智能可重构5G专网在矿山行业发展趋势及应用分析

屈 阳 贾 捷 张呈宇

中国联通研究院 北京 100176

引言

我国矿业资源丰富，矿业在我国国民经济中占有重要地位，伴随着自动化与信息技术的飞速发展，矿山行业经历人力矿山、机械矿山、数字矿山、信息矿山四个发展阶段，并逐步迈入智能化矿山、绿色矿山[1]。矿山行业智能化发展需依托高性能网络技术支撑，以往传统的通信网络技术无法实现现有场景需求，而5G网络具有低延时、大带宽、高可靠的特点，正好适用于矿井下通信网络传输的需要，利用5G技术使矿山行业各环节间进行有机联动，实现产业链的真正融合，打造矿山新型智慧生态。

截至目前5G基站建设已经超过71万座，5G网络覆盖已初步取得成果，这为矿山智能化转型打造了良好基础。未来伴随着5G建设步伐的进一步加快，5G或成为矿山智能化发展的核心推动力。

本文旨在研究矿山行业如何使用5G网络打造智慧矿山，以确保更快的生产，更高的安全和更少的污染。本文还将从矿山行业的现状与演进趋势出发，阐述智慧矿山领域下5G专网组网思路与特点，详细描述5G-IPRAN专网、矿用5G核心网、5G矿用基站、5G边缘计算控制器、井下环网、矿用专网安全技术等关键技术，并给出5G专网与矿山行业融合趋势下的创新应用与分析。

1 智能可重构5G专网在矿山行业演进趋势

1.1 矿山行业现状与问题

伴随着中国制造2025、新基建等国家政策的推出，矿山行业处于 “需求增速放缓、过剩产能和库存消化、环境制约强化、结构调整攻坚”四期叠加的新阶段，客观要求矿山行业必须不失时机地变革，推动行业发展的转型升级，并逐步形成新的产业增长点。

我国矿山智能化水平在机械装备、管理模式、技术条件等各方面均明显落后于矿业发达国家。受矿业发达国家矿山信息化影响，越来越多的中国矿业人员在思考如何推进中国矿山信息化改造与发展智慧矿山技术，政府和相关部门也对矿山信息化高度重视。

1)矿山行业存在严重生产安全问题。自2009年以来，粗狂野蛮的矿山行业发展便伴随着如影随形的各种风险，由于生产环境和条件的恶劣，零星频发矿难事故为行业敲响警钟，这不仅阻碍了生产，同时也导致企业面临招工难、用工难、留工难等现实问题。

2)传统矿山行业效率低下，行业发展急需转型升级。日常矿山巡检、矿石的挖掘开采、装载、运输、卸载自动化程度低，整体行业存在生产率低下的问题。而利用5G、人工智能、物联网、大数据等新技术将驱动行业自动化转型，为行业智能化发展提供技术、产品支持。

3)传统矿山行业IT系统建设混乱，存在“烟囱化”“信息孤岛”现象。企业缺乏总体规划与建设，导致大部分系统功能缺失、可操作性差，低水平重复建设现象严重。数据资源和系统之间存在很多“闭环”的数据垄断，难以实现数据、信息横向流动，导致无法最大化利用数据的价值。

4)传统矿山行业环保问题严重。矿山在不同生产阶段勘探、开采、加工、关闭，势必对自然环境和社会环境都有一定的危害，如矿用废水、冶炼废渣、酸性溶液等等；同时，由于有些矿山企业的自动化与智能化水平较低，乱采滥挖、掠夺式开发现象时有发生，对矿产资源造成极大的破坏和浪费。

1.2 矿山行业演进趋势

基于我国矿山行业发展现状，为全面提高行业作业水平，推动智慧矿山建设将是行业发展的必经之路。其中，5G通信技术为智慧矿山提供了重要技术依托。矿用5G技术不同常用的传统5G技术，由于井下环境复杂，进而对矿用5G网络技术中实时性、安全性、可靠性要求更为苛刻。伴随着5G网络与矿山领域场景深度融合，未来我国矿山领域发展趋势具体如下。

1)智慧矿山。智慧矿山是基于5G、云、大、物、智等技术，集成各类SCADA、PLC控制器、传输网络、组件式软件等，形成一套智慧体系，能够主动感知、自动分析，依据深度学习的知识库，形成最优决策模型并对各环节实施自动调控，实现设计、生产、运营管理等环节安全高效。

2)“无人”矿山。“无人”是智慧矿山的最高形式。全流程作业的“无人”化操作，所有工作通过机器人及智能设备完成。例如数据采集、视频回传、机器视觉、AR/VR、AI、企业上云、远程控制等方面应用。

3)绿色矿山。伴随着国家对于绿色环保、资源可持续发展的重视，在矿产资源开发全过程中，实施矿区及周边生态环境的和谐发展，实现资源利用高效化、矿区环境生态化、开采方式科学化、行业管理数字化的绿色矿山最终目标。

