井工煤矿5G 专网方案探讨

［陈俊明 王岱 国志远 张洁］

1 引言

2020 年3 月，国家发展改革委、工信部、能源局等8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[1]，提出到2035年我国各类煤矿都将基本实现智能化的目标。2020年7月，中国煤炭工业协会发布了《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见（征求意见稿）》[2]，其中提到煤炭科技发展将以第四次工业革命为统领，以5G、区块链技术等新一代信息技术为重点。当前井工煤矿普遍采用4G+Wi-Fi[3]，难以满足实时、大带宽的传输需求，5G 技术将成为智能开采信息传递的内在要求。

2 井工煤矿需求分析

井工煤矿主要存在多个使用5G 技术的场景[4]，下面分别叙述。

（1）采掘面

井工矿综采面具有作业空间狭小、机械设备多、视觉环境差、温度高的特点，是煤矿安全管理工作中的重点区域。井工矿掘进工作面环境恶劣、地质复杂，存在瓦斯突出、片帮冒顶等事故风险，严重危及井下工人的人身安全；设备工作时产生的粉尘也严重影响井下工人的身体健康。目前采掘作业基本采用有线，线缆磨损较大，存在5G 代替光纤连接的需求。

（2）巷道

井下主要巷道中各种管道、线缆、皮带需人员进行定期巡检，及时发现与排除各种故障或潜在风险点。目前巷道网络覆盖以有线为主，通过基于5G的巡检机器人进行巡检，可以实现减员增效的目标。担负人员以及材料运输的无轨胶轮车/有轨机车也行走在巷道中，基于5G 实现自动化调度以及无人驾驶，能大幅提高效率。

（3）机电硐室

井下变电所防火、防断电是核心关键，采用基于5G的轨道式巡检机器人，一旦发生异常，可在第一时间发出警告，通知调度室及附近人员进行及时干预处置。

典型的网络需求如表1 所示。

表1 井工矿典型网络需求

3 煤矿5G 专网方案

5G 专网有多种形态，中国联通提出“5G 虚拟专网”、“5G 混合专网”、“5G 独立专网”三款5G 专网产品[5]，中国移动形成“优享”、“专享”和“尊享”三种5G 专网产品[6]，中国电信提出“致远”、“比邻”、“如翼”三类服务模式[7]。虽然三家运营商对于专网的名称和内涵的诠释上有一些差异，但是从技术的角度专网可以概括为使用公网的模式、使用私网的模式和介于两者之间的混合模式。使用公网模式下，无线、承载、5GC（5G Core Network，5G 核心网）的控制面和用户面都采用共享方式，此类组网方式主要用于对时延、安全隔离性要求不高的场景。使用私网模式下无线接入网使用单独的频率资源/单独载波/单独基站、核心网使用单独的用户面和控制面、承载使用单独的物理链路或通过FlexE（Flex Ethernet，灵活以太网）硬切分，用于安全要求高、对建网成本不敏感的场景。

煤矿网络业务包括安全监测和控制、人员定位等，具备典型的封闭生产区域特点，对安全和性能有较强的要求，且煤矿企业在3/4G 时代有自己的专网，更容易接受使用私网的模式,这里重点阐述基于私网模式的井工煤矿5G专网。

井工煤矿5G 专网采取在矿区建设独立5G 核心网的方式来满足设备监控、综掘机远控、综采面可视化等需求，对于普通上网需求可以由井上基站直接路由到大网核心网处理。5G 专网需要覆盖井上井下，在井下综采面、掘进面、机电硐室重点进行无线覆盖，在巷道进行广覆盖；在井上需重点针对安防布控区域、皮带区域、中控室、洗煤厂等区域进行5G网络覆盖；井上井下通过承载网打通。运营商可以建设专网管理系统以便对矿区专网进行远程维护，此外可对矿区提供自服务门户以提高运营效率。整体组网如图1所示。

