(wǎng)的智慧礦山解決方案，是礦山數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 智慧礦山5G通信網(wǎng)絡(luò)需求分析

5G 移動(dòng)通信具有大寬帶、高可靠、低時(shí)延、移動(dòng)性和海量接入等優(yōu)點(diǎn)。隨著5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)深入推進(jìn)和行業(yè)廣泛應(yīng)用，5G 網(wǎng)絡(luò)與礦山作業(yè)流程、安全深度融合，賦能5G+智能采掘、5G+4K 高清視頻、5G+無(wú)人駕駛、5G+無(wú)人安全機(jī)巡檢等智慧礦山典型應(yīng)用場(chǎng)景［2］。智慧礦山對(duì)5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需求見(jiàn)表1。安全管理工作人員在煤礦調(diào)度集控中心通過(guò)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、安全生產(chǎn)智慧云平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)檢查、監(jiān)控、調(diào)度煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)煤礦高危作業(yè)場(chǎng)景少人化、無(wú)人化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行，在助力礦山企業(yè)降本、提質(zhì)、增效經(jīng)營(yíng)管理目標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)“本質(zhì)安全”，提升煤礦安全管理能力。

表1 智慧礦山典型應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求

智慧礦山依托5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，“5G+無(wú)人駕駛”技術(shù)利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)算力實(shí)現(xiàn)煤礦運(yùn)輸卡車的無(wú)人駕駛，實(shí)現(xiàn)井下“以物換人”。采用“5G+無(wú)人機(jī)巡檢”方式實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井上和洗煤廠進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)安全巡檢，降低人工巡檢頻次，提升安全巡檢效率?！?G+高清攝像頭”，將礦山地面及井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的4K 超高清視頻海量數(shù)據(jù)通過(guò)5G 無(wú)線基站高速回傳，在礦區(qū)中心機(jī)房LED 大屏同步展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)礦山高危作業(yè)場(chǎng)景安全管理透明化、可視化。“5G+井下信息礦燈”實(shí)現(xiàn)可視通話、移動(dòng)廣播、群組對(duì)講和一鍵調(diào)度等功能。激光瓦斯報(bào)警儀、智能手環(huán)等智能傳感器采集感知數(shù)據(jù)。通過(guò)5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生命體征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)人、物與環(huán)境的智能互聯(lián)及動(dòng)態(tài)感知，為遠(yuǎn)程掘進(jìn)、智能綜采提供數(shù)據(jù)采集功能。

2 智慧礦山5G專網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

本文為解決傳統(tǒng)礦山安全生產(chǎn)的痛點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，結(jié)合智慧礦山典型應(yīng)用場(chǎng)景需求和中興通訊［3］面向能源行業(yè)推出的專用輕量級(jí)核心網(wǎng)產(chǎn)品提出基于“700M+2.6G/3.5G”多頻融合的5G專網(wǎng)智慧礦山解決方案，如圖1所示。

圖1 多頻融合的5G專網(wǎng)智慧礦山解決方案

700MHz 低頻段覆蓋遠(yuǎn)、時(shí)延低、穿透力強(qiáng)、抖動(dòng)小，可完成井上井下基礎(chǔ)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和物聯(lián)的低成本組網(wǎng)。700MHz 頻段覆蓋效果優(yōu)異，實(shí)測(cè)巷道覆蓋半徑可達(dá)到800～900 米。因此，覆蓋同樣長(zhǎng)度的巷道，采用700M 頻段建網(wǎng)需要部署的基站數(shù)大約為2.6GHz/3.5GHz 頻所須的1/4～1/3 左右，大大降低了礦山井下5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投資。2.6G/3.5GHz 大帶寬的優(yōu)勢(shì)可提升系統(tǒng)容量，同時(shí)結(jié)合1D3U 靈活幀結(jié)構(gòu)，大幅增強(qiáng)上行的邊緣速率。700M“黃金頻段”和2.6G/3.5G 在頻率和制式的差異可以在智慧礦山通信建設(shè)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。服務(wù)煤礦的所有5G網(wǎng)元采取專享模式與電信運(yùn)營(yíng)商5G核心網(wǎng)互聯(lián)互通。“700MHz+2.6G/3.5G”多頻融合5G 專網(wǎng)創(chuàng)新方案，較傳統(tǒng)單頻組網(wǎng)覆蓋距離提高了4～6 倍、時(shí)延降低35%［4］。為礦山地面及井下安全生產(chǎn)提供信息化綜合管理平臺(tái)。

