矿山5G创新应用组网方案研究

朱海涛

中国联合网络通信有限公司徐州分公司

0 引言

煤矿作为高危行业，劳动作业环境相对恶劣，安全事故始终影响和制约着煤矿的生产建设，同时相对滞后的网络基础设施建设也制约着矿山领域的新技术运用，掣肘智能化改造效益的发挥。随着第五代移动通信技术（5G，5th generation mobile networks）以及大数据、云计算、人工智能的发展，采用最新的、更具可持续发展能力的5G技术，将给矿山基础设施建设带来更具前瞻性的发展，助推提升矿山的综合机械化、信息化和智能化程度。

1 需求简介

采用5G技术建设煤矿的高质量工业互联网，能够实现“一张网”承载井下各种业务，满足煤矿井下高危环境、移动生产环境、作业线长覆盖面广等现场环境的要求，满足智能化建设中对网络带宽、时延、接入方式等方面的要求。

井下应用通过5G网络能够准确、全面地获取安全生产数据和环境视频，并能实现井上井下高清视频、各类数据的快速传输、设备的远程控制、巡检机器人等，为矿区智能化工作面改造、智能通风、智能运输等远程智能控制，以及相关数据自动监测、实时互联，提供坚实的网络技术支撑。

2 方案思路

先进性：采用先进、成熟的、地面运营商广泛使用的5G移动通信技术，满足煤矿智能化矿井建设的需要，确保系统的先进性及生命力。

经济性：根据煤矿的井下移动通信应用需要，进行定点基站覆盖，在需要利用5G低时延、大带宽的性能进行自动化、智能化控制的区域开通5G网络；要求将井下应用数据转发到井下数据中心，考虑到井下设备的隔爆要求，井下采用流量转发板卡（Node Engine，NE）进行流量转发，在靠近移动用户的位置提供信息技术服务环境和边缘计算能力，实现数据报文的本地分发和推送，为本地低时延、数据不出园区的业务提供服务，建设成本更经济。

合规性：方案选用的产品已经通过了煤安、防爆认证，符合《煤矿安全规程》的规定。

兼容性：新建矿用5G专网通信系统采用开放的接口，为井下控制类信号、视频采集类信号、无线传感器等提供接口。

方案对井上、井下进行5G覆盖，建设一套高安全、高可靠、高带宽的矿用5G网络，所有的应用都承建在5G网络上，井下通过NE单板、井上通过联通边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）实现本地数据处理和转发，传送到煤矿的内网信息平台上。

3 组网方案

3.1 5G网络整体架构

矿用5G移动通信网络系统，整体构成分为井上部分和井下部分，5G移动通信网络由地面的覆盖宏基站、万兆环网交换机、MEC设备、井下矿用隔爆型基站控制器A（基带处理单元，BBU设备）、NE单板、矿用隔爆型基站控制器B（射频远端汇聚单元，RHUB设备）、矿用隔爆兼本安型无线基站（微功率射频拉远单元，PRRU设备）、矿用万兆环网交换机、矿用本安型手机等系统设备构成。

井上共享已部署宏基站，共享运营商核心网和MEC设备，核心网提供井下、井上普通用户2C、2B的用户注册鉴权等功能，MEC为井上业务提供流量转发功能。井下部署隔爆型微基站，在基站控制器上提供NE单板，实现井下流量转发功能。

井下基站采用3级结构更符合井下复杂的巷道覆盖特点。国内现有研究结果及实践表明，无线信号的频率越高，信号的衰减越大，通信距离越短。但由于巷道通信的特点，影响并不大。经井下现场测试，从400Mhz-4000Mhz的无线电频率，信号传输距离基本都为300米左右，这是隧道通信的一个显著特点。所以采用低功率微站是目前井下覆盖最为科学的选择。