2 智能可重构5G专网关键技术与组网思路

智能可重构矿用5G专网把5G通信技术、自动驾驶技术、车联网技术充分运用在矿山行业的管理和生产活动中，实现对矿山安全开采、无人化智能生产、生产过程的状态可控的全生命周期管理。

智能可重构5G矿用专网，主要包括5G-IPRAN专网、5G矿用核心网、5G矿用基站、井下环网5G矿用边缘计算、矿用专网安全五大技术创新，可广泛适用于极端严苛的矿山业务场景，目前已顺利得到国家矿用5G系统“安全标志证”，并在某些煤矿进行了部署，实现了高效稳定运行。

2.1 智能可重构5G专网组网

智能可重构5G专网组网思路：网络是基础、数据是核心、应用是关键三点为基石来构造，其建设目标为一张网、二中心(网络中心、数据中心)、三平台、四应用。矿用5G专网按照“一张网”的要求进行网络规划，将矿区所有网络进行统一规划(如图1所示)，不重复建设同一类型的网络，各种类型的网络通过相应的安全策略实现互联互通，形成矿区的一张网。三平台为将现在5G+MEC+物联网技术进行融合，包括现场级边缘计算平台、物联网平台、工业互联网平台，从而实现统一感知信息的采集，采用统一的监测监控分析平台实现监测信息的全面分析，实现预警、报警，实现统一展现、信息查询，满足安全管理的需要。MEC实现对矿山业务数据的本地分流卸载、对业务近端处理，在满足矿区数据的安全隐私性需求的同时，也进一步降低了业务时延，提升了诸如远程控制、远程协作等业务的体验。四应用包括全面感知类应用、生产控制类应用、经营管理类应用和汇聚了“指挥救援”和“安全保障”系统的安全救援类应用。

图1 矿用网络通信图

智能可重构5G专网解决矿用网络中主要问题，具体如下：一是安全问题，采用公网专网混合组网，保障信息安全性；二是容灾问题，分层环形组网，增强网络可靠性；三是易用性问题，多元参数平衡，专注系统实用性；四是网络容量问题，控制面功能下沉，关键场景独立运行。

根据矿山行业需求，矿山通讯网络系统目前比较分散、独立，通过最新5G进行融合，对已有网络模式进行兼容，把多个井下系统进行对接。在基站侧进行集中的边缘计算处理，结合井下3/4/5G无线网络、物联网NB-IoT等技术，融合现有IT、CT、OT网络建成井上井下一体、全覆盖、韧性抗毁、全贯通的通信网络，打通矿企所有系统之间信息传输通道，打造建设5G+智慧矿山一张网概念，实现井上井下基于一套标准、一张网络、一条通道，实现地面井下安全监测、全面感知平台。如图2所示，智能可重构5G矿用专网主要包括以下几部分。

图2 智能可重构5G组网图

1)5G专网业务。通过与公网、核心网对接，可满足专网内用户访问公网的业务需求，打造针对矿区全覆盖的网络。

2)矿用MEC平台建设。机房建设MEC边缘云，根据用户业务流特征，将访问本地网络的业务流分流到本地业务服务器，实现业务流量的本地卸载，避免流量迂回，降低用户访问时延。

3)建设具备抗灾害能力的工业IPRAN通讯主干网络。对新建的环网，建议建设IPRAN工业环网，对已有的工业环网建议替换IPRAN交换机。实现提升智能可重构5G专网络兼容性和稳定性。

4)实现移动作业区无线综合接入。4G承载业务：移动语音业务，融合调度业务，“采、掘、运、提、排、通”等各种生产自动化系统的监测数据传输业务，采掘面无线视频监控数据接入业务，自动巡检系统等其他业务系统传输。5G承载业务：整个矿山的增强移动宽带类(高清工业视频监控及智能识别、VR/AR等)，高可靠低时延类(煤矿各类工业智能控制、采煤机器人、无人驾驶等)，万物智能互联类(矿山各类感知终端智能互联及其智能联动)。物联网NB-IoT承载业务：覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点，适用井下在本质安全防爆条件下，大于2.4 GHz时，矿井下无线通信距离小于800m。矿井无线传输衰减大，受巷道断面、分支、弯曲、支护、电缆等影响，无线电传输衰减模型复杂多变。无线工作频段越高，传输衰减越大，传输距离越近，绕射能力越差[2]。

智能可重构5G专网在矿山行业的应用实践，从根本上解决了传统网络技术在矿用网络上技术难点，如井下高危环境、电磁干扰大、设备及传感器数量庞大、用人多、频段与无线信道衰减等问题，为构建矿山本质安全提供可靠的网络支撑。目前，在某矿区实测传输时延最低达到10ms，网络带宽达到50G以上。