2.1 智慧礦山5G專網(wǎng)軟硬件配置

“700 MHz+2.6G/3.5G”多頻融合5G專網(wǎng)軟硬件一體化設(shè)計(jì)，最簡(jiǎn)配置僅需一臺(tái)服務(wù)器。i5GC 可以量體裁衣，靈活組合NF，滿足智慧礦山不同高危作業(yè)場(chǎng)景下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信功能需求。支持礦區(qū)內(nèi)各種終端的泛在接入，滿足高速、中速、低速等多種網(wǎng)絡(luò)連接需求。核心網(wǎng)的AMF+SMF+UDM+PCF+UPF+IMS 網(wǎng)絡(luò)功能單元下沉礦區(qū)機(jī)房，提供融合數(shù)據(jù)語(yǔ)音接入；核心網(wǎng)AMF+SMF+UDM+UPF 下沉礦區(qū)機(jī)房，提供數(shù)據(jù)接入；核心網(wǎng)的AMF+SMF+UPF 網(wǎng)絡(luò)功能單元下沉礦區(qū)機(jī)房，復(fù)用大區(qū)UDM，其它網(wǎng)元下沉部署，電信運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一開(kāi)卡放號(hào)；核心網(wǎng)僅下沉部署極簡(jiǎn)UPF，為智慧礦山提供高性價(jià)比的分布式數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2.2 獨(dú)立專網(wǎng)

5G 獨(dú)立專網(wǎng)（SA）通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)切片功能為智慧礦山用戶提供無(wú)線接入、承載網(wǎng)及核心網(wǎng)的全程端到端、物理隔離、自主運(yùn)維的5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。等同于礦山業(yè)主單位自主建設(shè)專用5G 網(wǎng)絡(luò)，專網(wǎng)專用，重要控制數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，保障礦山數(shù)據(jù)高度安全，為智慧礦山提供確定性的端到端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保障［5］。

2.3 用戶面功能（UPF）下沉

智慧礦山用戶面功能（UPF）下沉方案可以最大程度共享5G 專網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，包括無(wú)線網(wǎng)RRU（AAU）、SPN 承載網(wǎng)、i5GC 核心網(wǎng)。通過(guò)共享電信運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)5G 宏站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將UPF 網(wǎng)元下沉礦區(qū)，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)專用，滿足智慧礦山高帶寬、低時(shí)延、移動(dòng)性和廣連接的通信需求，同時(shí)通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一提供專業(yè)運(yùn)維服務(wù)，提升礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率。

2.4 應(yīng)急備份核心網(wǎng)

智慧礦山i5GC 核心網(wǎng)CPF 信令功能利用電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，疊加i5GC 輕量化的應(yīng)急控制面網(wǎng)元，當(dāng)在智慧礦區(qū)和電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)之間的傳輸鏈路異常或者發(fā)生故障時(shí)，由應(yīng)急備份核心網(wǎng)接管礦區(qū)業(yè)務(wù)，提供極致容災(zāi)備份和雙網(wǎng)傳輸可靠性，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)斷業(yè)不斷”。當(dāng)傳輸鏈路恢復(fù)時(shí)，可自動(dòng)切換回電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)運(yùn)行。礦山地質(zhì)災(zāi)害等危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)作業(yè)裝備大都是在移動(dòng)中持續(xù)推進(jìn)，傳輸光纖容易出現(xiàn)中斷故障導(dǎo)致斷網(wǎng)。本方案進(jìn)行設(shè)備和鏈路級(jí)的冗余保護(hù)設(shè)計(jì)外，提出了L1 和L2 級(jí)網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)解決方案，確保危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)“斷纖不斷網(wǎng)”。這種高可靠組網(wǎng)方案不僅可以復(fù)用5G 成熟商用電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)，讓礦山生產(chǎn)企業(yè)快速建網(wǎng)，同時(shí)提供極致可靠保障，滿足礦山不間斷的業(yè)務(wù)作業(yè)和安全生產(chǎn)管理需求。

