智能化矿井网络架构平台设计实施研究

吴宁波

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054）

0.引言

国家层面近年一直在5G、智能化和智慧化方面高速方面，煤矿作为国家基础能源，其经历了低效开采的漫长过程，行业安全问题频发，工业智能化进入煤矿生产领域已经是行业势不可挡的方向。建设智能化矿井增效减员，已经作为国家战略，引领着行业向前推进。当前煤矿智能化系统主要围绕着生产安全、降本增效、至简体验的理念，构建煤矿智慧化场景。智能化矿井的建设从基础设备层、网络层和管理层都得到了高效的发展，随着许多项目的落地实施，同步暴露出了许多现实问题。本文主要从智能化矿井网络架构平台的设计组建和实施中的突出问题出发，概述了网络架构的搭建方案，平台的实施环境，网络架构平台调试的重难点和实施流程等内容。

1.智能化矿井网络架构设计方案

智能化矿井信息层分为设备感知层、信息基础设施、综合管控层和经营决策层，矿井网络在其中贯通各层数据，为煤矿智能化综合管控平台和大数据平台数据安全运行保驾护航。矿井网络系统目前在应用层面主要分为生产通信网、安全监测监控网、视频网和管理网。其中生产通信网、安全监测监控网和视频网属于生产层面的网络，管理网是矿井综合办公管理层面的网络。整个智能化矿井的网络架构包含上述4个网络，将上述网络联系在一起，共同组成了智能化矿井网络架构平台[1]。在这个网络架构平台搭建方案设计时，会根据自身需求和功能不同其方案选择会有所不同。网络架构平台方案的设计和比选是智能化矿井网络平台搭建的第一步，也是智能化矿井的基石，所以必须确保网络架构平台的经济实效、先进可靠。

1.1 网络架构平台方案

根据近年网络架构的实践应用，目前主流的网络架构有星形、环形、双星形、双环形等多种网络结构，项目实际情况不同可以自由组成多种冗余网络，也可以选择单一网络结构。对上述几种网络结构形式的优缺点比较见表1。

表1 网络结构对比表

根据以上4种网络结构对比，可以看出每一种方案都有其优缺点，在设计时可以根据项目实际情况进行单一选择或组合选择网络形式。

1.2 方案比选

从上述4种网络结构的对比可以了解到，在智能化矿井网络架构方案比选时，可以从网络安全角度、冗余时间角度和成本角度考虑，不管选择何种方案都要统筹考虑。根据现行智能化矿井的网络架构平台搭建实施来统计，目前国内主要矿井主干网络采用环形网络架构比较多，支线采用星型结构，这种架构约占智能化矿井项目的90%，剩余矿井采用多种网络形式组合的网络架构，对某些特殊的行业会选择应用较少的双环型网络架构平台。环形网络平台以其冗余性和成本低成为当前主要的设计选择方案。在项目实施时，多数项目设计在生产通信网、安全监测监控网和视频网中优先采用环形网络。在管理网设计比选时，因为管理网络架构布局广，涉及的点多，星形网络以其布线简单，管理万便，直接通过背板交换，交换速度快的优点得到项目的青昧。图1是某智能化矿井的生产网络架构拓扑图。

图1 智能化矿井生产网到管理网拓扑图

从上面拓扑图中可以看出，其中很多网络设备都涉及环形结构，在配置环形拓扑结构时要注意设备选择。在项目实施过程中，多数网络架构平台设备都由几家设备组成，国内很多厂家设备在配置环形结构时都不支持不同厂家设备组环协议，致使在项目实际实施中很多项目都在网络结构上发生了很大的变化，将本身设计的环形结构变成了星型结构对网络安全运行产生严重威胁。

要解决上述问题，需要在设备招标过程中明确设备功能，并描述清楚设备在网络架构中的位置，必要时可以附网络设备架构拓扑图，以确保投标单位理解设备的使用位置和功能，用满足设计条件的设备进行投标，以保证整个网络平台搭建完整。

2.网络架构平台项目实施环境

2.1 项目需求

在项目可研和初设阶段，关于网络架构平台选择，是通信设计人员的主要考虑方面，网络架构需要整体考虑现阶段的应用需求，还要考虑未来的扩容需求。项目在前期时，项目需求作为基础调研资料，需要现场设计调研人员认真调研，综合分析客户和项目实际情况，最终制订符合项目实际需求的网络架构平台，为下一步设备选型做好基础工作。通过调研统计目前国内90%智能化矿井的网络平台主要选择环形网络，调研中了解到项目在网络选择上会考虑安全、稳定、维护简单方便和投资少等方面，环形网络在数据通信、网络安全和投资费用角度都得到普遍的认可。

2.2 项目环境

每个项目面对的环境不同，在网络设备选择上环境因素也是一项主要需要考虑点。设计人员应充分分析网络设备运行环境，有针对性地选择适应项目所在地自然和生产环境的设备，根据运行环境的温度、湿度和粉尘等条件，合理比选网络架构方案和设备型号，特别是矿井一些湿度、腐蚀性和粉尘严重的地方，在设备层面不能克服时，可以考虑机柜正压通风或者人为搭建一些密闭控制室等措施。不管项目环境如何设计人员在整体考虑方案时，网络安全稳定是一种行业公认的基础条件，需要优先考虑并应用。

