煤矿5G融合通信管理平台研究

2023-02-06王可冰张立亚姜玉峰康守信

中国矿业 2023年1期

王可冰，张立亚，姜玉峰，康守信

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

0 引言

随着煤矿开采规模的扩大以及安全生产要求的提高，井下的环境监测、视频监控、远程控制、避险救灾等各类系统在不断增加，对井下通信系统提出了更高的要求[1-5]。目前，煤矿井下普遍部署了4G、WiFi、人车定位、数字广播等多个通信系统，各个系统独立工作，数据闭环管理，缺乏系统之间的功能联动。5G是新一代移动通信技术，具备大带宽、低时延、广连接的特性，能够在煤矿智能化建设中发挥重要作用，促进煤炭工业的高质量发展[6-7]。

本文结合我国的煤矿智能化建设需求，构建煤矿5G融合通信管理平台，将5G通信与4G通信、程控调度、数字广播、视频监控、人车定位等系统相融合，建立集生产、安全、信息、设备等于一体的综合管控机制，实现煤矿日常生产的标准化、精细化管理。

1 总体设计

煤矿5G融合通信管理平台整体设计如图1所示。由图1可知，煤矿5G融合通信管理平台自上而下分为地面控制部分、中间传输部分和井下终端部分。地面控制部分通过在煤矿企业的中心机房部署融合通信管理平台服务器、4G/5G系统核心网、程控调度语音网关、视频监控管理服务器、数字广播服务器、人车定位系统服务器及GIS地图服务器等核心设备，利用SIP软件换协议、高速路由/交换技术和开放的业务应用程序接口等关键技术，打破系统之间的壁垒，形成统一的融合通信平台，可提供长期演进语音承载VoLTE(Voice over Long-Term Evolution)/VoNR(Voice over New Radio)高清音视频通话及群拨，组播，强插、强拆、监听、代接、转接、录音、禁止通话等多种调度功能、系统控制功能、软件管理功能和关键数据的收集、存储、整理、统计等功能。中间传输部分利用光纤环网和综合分站等传输设备，对接入网的数据进行传送与交换，包括语音视频数据的切片传输、本地和边缘数据的集群业务等。井下终端部分包括井下本安型手机、智能矿灯、无线摄影仪、人员定位卡、语音车辆定位卡、广播音箱、有线话机等设备，是平台的前端应用设备，能够接收控制信息，上传设备数据，保障工作人员的生产工作。

图1 煤矿5G融合通信平台整体框架

2 主要功能

2.1 统一的调度管理

平台提供标准的数据通讯接口，能够实现基于软件和硬件的井上和井下双融合。地面通过一台触摸屏调度台实现有线、无线、广播、监控、定位的立体化综合调度，井下使用本安型综合分站实现千兆传输、4G/5G通信、WiFi数传的一体化管控。融合通信管理平台调度服务器、4G/5G核心网、语音数字网关和广播服务器之间通过有线连接到核心交换机，实现物理上互联互通，采用SIP协议作为控制协议，手机、有线电话和广播音箱等设备以相同的SIP用户的方式注册到调度服务器，调度服务器会周期性向终端发送OPTION消息，终端收到消息后回复OK信息，表示心跳响应，调度台上显示用户在线，若服务器连续下发3次OPTION消息而没有收到终端回复的OK信息，判定终端离线。调度系统使用订阅等方式获得呼叫、强插、强拆、监听标识，实现语音通话、视频通话、强插、强拆、监听等业务操作，实现调度系统对4G/5G通信系统、数字广播的统一管理及系统间的融合互通。调度系统与GIS地图对接采用页面嵌入式方式，系统之间通过接口调用完成交互式调用，页面嵌入时，调度系统页面采用iframe方式集成和加载GIS页面，GIS页面作为子层加载后，调用后台接口获取人员列表、设备列表、报警等信息，调度系统页面可以直接调用子系统提供的接口，网页使用message方式监听GIS地图发送过来的消息，进而实现GIS地图上放大、缩小、平移、对目标区域内人员定位、音视频通话、下发广播、调取视频流等各种互操作功能。平台使用hls.js开源库来实现视频监控功能，开源的hls.js是一个基于HTML5和MSE技术的JavaScript库，实现无插件的方式将MPEG-2格式的TS流文件转换成MP4视频流，使得TS流文件可以在HTML5中的

利用融合通信平台进行统一的调度管理，不但可以解决井下各类设备的横向集中，系统相互独立而造成的问题，还可以满足统一指挥、快速反应、协同运作、动态管理和科学决策的需要，智能化联动各子系统，对井下“人、机、物、环”监测信息的全面感知、分析和调度，做到事前预防，事中控制，事后分析。