2.5 智慧礦山5G專網(wǎng)語(yǔ)音方案

在智慧礦山5G 專網(wǎng)建設(shè)中，本方案建議采用中興i5GC 疊加部署輕量化iIMS 語(yǔ)音系統(tǒng)，提供智慧礦山5G 專網(wǎng)語(yǔ)音解決方案。支持與現(xiàn)網(wǎng)中礦山語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，滿足礦山地面、井下的應(yīng)急廣播、指揮調(diào)度、對(duì)講通話等語(yǔ)音和視頻通話需求，為智慧礦山井下工人及安全管理人員提供成本低、功能全、體驗(yàn)佳的語(yǔ)音通信能力。

2.6 井下5G無(wú)線覆蓋方案

礦井下5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息覆蓋使用皮基站設(shè)備，經(jīng)防爆設(shè)計(jì)改造后，具備隔爆功能，功率低、安裝靈活。皮基站采用BBU-PB-pRRU 三級(jí)的星型組網(wǎng)架構(gòu)，礦井下巷道里每個(gè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)一個(gè)5G 皮基站并外接兩面定向天線覆蓋兩個(gè)方向。皮基站掛墻安裝在隧道側(cè)壁或者頂部，本地取電，最大拉遠(yuǎn)可到10 公里。井下5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分為三種場(chǎng)景：①在井下較直、坡度較小的巷道，5G 皮基站天線向左右方向覆蓋，覆蓋半徑按300 米設(shè)計(jì)；②在巷道彎度較大的轉(zhuǎn)彎處布置5G 皮基站；③在巷道彎道較多的地方布設(shè)5G 皮基站，天線向左右方向覆蓋，覆蓋半徑建議按100～150 米設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)還需考慮礦井巷道起伏坡度，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)全覆蓋，對(duì)各個(gè)重要區(qū)域進(jìn)行基站安裝位置設(shè)計(jì)，具體位置及數(shù)量根據(jù)實(shí)際工勘進(jìn)行調(diào)整。

2.7 5G防爆“本安基站”

本方案建議采用中興通訊等廠家推出的隔爆型防爆5G“本安基站”，通信設(shè)備廠商對(duì)低功率皮基站的結(jié)構(gòu)、散熱、前傳、授時(shí)、耐壓隔離等方面進(jìn)行優(yōu)化和節(jié)能改造，“本安基站”在電磁兼容性、5G 設(shè)備散熱及ERIP 功率限制等方面具有優(yōu)異特性，體積小、重量輕、功耗低、安全性高，特別適用煤礦井下部署。

3 5G+智慧礦山安全管理應(yīng)用案例及功能驗(yàn)證

陜西隆德煤礦聯(lián)合華電煤業(yè)［6］、中國(guó)移動(dòng)和中興通訊推動(dòng)“5G+智慧礦山”建設(shè)，成為國(guó)家首批智能化示范煤礦，如圖2所示。本應(yīng)用案例基于“井下部署一站、井下部署一柜、綜合管理一平臺(tái)”的創(chuàng)新理念架構(gòu)設(shè)計(jì)，礦區(qū)中心機(jī)房部署i5GCEPC、iIMS和統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)，形成“井上、井下一張網(wǎng)”。通過(guò)“700M+2.6G/3.5G”多頻融合的5G 專網(wǎng)構(gòu)建具有大帶寬、低時(shí)延、高可靠和安全隔離的新型智慧礦山。采用5G 本安基站的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載礦區(qū)地面、井下傳感器數(shù)據(jù)采集、信息傳輸業(yè)務(wù)，對(duì)井下高危作業(yè)場(chǎng)景視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)大帶寬上行回傳。實(shí)現(xiàn)“降本增效”產(chǎn)業(yè)升級(jí)和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)“本質(zhì)安全”，提升礦區(qū)安全生產(chǎn)能力。

物聯(lián)感知、人工智能、自動(dòng)控制與5G 無(wú)線通信技術(shù)的深度融合，掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、錨桿臺(tái)車、礦卡無(wú)人駕駛、機(jī)器人安全巡檢實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和全天候監(jiān)控，貫穿煤礦企業(yè)全流程、智能化安全管理。在建設(shè)智慧礦山的過(guò)程中，5G 專網(wǎng)為礦山提供可靠高效的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，支撐視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、信息采集、人員通訊等業(yè)務(wù)在礦山的應(yīng)用。