隔爆型基站控制器（BBU，RHUB设备）的主要作用是完成信号的基带处理，提供传输管理及接口，管理无线资源；通过地面核心万兆环网交换机接入运营商5G核心网。

隔爆兼本安型无线基站主要功能和作用是提供井下5G无线信号覆盖。

本方案的设计，真正实现井上井下无缝对接，将5G煤矿专网与运营商的公网实现信令的完整对接，进而实现专网与公网的无缝连接。通过双注册、双连接方式，既满足井下内部移动通信的需要，也满足井下与地面工业广场移动通信的需要，同时也满足煤矿专网与外网移动通信的需要。系统的拓扑结构示意图如图1所示。

图1 业务组网图

地面实现公网+专网双覆盖，专网通过运营商机房MEC转发业务到矿内网，公网用户直接送联通核心网。井下实现+专网双覆盖，矿用数据通过井下设备分流板卡NE直接分流到井下数据中心。

图1中，绿色为公网业务路由（2C用户），红色为矿区数据业务路由（2B用户）。

井下井上通过万兆环网交换机对接，确保数据不出园区，井下提供基站级交换、计算、存储等能力。

3.2 5G专网与企业的关系

5G煤矿专网与运营商的公网实现信令的完整对接、专网与公网的无缝连接，既满足井下内部移动通信的需要，也满足井下与地面工业广场移动通信的需要，同时也满足煤矿专网与外网移动通信的需要。专网与企业内网对接，基站与企业之间建立分流业务的GRE隧道。在边缘节点内提供运营商级的网络安全，通过板卡、设备、链路的多冗余保护机制，网络侧通过平面隔离、设置安全区域、防病毒网关等手段，确保节点业务运行。

3.3 信号覆盖设计

3.3.1 地面5G信号覆盖

地面共享运营商公网宏基站实现地面5G信号的覆盖，减少矿方对地面基站建设的投资，降低建设成本和后期维护成本。

3.3.2 井下基站布置

本方案设计井下所有基站的信号覆盖半径按300米布放，条件较差巷道按照半径200米布放，能够满足井下5G信号强度的需要。井下5G采用室内分布系统部署，微功率射频拉远单元、射频远端汇聚单元、基带处理单元，如图2所示。

图2 井下室分覆盖

所有设备按照矿用安全生产标准采取隔爆隔离，

井下设备：矿用隔爆基站控制器，矿用基站按照信号覆盖需求进行壁挂式布放及安装。矿方统一规划127 V供电电路，基站就近接入矿方统一供电电路。隔爆箱体也可内置射频远端汇聚单元、万兆环网交换机等。

井下设备：矿用隔爆兼本安型无线基站，矿用基站按照信号覆盖需求进行壁挂式布放及安装。矿方统一规划127 V供电电路，基站就近接入矿方统一供电电路。

3.3.3 井下分站设计布点原则

巷道场景一般可以分为短巷道场景、长巷道场景、复杂巷道场景。巷道场景与其它场景有很多区别，附近基站的信号很难进入，经常出现弯道与坡度，无线信号衰减大。所以处理巷道场景要采取灵活方式：（1）在信号的覆盖强度方面，当长度超过覆盖距离时，采取多基站覆盖方式。（2）天线布放位置决定巷道内覆盖水平，为了保证良好的覆盖，天线布放位置应满足巷道内天线覆盖边缘场强大于-115dBm。在直道情况下，天线口功率W＞25dBm时，若保证边缘场强大于-115dBm，根据计算可覆盖巷道300m，此时即可布放双极化板状天线；在弯道情况下，必须考虑弯道对边缘场强的衰减，建议此时把天线放置在弯道的切点处。（3）对于复杂巷道场景，可采取防爆基站加泄漏电缆的方式进行巷道信号覆盖。直巷道主要采用定向天线覆盖，根据巷道宽度密度在半径300米以上；巷道交错区域，在交叉路口设立一个分站、并采用多个天线进行分别覆盖。