图1 井工矿5G 专网典型组网

为保障矿区内不同业务使用网络的需求，可考虑引入如下几类切片。

（1）安全避险相关：跟安全避险相关的监测监控系统、通信联络系统、井下人员定位是井下的生命线，对带宽、时延的需求都不高，但对稳定可靠性要求高，传统上使用单独的线路；如果接入5G 网络，需要考虑给以最高可靠性保障，相应的资源优先级最高。

（2）生产相关：智能掘进、有轨机车/胶运车无人驾驶等生产场景直接关系到矿山生产、运输效率，对时延、抖动敏感，对带宽的需求也很高，需保证资源。

（3）普通办公：包括普通办公业务等，一般性保障，采用默认优先级即可。

另外，由于煤矿井下环境特殊，瓦斯、煤尘突出都对设备的防爆特性有着很高的要求，因此井下安装设备必须通过安标国家矿用产品安全标志中心的认证，并获得煤矿安全证书。

3.1 无线接入网

井下覆盖包括一般覆盖和热点覆盖需求，一般覆盖区域，如巷道通常长度有十几公里到上百公里，要求基站覆盖距离远以节省整体覆盖的成本，但是对容量要求不高；热点区域，尤其是综采面由于密集部署较多的摄像头，所以对容量（特别是上行容量）有着较高的要求。建议对于一般覆盖采用频段不大的低频段，如700 MHz/2.1 GHz；同时对于热点区域可以叠加2.6 GHz/4.9 GHz/3.5 GHz。为实现对煤矿井下的灵活覆盖，采用分布式室分无线方案，保证有人行走的区域（胶运大巷、综采、掘进面、变电所、避难硐室等）信号全覆盖。井下设备均需采用隔爆/本安的站型，发射功率受限；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，导致覆盖距离受限[8]，大幅低于地面上的覆盖距离。业界目前2.6 GHz的覆盖半径400～500 m，3.5 GHz 覆盖半径大于200 m，700 MHz 目前业界尚无测试数据。在采煤工作面由于信号遮挡衰耗严重，采用把基站安装在工作面两侧，向综采工作面的中间进行覆盖的方式，基站天线吊挂在液压顶板之下[9]；在巷道中无线基站天线靠近巷帮设置，距巷帮不小于0.01 m，垂向位于巷道高度约2/5 处，这样既不影响行人和行车、便于安装维护，也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求[10]。井工矿井下部分区域上行流量需求很高，如综采面，由于井下与地面物理隔离而不需要考虑对大网造成的影响，可以使用1D3U 特殊帧结构来大幅提升上行流量。

人员定位系统是井下安全避险六大必备系统之一，主要用于井下人员定位和管理，特别是发生意外时的人员搜救。煤矿井下人员定位系统对精确定位的标准要求是最大静态误差不超过0.3 m，目前5G 定位满足不了需求、煤矿井下人员精确定位以UWB（Ultra Wide Band，超宽带）技术为主。但可通过5G 与定位技术的结合来降低UWB的部署成本，UWB 定位基站可通过5G 室分的级联口传输定位数据到服务端进行处理。

对于煤矿井上环境，与一般的园区相同，可以采用64TR/32TR的宏站进行覆盖。

3.2 5G 核心网

在井工煤矿部署5G 核心网涉及到一个重要的问题是UDM 是否下沉及如何放号；由于矿区有大量的地下作业，对通信的稳定性、可靠性提出了很高要求，核心网的容灾需要重点考虑；此外，如果需要使用高质量4G/5G 语音，可在矿区部署IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒体子系统），下面分别讨论。

3.2.1 UDM 部署

UDM的本地部署情况比较特殊，一方面UDM 下沉对运营商的历来的建网模式造成了冲击；另一方面，UDM不下沉园区，在园区与大网发生故障时，已在线用户的业务不受影响，新终端无法接入，矿区也不易接受。考虑到矿区有对号码的新增和修改需求，对于放号有几种方式来做到专网运营可管可控：（1）UDM 仍在本地进行部署，放号通过BOSS（Business &Operation Support System,业务运营支撑系统）远程完成，此种方式需要BOSS 对接的UDM 随运营商发展矿区客户数增加而增加；（2）放号直接在大网UDM 进行，放号数据同步到小网，此种方式需运营商制定数据同步技术规范；（3）运营商通过网元受理台拉远方式放号，此种方式BOSS 中缺少用户相关签约和话单信息。从运营商运维网络的简便性而言，优选方式2。