3.1 智能采煤

綜采工作面大型設(shè)備多，作業(yè)空間狹小、視覺(jué)環(huán)境差，潛在安全事故風(fēng)險(xiǎn)高，給綜采面的日常運(yùn)維帶來(lái)巨大困難。在井下綜采面部署5G 無(wú)線專網(wǎng)，通過(guò)把高清攝像視頻流回傳集控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采面環(huán)境的實(shí)時(shí)立體感知。在綜采面的大型機(jī)械由廠家完成對(duì)控制系統(tǒng)改造再接入5G 專網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。在綜采面大量、密集部署高清攝像頭，利用5G 專網(wǎng)大寬帶上行回傳能力實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)環(huán)境全面感知與安全監(jiān)控。

3.2 智能掘進(jìn)

井下煤礦掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件復(fù)雜并處于動(dòng)態(tài)變化之中，掘進(jìn)操作過(guò)程中可能存在片幫、冒頂、瓦斯突出、粉塵爆炸等事故風(fēng)險(xiǎn)。掘進(jìn)工作面通過(guò)部署5G 專網(wǎng)，破碎機(jī)、錨桿機(jī)、皮帶機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)4K 高清監(jiān)控視頻回傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的遠(yuǎn)程智能操控、指揮調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜掘工作面智能化升級(jí)改造，逐步實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化少人、智能化無(wú)人”智慧礦山安全管理目標(biāo)［7］。

3.3 巷道智能巡檢

煤礦巷道和硐室都有定期巡檢的要求。特別是巷道內(nèi)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，有的長(zhǎng)度超過(guò)20公里，巡檢難度大，效率低；如異物容易導(dǎo)致皮帶損傷，皮帶跑偏導(dǎo)致火災(zāi)。通過(guò)井巷道和硐室的5G 覆蓋，采用5G 安全巡檢機(jī)器人對(duì)危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行定期安全巡檢，將環(huán)境安全監(jiān)測(cè)信息及高清視頻數(shù)據(jù)通過(guò)5G 專網(wǎng)實(shí)時(shí)回傳至智慧礦山綜合監(jiān)管平臺(tái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、研判，及時(shí)對(duì)井下安全隱患發(fā)出告警。

3.4 案例成效

陜西隆德煤礦“5G+智慧礦山”方案的推廣應(yīng)用，單就采煤機(jī)一類設(shè)備就實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，開(kāi)機(jī)率提升約20%，實(shí)現(xiàn)綠色、高效、智能及安全生產(chǎn)。陜西隆德煤礦產(chǎn)品為低硫、低灰、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)化工及動(dòng)力用煤，目前煤炭生產(chǎn)規(guī)模約為800 萬(wàn)噸/年，“5G+智慧礦山”建設(shè)大幅提升礦井生產(chǎn)能力，已達(dá)到同地區(qū)同產(chǎn)能礦井先進(jìn)水平，經(jīng)濟(jì)效益良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)礦山危險(xiǎn)作業(yè)場(chǎng)景安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)礦山智能化升級(jí)改造對(duì)5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需求展開(kāi)研究和梳理，結(jié)合中興通訊5G通信技術(shù)及“本安基站”設(shè)備，提出基于“700M+2.6G/3.5G”多頻融合的5G 專網(wǎng)智慧礦山解決方案，詳細(xì)闡述5G 專網(wǎng)、井下語(yǔ)音通信及信號(hào)覆蓋系統(tǒng)部署。陜西隆德煤礦“5G+智慧礦山”解決方案的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤礦高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)、可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)“5G+智慧礦山”應(yīng)用仍處于從標(biāo)桿示范向模型化商用過(guò)渡階段［8］。未來(lái)，通信設(shè)備供應(yīng)商將持續(xù)開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，從自動(dòng)化、智能感知、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、生態(tài)合作、安全高效等方向拓展賦能［9］。不斷迭代升級(jí)“5G+智慧礦山”解決方案，助力礦山等能源行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與創(chuàng)新發(fā)展。