2.2 关键技术

2.2.1 IPRAN专网技术

建设矿山全覆盖的万兆高速传输骨干网络，结合井下NBIoT/3/4/5G网络，建成井上井下统一全覆盖通信网络，打通所有子系统信息传输通道，如图3所示。

图3 5G-IPRAN图

IPRAN承载网是面向多业务的，可以快速部署业务，具备灵活的扩展能力，可以满足不断更新的业务部署需求。目前该技术已经相当成熟，且经过了大规模的市场运营考验。IPRAN承载网实现了，包括：网络满足移动化、大宽带的需求；具备带宽容量弹性扩展能力；满足移动业务的端到端可管理具备差异化QoS承载能力要求。

2.2.2 5G矿用基站

在5G时代，宏基站＋小基站的组网方式是矿用网络覆盖提升的主要途径。主要是5G时期采用3.5G及以上的频段，在室外场景下覆盖范围减小，加上由于宏基站布设成本较高，因此，需要小基站配合组网[3]。

在矿山行业5G业务场景里存在很多是井下室内应用，5G小基站主要是解决宏基站的难题。小基站体积小，部署灵活，不用局限于宏基站的站址问题，可以有针对性的补充宏基站信号弱覆盖区域、覆盖盲点，保证信号质量；在热点区域，小基站由于功率小，可以在更小的范围内实行频率复用，提升容量，帮助宏基站分流[3]。未来，5G小基站通过虚拟化和云化，进一步实现边缘计算的融合，以及对智能运维的支撑，将能更好地提供性能确定的满足5G三大应用场景的专用网络，实现矿用垂直行业的应用[4]。

由于井下作业环境复杂，有大量的瓦斯可燃爆炸气体，矿山行业5G基站与传统一般行业最大区别为安全防爆。矿用5G基站必须采用本质安全型，本质安全型防爆性能最好，可适用在矿井下所有场所或者瓦斯超限等各种场景，具有防爆性能好、体积小、重量轻等优点。

2.2.3 矿用5G核心网

矿用5G核心网不仅设备体积小、重量轻、组网简单，还能够准确快速清晰地实现井上井下各种安全生产数据和视频数据流畅传输，为矿用生产远程操作等提供了可靠网络保障。

动态智能网络切片是矿用5G核心网的重要能力，通过在同一个物理基础设施上划分不同的虚拟专网，来保证确定性差异化的网络体验。通过动态智能网络切片技术的动态编排、租户隔离，为行业应用提供稳定个性网络服务能力，改变矿区核心业务的运营方式和作业模式，提升矿区作业运营效率和智能化决策水平。

2.2.4 井下环网

井下环网创新性采用了环形组网结构。目前为其他网络系统所不具备的专网高可靠特性的一个关键组成部分，可以实现冗余的环形组网。由于井下光缆和电缆易干扰、易损坏的特性，解决井下组网结构一旦单个节点损坏或者故障，不会影响整个系统稳定运行的问题，如图4所示。

图4 井下环图

2.2.5 5G边缘计算

5G时代核心网集中式部署不能满足新业务需求，网络随业务流向边缘迁移是产业趋势，实现应用本地化、内容分布化和计算边缘化[5]。边缘计算(MEC)服务接近终端，使得整个系统具有实时高效的数据处理能力。由于大量的视频、生产数据处理放在边缘侧多个站点处理，具有数据计算处理快、网络传输压力小、成本更低等优势。依据矿山行业的行业特征打造云—边—端协同的矿用边缘云，如图5所示。边缘侧可就近提供用户所需服务和云端计算功能，提供一个具备大宽带、高性能、低时延的服务环境，实现矿区人、机、物、料、环等全生产要素的智能互联，通过物联网，将设备互联，建立边缘云数据库，存储、计算、分析各类传感器和摄像头采集的数据。

图5 边缘云图

通过将边缘计算技术引入了矿井下，推进到井下生产的最前端。实现对矿山业务数据的本地分流卸载，推动业务近端处理，不仅能够满足安全隐私性需求，同时降低了业务时延，也提升了诸如远程控制、远程协作等大宽带业务的体验。MEC平台通过集成应用生态，通过5G+智能处理单元建立设备连接生态，打通各子系统之间横纵关联，形成包含安全、生产、经营、管理的边缘云平台。MEC平台与子系统之间独立部署，平台发生故障不影响子系统运行，子系统发生故障不影响平台运行，如图6所示。

图6 矿用专网MEC平台图

2.2.6 矿用网络安全技术

在矿井下建设5G专网，设备防爆与安全是关键中的关键，必须攻克5G设备功率大、设备及传感器数量庞大、天线多等井下防爆安全技术难点。矿用专网安全技术包括：基站性能、基站兼容性、多路天线设计和井下安全性等重点内容，针对以上内容通过井下5G设备改造，打造专用5G矿用井下设备，实现矿井内数据信号的独立运行，并具有防爆、防潮、防尘、抗电磁干扰等特点。