3.4 井下业务NE单板分流

为满足煤矿数据安全的要求，井下煤矿的数据及系统流量均不出井，在井下转发到井下数据中心，所有新建设备需符合技术规范要求，因此对井下的分流设备要求必须采用隔爆设备，参照3GPP标准技术规范引入在基站侧的分流单板，NE单板是嵌入到基站控制器基带处理单元BBU中的分流板卡，可以完成在基站侧的分流，一次部署到位，避免后续网络调整。在靠近移动用户的位置上，提供信息技术服务环境和边缘计算能力，实现数据报文的本地分发和推送，为本地低时延、数据不出井的业务提供服务。

NE单板分流可根据数据流的IP源/目的地址以及DNS域名等多元组合进行分流，识别“定向”业务。

对于2B业务，井下网络基站直接转发到井下数据机房，流量转发更贴近用户，时延更低，通过NE单板便于运营商将访问本地矿山的数据流卸载到井下本地网络里，缩短终端访问服务器的时延，有效提升用户体验，且满足井下隔爆的要求。

另外，对于矿山井下工业典型应用场景中有大量依托于5G视频回传的无人作业场景，远程控制场景不仅可以把一线员工从恶劣的生产环境中解脱出来，还可以提升生产效率。为了实现精准的远程控制，要尽可能地缩短远端视频的回传时延。因此，在基站侧分流的方案，低时延效果比较明显，有效缩短了业务在回传路径的转发时延。

3.5 井上业务MEC边缘云分流

考虑到井上的实际应用对时延和带宽的要求不是很高，同时也为了投资更经济，就近共享运营商部署MEC设备，实现井上业务需求的流量转发。

控制面接入运营商的核心网，使用核心网管理面进行MEC的拉远部署及后期运维管理。本地UPF使用标准轻量化服务器免磁阵部署方式进行部署，安全方面部署一对防火墙，负责与煤矿本地网络的隔离。

3.6 应用场景简介

3.6.1 井下5G+移动巡检机器人

图3 井下NE流量转发

图4 井上业务MEC分流

矿用移动巡检装置机器人主要由移动巡检平台、无线通讯系统、无线充电装置、各种信号采集设备和轨道系统组成，适用于矿山变电所、水泵房、大型输送带巷道移动巡检。机器人搭载高清摄像头所拍摄的视频可以通过5G网络实时回传到地面，实现机器人在轨道自动或手动控制运行，对整个轨迹内的音频、图像、气体、温度等参数进行实时采集、回传、存储及分析。

3.6.2 5G视频AI多维分析

通过部署5G、AI摄像机等基础硬件，采用人工智能算法的智能视频分析软件平台对各种安全事件主动预警，通过实时分析，将报警信息反馈至监控平台及客户端，实现智慧煤矿对事故的事前预警，降低甚至避免事故的发生。

3.6.3 5G远程控制，设备健康管理

借助5G低时延的独特优势，结合远程控制技术，实现基于无线技术的远程控制能力。监测核心设备运行状态，分析故障风险，开展预测性维护，降低备件储备成本，减少意外停机，保障持续生产、提高效益。运用多媒体调度系统，直连后台专家和煤矿各工作场景，远程协助巡检、排障，有效降低故障恢复时间，带动效益提升。

4 结束语

本方案基于煤矿的需求提供了井上、井下两种不同的5G分流解决方案，有助于更经济、安全地建设5G网络，实现矿山的数字化、网络化、智能化融合，助力企业可持续发展。

通过井下机器人巡检、环境监测、视频分析、综采和掘进设备的控制等技术，实现生产、经营决策、安全环保管理和设备控制的信息化，建立数字化资源储量模型，构建从工作面、采区和矿厂等的实时监管数据链，实现各生产环节的精确管理、集中监测和远程控制，极大地提高了资源利用率，以及生产效率和安全环保水平。通过5G的智能矿山建设改变煤炭生产方式，将极大改善职业健康安全环境，打造安全可靠、先进适用、节约高效的智能矿山，具有广泛的推广价值和良好的社会效益。