3.2.2 语音方案

矿区可选部署IMS，通过IMS 可支持接入PON/AG（Access Gateway,接入网关）/IP PBX（Internet Protocol Private Branch eXchange,IP 专用小交换机）固网终端用户和移动4G/5G 终端（手机、智能安全帽）用户。考虑到矿区内部调度语音和广播语音功能非IMS 能提供的能力而通常由专门的调度系统提供，IMS 需对接调度系统以保证这些语音功能的正常使用。

3.2.3 容灾

由于矿区有大量的地下作业，对通信的稳定性、可靠性提出了很高要求。影响稳定性、可靠性除了设备自身的因素外，还有断链的因素。如果仅使用大网核心网，在矿区与大网链路中断后，终端的业务会短暂的维持一段时间，但随着新业务的请求的发起，或终端周期性TA（Tracking Area，跟踪区）更新，信令层不通会导致现有业务中断；对于新进入网络的终端则完全无法接入到网络进行业务的处理。井工矿的容灾需要考虑矿区与大网、井上井下链路中断下业务稳定运行。

矿区与大网链路中断有几种容灾方案，方案1 是大网作主用，小网作备用；方案2 是小网作主用，大网作备用；方案3 是仅使用小网。方案1 与方案2的对比如表2 所示。

表2 大小网两种备份方案比较

这两个方案都存在一些挑战：（1）大小网UDM 之间要同步数据，目前尚无成熟的厂家间同步方案，需运营商制定规范。（2）对于存在IMS 语音需求的矿区，实现矿区集群调度需大网与不同矿区不同集群系统对接，理论上可行，实际上由于5G 专网是后进入功能，需要适配矿区现有的集群调度系统，而语音调度生态与运营商大网语音生态不同，厂家间对接经验少，语音通话所用SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）协议扩展变化形态较多，对接产生的适配及定制开发会给大网的稳定性带来较大的隐患。（3）备用网络长期未使用，存在需要使用的时候业务不能正常运行的可能性（两边版本、配置不一致等原因导致），需要定期进行业务巡检/演练以确保业务实际的可用性。

如果为了规避上述问题，可采用方案3 即仅使用园区本地核心网方式，但存在的问题是此核心网异常会导致业务故障。比较稳妥的方案是在园区本地部署两套核心网进行容灾。两套核心网采用负荷分担方式同时运行，有几种备份方式。如表3 所示。

表3 本地核心网备份方式比较

上述几种方案的复杂度逐渐增加，成本也递增，选用Pool模式可满足矿区的需求。

井上井下一般通过专门的光纤通信井来走线，链路中断的情况相对较少，目前矿区一般无对应的容灾要求。如果为了保证井上井下链路中断也能正常处理业务，可以部署备份光纤链路；也可以在矿区部署两套核心网，将一套部署在井上，一套部署在井下，这样的好处除了容灾外，还可以将一些井下业务就近处理，比如煤层识别等，缺点在于成本较高，且要将这些设备做隔爆处理。

3.3 承载网

矿区承载网络需实现有线无线、宽带窄带等数据的接入，配合实现传感器数据采集、掘进机远程控制、机器人智能巡检等任务。传统矿区部署千兆以太工业环网，随着智能化的推进，千兆工业环网带宽无法支撑数据传输要求。煤矿井下的承载网络可选择固网PON[11]或传输网SPN（Slicing Packet Network，切片分组网）/STN（Smart Transport Network,智能传送网）/IPRAN2.0（IP Radio Access Network,IP 无线接入网）。通过支持10 G、50 G 甚至100 Gbps的固网/传输网，可以满足井上井下大容量的传输及后续演进需求。两种方案的比较如表4 所示。