2.3 智能可重构5G专网组网特点

智能可重构5G矿山专网系统具有以下几大特点。

1)智能化网络。由于矿山行业安全性需求对于QoS和SLA要求极为苛刻，为了匹配这个需求，5G专网需提供端到端、传输网、核心网的端到端各个网络链路之间质量保障；5G专网多元参数平衡，即充分考虑网络安全、传输速度、系统延时、覆盖面距离等因素，提高了专网系统的实用性，最好能够实现专网可重构。

2)专用矿用5G专网。满足独立运维管理的需求，矿区可以对资源应用、网络切片资源情况做到可视化管理，专网独立运行，即矿用5G核心网直接部署在矿井地面机房，不受运营商网络影响，与井下矿用设备共同组成了一套完整的、可独立运行的专用网，保证了信息安全性。

3)地面与井下组成环形组网。即地面矿用5G核心网与井下基站控制器之间、地面矿用5G核心网与井下矿网5G基站控制器之间、井下基站控制器与井下矿网5G基站控制器之间均使用环形组网，提高了网络运行可靠性，一旦某个节点网络出现问题，不影响其业务运行。

4)是控制面与用户面下沉。即将5G核心网控制面网元下沉至井下，实现关键场景独立运行，并将5G核心网用户网独立拆分至井下，实现井下数据即时转发。

5)部署简单，自主可控。该套矿用5G专网具有设备体积小、重量轻，可在矿井下各重点场景轻松部署的优势，而且均采用了国产零部件，减少了国外零部件的依存度，提高了设备自主可控程度。

3 智能可重构5G专网如何应用矿山行业

结合矿区实际需求，智能可重构5G专网与矿山行业创新场景主要在增强移动宽带类、高可靠低时延类、万物智能互联类等三个方面。

1)增强移动宽带类，应用于高清工业视频监控及智能识别、VR/AR等。通过5G连接巡检机器人或无人机，能够把巡检数据、视频、音频信号传送到监控指挥中心，低延时、高速率、大容量的特征保障了巡检传输的稳定性、高效性和全面性，从而减少巡检人力依赖，增强矿山巡检效率，保障作业安全。如5G巡检机器人、5G掘进机远程控制、5G井上井下AR/VR通话等。

2)高可靠低时延类，应用于矿区各类工业智能控制、采煤机器人、无人驾驶等。传统人工在利用采矿机械作业时，必须亲身上阵，人身安全没法保障。而应用5G之后，无人化远程操作将成为现实，利用5G网络高可靠、低延时的特点，人们在室内就能远程操控设备进行作业，不仅保障生产安全，而且减少了岗位需求。如5G巡检机器人、5G综采机远程控制、5G掘进机远程控制等。

3)万物智能互联类，应用于矿山各类感知终端智能互联及其智能联动。矿山智能化转型，关键在于数据采集。借助矿用物联网，搭配上5G网络，能够实现水文、瓦斯等采集信息的无线回传，减少传输施工和维护难度。在保障安全性的同时降低作业压力和难度，促进作业效率与质量的提升，如5G-NB物联网传感器。

我国5G+智能矿山融合应用未来发展建议聚焦以下三方面。

首先，定制矿用5G基站。毕竟对于矿业中的5G应用来说，与普通消费用5G网络不同，需要特别建设专网才能保障效果。基于此，我国还需要在矿区加速专用基站建设，实现矿区5G网络的精准覆盖。

其次，要推出矿用5G终端。联合行业伙伴快速推出基于5G网络的井下4K摄像头、手机终端、5G通用模组、边缘网关、传感器等，也是发展重中之中。因为只有网络还不够，还需要专门的终端设备予以配套。

最后，要保障5G可靠性。井下作业具有复杂性和不可预测性，一旦5G通信出现故障，不仅会造成巨大损失，还可能引发事故，因此其稳定性和可靠性十分重要。这需要我国加强5G技术研究和应用维护，两者缺一不可。

4 结语

智能可重构5G专网与矿山行业融合之后，逐步成为打造智慧矿山的必要基础条件。5G专网的低时延、大带宽等特性，使得矿山产业上下游的交互变得前所未有的高效而通畅，信息不对称造成的风险将被大大弱化。同时，5G专网技术深度强化与物联网、大数据、人工智能等新兴技术的融合，已经形成了较为成熟的5G技术生态，有力推动了包括矿产行业转型升级和智能化发展。

在可以预见的未来，随着5G专网成熟度越高，以及更多矿山行业创新应用的出现，基于矿山行业的5G专网将会覆盖更多潜在行业，支持的应用将会不断演进，该领域必将取得更大发展。