2.3 项目资金

项目资金其实在一定程度上直接影响项目设计方案的选择结果，资金充裕的项目在搭建网络架构平台时，对方案选择人员将是一种精神上的支持，这种项目可以充分发挥设计人员的创造力，可以激发设计人员的设计潜能，对我国的智能化矿井的建设起到积极加速推动的作用。在国内部分大型矿井在智能化网络平台的建设上，给予了很多的资金倾向，设计的网络架构平台组合了多种网络形式，充分吸取了各种网络形式的优缺点，打造了先进的智能化乃至智慧化矿井神经网络，为后续矿井建设奠定了坚实的网络架构平台，确保了智能化矿井安全、生产相关数据采集、传输和存储的通信安全和各系统的互联、互通和互操作的稳定。

3.网络架构平台调试难点

3.1 施工水平

在项目现场实施时，施工作业水平将对项目的维护调试产生严重影响，一个优秀的施工成果，在一定程度上给人一种工业产品艺术美的享受，所以在网络架构平台的施工时，优先选择有丰富经验的项目作业团队。其标准化的作业水平，对整个机房的设备安装布局、线缆敷设固定和线缆标签的制作，都有严格的标准，最终保证了项目达到高标准化的数据中心机房建设结果。

3.2 调试专业

随着社会专业分工的细化，网络架构平台调试过程中会涉及多个专业的工程师，网络架构平台在搭建时将需要网络工程师、通信工程师、控制工程师，项目规划工程师。上述工程师从多方面、多维度对平台进行调试，最终使平台满足项目现场安全通信需求，在这过程中，网络工程师主要负责平台硬件线路的搭建实施；通信工程师主要负责基础数据之间和基础数据在网络平台之间的数据共享通信；控制工程师主要负责基础数据的挖掘、开发和发送；项目规划工程师主要负责整个网络平台的整体规划，通信协议标准开放。在项目实施时，项目管理团队需要统筹考虑，通过合理的规划项目工期计划整体协调各专业工程师进场时间，有效地保证网络平台的调试工作的顺利实施，为后续的大数据平台和综合管控系统提供了基础网络和生产数据[2]。在调试过程中，需要注意现场施工中出现的一些不在设计中的环形网络链路，避免非设计环形链路引起的数据通信风暴。同时还需注意网络IP地址的规划，在整个网络中合理规划和使用IP地址，避免因为IP地址冲突引起的网络数据通信故障。

3.3 整体控制

在网络架构平台的建设实施时设计和调试人员应站在全局的高度，统筹规划、整体控制。智能化矿井建设将在确保安全可靠的前提下，选用先进网络平台，在调试过程中充发挥网络通信的先进性。同时，充分考虑用户需求，选型要经济适用，并具有较好的兼容能力和扩充、升级能力。通过整体控制从可研、设计、采购到施工全面把控网络架构，考虑现场，统筹未来，建成具有时代特点的优质网络。

4.智能化矿井网络架构平台现场实施流程

4.1 详细设计

在智能化矿井网络架构平台现场实施中，首先面对的问题就是详细设计，在可研和初设阶段已经将网络平台的方案基本确定，在项目详细设计阶段设计人员根据初设的方案进行详细设计，从设备选型、设备规格和设备功能等方面开始着手，综合考虑现场生产环境中的温度、湿度和粉尘等因素，选择适合现场环境的设备。在详细设计阶段要对现场施工各种材料要明确施工规格和数量，因现在项目都是要求高标准高质量，施工材料对项目实施的高标准高质量起到画龙点睛的作用。许多设计人员对这方面都没有考虑周全，致使项目在施工过程中因为材料的问题，而导致项目没有达到优质项目的目标。所以详细设计要达到设计应用的目的，保证具有落地可行的指导项目采购和施工作用。

4.2 设备采购到货和安装调试

在智能化矿井网络架构平台详细设计完成后，工程项目采购人员根据设计图纸组织设备招标采购，在此过程中设计人员紧密配合，确保采购的设备满足设计要求。设备采购完成后，采购人员紧密跟进设备生产备货情况，并与施工现场配合，共同确认设备到货时间。

设备到货后，项目部现场组织施工人员将货物存放到物资库中，确保电子产品免受不必要的存储危险。根据设计图纸和施工方案开始组织人力和物力。现场项目管理团队在确保工程安全的前提下，保质保量有序推进项目建设，以高标准严要求控制项目质量和标准化，将整个网络平台建成优质项目。

4.3 项目验收使用和交工

项目在安装调试完成后，承包单位组织项目部技术人员，对项目进行自检，在自检合格的基础上，向建设单位提交竣工验收，建设单位组织相关专家对施工成果进行性能验收，重点检验网络平台施工调试是否满足设计要求，各项性能是否满足使用功能。对在验收过程中存在的问题，承包单位及时组织进行整改，整改完成后，再次组织复检，在复检合格后，承包单位对项目进行整体交工移交，将设备的移交给建设单位。最后进行项目竣工结算，并在质保期内做好项目回访工作。

5.结语

智能化矿井网络架构平台，作为智能化的基础神经，其设计方案选择和项目成功实施将对后续工作起到承上启下的作用。许多矿井在网络架构平台老旧，严重影响力智能化矿井建设应用，在智能化矿井网络架构平台的设计阶段，应因地制宜，选择符合矿井需求的网络平台。国家层面正在开展跨领域、跨学科、跨专业系统合作，针对智能化煤矿关键技术进行联合攻关，并开展工程实践。相信在智能化矿井网络架构平台方向上将来一定有重大突破，一个稳定、高效的网络平台将会随工业发现而应运而生。