表4 承载网络方案比较

无论是SPN/STN/IPRAN2.0 还是PON 方案都可通过工业协议转换网关接入工业协议设备。

3.4 专网运维

为了满足运营商和矿区各自的运维需求，运营商可以统一建设运维运营管理平台，在运营商提供维护服务的同时给矿区人员提供Web Portal 方式的自服务门户。对于技术实力比较强的矿区，也可以以能力开放的方式向矿区提供API 接口供矿区自己进行调用，便于矿区将专网的管理纳入自身的管理系统中。可以提供给矿区的功能包括多个方面：①矿区远控、监控相关终端/CPE的管理：终端SIM 卡开销户、停复机、黑白名单、限速，签约变更；终端激活、休眠，状态查询等。② MEC 上资源相关：资源管理（资源分配/回收），资源操作（重启，迁移），资源监控。③MEC 上应用相关：应用的部署、终止、更新等能力。④ 网络相关：网络配置信息（物理/逻辑/业务配置等）；网络相关告警/性能监控能力；网络使用情况指标（注册用户数、上下行吞吐量、时延、抖动）；账单查询。⑤ 服务等级策略配置（7×24、5×8）、安全策略配置。具体提供哪些功能取决于矿区的需求及运营商对专网把控力的考虑。

矿山专网需要支持运营商进行远程运维，可选的方式有专网与运维运营管理平台之间打通专线，优点是组网简单、安全隔离，缺点是专线成本较高；第二种方式是通过打通VPN 隧道，利用有线网络进行隔离，缺点是安全隔离性没有专线高。对于煤矿场景，优先考虑第一种方式。

3.5 专网计费

煤矿计费不同于大网计费，由于正常情况下数据流量本地卸载，按照流量/通话时长计费的模式遭受挑战，建议按基础费用和增值费用两部分来计费。基础费用建议以资源租赁为基础进行计费，专网成本为建网成本/投资回报周期与运维成本之和，在专网成本基础上考虑利润率来收费。增值费用包括服务质量费用和增值功能费用两种，对于服务质量费用建议以“×系数”方式体现（基础费用×时延系数×带宽保障系数×安全隔离系数×可用性系数）；对于增值功能费用建议以“+费用”方式体现（包括边缘云、服务保障、智能服务、应用服务、安全服务等）。

当然行业项目计费非常灵活，需要考虑项目的战略价值、品牌价值、当期收益、持续收益等，对于煤矿来说也需要按照不同项目的具体情况进行考虑。

4 结语

煤矿智能化还处于初级阶段[3,12]，5G 在矿区的应用未来随着经验的积累，逐步从对生产影响小的应用如智能巡检、视频监控等向智能采煤，智能掘进推进。另外，由于煤矿井下开采的特殊要求，5G 基站等设备下井必须满足煤矿防爆、特殊电磁环境和使用空间的要求，目前市面上5G 设备都只取到了防爆证而无5G 安标证[13]。而甲烷超限或停风后，非本质安全防爆的5G 基站、基站控制器和交换机/路由器必须停电，这就限制了5G 网络在煤矿井下的应用范围（目前不能完全替代煤矿安全监控系统）[14]。

目前井下综采面摄像头多，按照5G的上行处理能力，采用1080p的清晰度可以处理，如果清晰度上到4K 以上对流量要求高，则超出目前5G的处理能力，可以考虑视频压缩、多路视频拼接后再上传，为此需要引入视频处理设备（但带来了新的防爆问题）或者后续引入毫米波（但在煤矿井下，特别是在采掘工作面，由于信号遮挡衰耗严重，通信距离将大幅下降[8]，毫米波是否实际可行尚待探索）。

目前5G的定位精度只能达到米级，满足不了井下精确定位的需求（工作面自动找直要求采煤机位置误差小于5 cm，300 m 工作面范围内，最大直线控制误差小于20 cm，采煤机滚筒摇臂最小调节分辨率为25 mm）[15]。未来随着5G 定位能力的提升，5G 结合惯性导航、地磁导航、多传感器修正和自组网定位等技术构建面向 5G的井下异构融合一体化定位服务系统有望满足该需求。