2.2 多系统应急联动技术

当监测监控系统检测到井下工作场所的异常数据时，通过4G/5G和光纤环网将异常数据上报到地面控制机房，触发调度台上的声光报警系统，调度人员可以通过精准定位系统快速定位当前处于危险区域的工作人员，通过定位卡下发报警信息，应急广播系统播放特定的音频或喊话，视频监控系统调取危险区域的实时视频，调度台可通过强拆、强插、监听等操作管理危险区域内任何通话，通过语音或短信等方式下发危险通知，信息引导发布系统播放指定报警信息及逃生线路指南，引导工作人员快速撤离，应急联动框图如图2所示。

图2 应急联动框图

2.3 支持5G SA

数字化矿山的5G网络建设，应当能够满足独立组网、独立运行的需求，保障通讯和数据传输的安全可靠[8-10]，如图3所示。平台支持5G SA(Standalone)，既能够独立运行，也能够与其他专网和公网进行对接，并支持NFV(Network Functions Virtualization)架构，以云基础设施为核心，可运行于标准化硬件设施和增强及定制化硬件设备(包括通用服务器、存储、网络设备、定制化一体机、智能网卡、加速硬件等)之上，对外提供虚机，裸机和容器的基础虚拟化单一或混合资源服务。平台中可部署最多2 000台5G基站，每个井下基站可以支持的同时通话的无线终端数不小于32部，5G基站信号覆盖距离井下不小于400 m，地面不小于800 m，无线设备接收灵敏度≤-94 dB，基站BBU与射频单元之间的传输距离不小于10 km，无线传输速度上行峰值可达600 Mbps，下行峰值可达500 Mbps，通过5G切片技术提供矿区场景的专用网络切片，保障“5G+智能监控”“5G+无人矿车”“5G+无人机”和“5G+智能传感”等不同业务场景的低时延、大带宽、高可靠性的网络需求，满足矿区通信网络云化部署的先进性和未来演进要求。

图3 5G专网网络架构

2.4 多种方式出局

根据煤矿建设的需求，平台还应满足与运营商公网的语音对接的需求。平台支持全种类中继信令，如SS7、NO.1、PRI、SIP、H.248、H.323、MGCP信令协议，支持数字中继网关、环路中继网关两种方式出局，通过局向对接可以实现与各类专网或运营商公网语音互通，实现井上井下“一网一号”，有效降低调度管理的难度、提高调度管理效率[11]。

通过运营商部署在煤矿企业的互通网关和SIP中继，可以实现5G专网与公网的语音互通，如图4所示。当公网用户呼叫公网用户时，执行公网标准呼叫流程；当公网用户作为主叫，呼叫专网覆盖井下的用户时，公网主叫用户在寻呼不到被叫用户或者查询到被叫用户为不可达时，根据被叫号码预先登记不可及呼转进行转接，将被叫通过运营商IMS将呼叫转至煤矿专网网络，煤矿专网收到呼叫号码，根据预先约定的号码转换规则将呼叫转接至指定用户；当专网用户作为主叫，呼叫公网用户时，专网网络在本地查询不到被叫用户或者被叫用户不可达，即将呼叫提供SIP中继送运营商IMS网络，由运营商完成后续转接呼叫；当专网用户呼叫专网用户时，由专网网络内部进行处理。煤矿专网与运营商网络通过内部专线互通，不经过互联网对接，双方网络相对独立，对接网元少、链路少、故障点少，具有较好的网络安全保障，能够将专网对运营商公网影响降到最小。

图4 融合通信平台与运营商公网对接

2.5 VoNR高清音视频通话

音视频通话功能在煤矿企业的日常通信管理调度中扮演了重要的角色。相比目前常用的VoLTE技术，VoNR技术拥有超低通话接通时延，可以做到秒拨秒通，能够有效减少等待交换机反馈回铃音时间[12]。VoNR技术还全面支持EVS(enhance voice services)编解码，音质更高，能有效降低通话过中的杂音，在视频通过过程中，VoNR分辨率可以达到720 P，远远高于VoLTE的480 P，可以为用户提供更清晰的画面。用户语音、数据同时常驻5G网络，5G网络下使用音视频通话时不再需要回落4G网络，整体稳定性体验比4G网络更强。5G核心网通过IMS与语音调度系统等相结合，实现5G通讯本地化，具体流程如下所述。

1) 用户终端向CSCF(call session control function)发起注册，CSCF查询HSS(home subscriber server)获取用户AS(application server)，CSCF先向SSS发起注册，再向调度服务器发起注册。备注：商用局点CSCF/HSS负责对移动终端提供IMS AKA(authentication and key agreement)鉴权，对固定终端提供SIP Digest鉴权。

2) 调度服务器做被叫流程，终端将invite消息送到CSCF后，CSCF先将呼叫触发到SSS，完成SSS的业务触发后，再将呼叫送到调度服务器，与调度服务器建立呼叫，如图5所示。

图5 调度服务器做被叫流程

3) 调度服务器做主叫流程调度服务器发送invite到CSCF，CSCF查询HSS后，返回SSS信息，将invite送到SSS，触发完SSS相关业务后，CSCF将呼叫送到被叫UE，如图6所示。

图6 调度服务器做主叫流程

2.6 基于三维GIS的动态管控

根据煤矿井下的CAD坐标，生成三维GIS展示地图，将GIS地图与广播系统、监控系统、定位系统相融合，把煤矿井下位置信息和相关属性有机结合起来，进行各种管理决策。定位系统采用基于TOF(Time of Flight)算法的高精度定位技术，定位精度高达30 cm，最大巡检周期应不大于5 s，被测目标最大位移速度不小于7 m/s，漏读率不大于10-4，系统传输误码率≤10-8，最多可接入512台矿用本安型读卡分站，识别65 530个识别卡，并发识别数量最多支持100张。在GIS地图上标注广播音箱、摄像头、综合分站、打卡机的具体位置，实时查看设备运行状态。监控人员可以在GIS地图界面进行放大、缩小、平移等操作，调取对应区域的视频流，查看人员、车辆、设备的分布和走动情况并且对其行驶轨迹进行存储。根据矿用本安型手机、人车定位卡、摄像头、广播音箱和信息矿灯上传的图片、录像、报警信息，在GIS地图上实现可视化调度。当携带定位卡的人员/车辆/物品进入井下网络覆盖范围内，无论任何时刻任意一点，综合分站都可以接收到定位卡周期性自发的信号，并经过井下环网把定位数据上传到信息工作站，经过软件分析处理后，得出各定位卡具体信息(如是谁、在哪个位置、具体时间)，同时可把数据实时动态显示在监控中心的大屏幕或电脑上，并储存备份，调取对应区域的视频流，通过有线、无线、广播等多种方式与井下人员进行通信与调度，便于井上管理人员随时了解井下的状况。

3 平台应用效果

在我国西北地区的井工矿井下开展了煤矿5G融合通信管理平台的现场应用，具体情况如下所述。

1) 建设中央变电所、水泵房、智能工作面等井下关键场所5G覆盖网络，实现5G高清音视频通话，还可以实现机器人智能巡检、4K/8K高清视频采集(图7)、智能单兵及监控设备采集数据实时回传等数据传输功能，将5G通信系统与煤矿井下各子系统进行融合，进一步加快煤矿智能化、少人化建设，对煤矿井下进行实时高效全面监控。

图7 高清视频监控

2) 将井下摄像机与融合通信基站、矿用本安型电话、广播音箱和信息矿灯等设备绑定，一旦井下工作人员向调度中心发起通话时，调度中心的调度员通过定位卡信息定位工作人员的位置，通过摄像头、信息矿灯上传视频可以查看到井下通话人员周围的环境情况，当电话挂断后，图像信息立即消失。当调度中心调度人员需要了解井下的实时动态信息，通过多媒体调度台向井下融合通信基站或矿用本安型电话发起通话时，平台会自动调取视频图像供调度人员查看，电话挂断后视频图像自动消失。矿井发生突发险情时，平台可以智能联通各子系统，在GIS地图上快速定位到险情发生的位置，利用高清摄像头查看井下实时险情情况，人车定位卡上报人员、车辆的具体位置信息，本安型手机下发险情撤离信息，广播音箱广播避险方案，如图8所示，引导工作人员高效精准避险。

图8 关键区域进行数字广播

3) 在GIS地图上关键位置设置电子围栏，利用摄像头、人车定位卡、智能矿灯等多种方式对目标区域进行监控，当有工作人员进入目标区域、工作人员在目标区域内长时间滞留或者进入目标区域的人员数量超过阈值，调度台上会立刻进行声光报警并播放现场实时视频信息，根据设置的预案，发送短信息或者语音呼叫区域负责人和违规人员，如图9所示，对目标区域进行告警广播，提醒工作人员注意事项，避免事故的发生。