矿山通信的网络信息安全问题及无线网络构建研究

杨燕妮 孟乐

摘要：在矿山生产过程中，各种监控、控制系统需要通过网络进行数据传输，因此保障网络信息安全，对于维持矿石开采正常运作有巨大意义。当矿山通信出现网络不安全问题时，容易影响生产安全，造成严重的人身伤亡和财产损失。鉴于此，将针对矿山通信中易见的网络信息安全问题展开研究和剖析，结合这些问题提出具有更高安全性的矿山通信无线网络构建策略，以此规避风险事故的发生。

关键词：矿山通信；网络信息安全；无线网络

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.004

中图分类号：TN 915.08，TN 92          文献标志码：A            文章编码：1672-7274（2024）04-00-05

Network Information Security Issues and Wireless Network Construction Research in Mine Communication

YANG Yanni， MENG Le

（China Mobile Communications Group Inner Mongolia Co.， Ltd. Ordos branch  Ordos 017000， China）

Abstract： In the process of mine production， various monitoring and control systems need to transmit data through the network， hence ensuring network information security is of great significance for maintaining the normal operation of ore extraction. When network insecurity issues arise in mine communication， it can easily affect production safety， causing severe personal injuries， casualties， and property losses. In view of this， this paper will conduct research and analysis on the prevalent network information security issues in mine communication. Combining these issues， it proposes a strategy for constructing a more secure wireless network for mine communication to avoid the occurrence of risk incidents.

Keywords： mine communication; network information security; wireless network

礦山通信主要负责矿山开采中地下和地面环境的语音通信、数据视频传输等。由于矿山环境的特殊性，存在空间狭窄、爆炸危险、电磁干扰等诸多限制因素，因此矿山通信出现网络信息安全问题的概率也更高。针对矿山通信中的信息安全问题易发生情况，需要针对性进行无线网络的构建，以避免安全问题的影响扩大化，对矿山生产造成阻碍。

1   矿山通信中常见网络信息安全问题

1.1 中断问题造成的通信稳定性差

在矿山环境中，通信网络的中断是常见问题之一，该问题的发生意味着矿山内的工作人员无法实时进行信息交流和紧急呼叫，将严重妨碍矿山应对突发紧急情况的能力，进而导致事态的扩大和后果的加剧[1]。比如当发生事故、矿井坍塌或火灾等紧急情况时，及时的沟通和通报对于救援人员的迅速响应至关重要，但通信网络中断将使作业地区的紧急情况无法迅速传达，延误了救援工作的启动，增加了救援人员的到达时间，延缓了救援的及时性，增大了工作人员遇险的安全风险。通信网络中断还会造成矿山工作人员的孤立和无法获得指导。在矿山作业中，工作人员通常需要与指挥中心或其他部门进行通信，以获取工作指示、更新工作进展或报告异常情况。如果通信网络中断，工作人员将失去与外界联系的能力，无法获得迅速的指导和支持，让工作人员在危险环境中的工作变得异常困难，增大事故发生概率和伤亡损失。

1.2 恶劣环境下的设备耐用性和可靠性

矿山的作业环境恶劣，通信设备的耐用性和可靠性面临极大的挑战，如高温、高湿、多尘等极端条件对通信设备的电子元件和机械结构都会造成侵害，长时间在这种环境下运行，容易导致设备过热、电路短路、机械结构磨损等问题，影响设备的正常运行和使用寿命。另外，矿山中的大型机械、高压电缆等设备会产生强烈的电磁干扰，这对通信设备的抗干扰能力提出了更高的要求，当设备的抗干扰能力不足时，就会导致信号传输质量下降、数据丢失甚至通信中断等问题[2]。

1.3 物理安全问题引发的安全隐患

在矿业生产实践中，地壳构造活动引发多种物理性安全隐患，诸如地震以及岩层塌陷等地质灾害。这些自然现象对通信基础设施构成了显著的威胁，具体表现为通信线路的断裂、信号传输中断以及基站结构的破坏。特别是岩层塌陷，它不仅能够直接摧毁通信设施，还会造成设备被掩埋，进而导致通信网络的中断和矿山生产的停滞。因此在网络通信建设中，对于矿山通信系统的可靠性和抗灾能力提出了更高的要求，矿山通信必须能对矿山地区的物理现象有良好的适配性，才能确保在地质构造活动影响下的通信连续性和生产安全。

2   网络信息安全问题的发生原因

2.1 通信环境的制约

矿山通常位于偏远或地形复杂的地区，这些地区的信号覆盖不足，导致通信网络不稳定或中断，比如因为矿山的岩层、矿井深度等因素对通信信号产生屏蔽或衰减作用，导致信号弱或中断，矿山的岩层中含有各种矿物质，这些矿物质对通信信号具有一定的屏蔽作用。当通信信号穿过岩层时，信号会被部分吸收和反射，导致信号强度减弱。特别是在矿井深处，信号屏蔽作用更加明显，通信信号在传播过程中会随着距离的增加而逐渐衰减。在矿井环境中，信号需要在复杂的岩层中传播，信号衰减速度会更快。矿井深度越大，信号传播的距离就越长，衰减程度也越严重[3]。这会导致信号在到达目的地时变得非常微弱，且会遇到多个障碍物，如岩层、矿井支架等。这些障碍物会使信号发生反射、折射和散射，产生多条传播路径。当这些路径的信号到达接收端时，会出现相位差异，导致信号相互干涉，影响通信质量，这种现象称为多径效应。此外，还有通信设备出现故障或损坏问题，如天线、馈线、通信基站等，导致通信信号无法正常传输。同时，通信设备的运行需要稳定的电力供应，如果供电系统出现故障或中断，通信设备也将无法正常工作。

2.2 作业条件的限制

矿山开采过程中，爆破、机械挖掘、运输等活动会产生大量的尘埃和碎屑。这些尘埃会在空气中悬浮，造成空气污染，形成多尘的环境，并且，某些矿物在开采和加工过程中会产生细小的粉尘，这些粉尘在空气中弥漫，增加了矿山地区的尘埃含量，灰尘粒子吸收或散射无线信号，影响无线通信的传输距离和质量，导致网络节点失效，影响整个网络的稳定性和连通性。这对于依赖稳定网络连接的矿山自动化系统和监控系统来说是严重的问题[4]。

地下矿山的环境通常比地表更加稳定，不受季节性气候变化的影响，但由于缺乏自然通风，地下矿山中的热量和湿气很难散发出去，导致温度和湿度的升高，高温导致电子设备的温度升高，超过其正常工作温度范围，加速电子元件老化，降低其性能和可靠性。高湿导致电路板和连接器内部的腐蚀，影响电气连接的稳定性。多尘环境导致灰尘进入设备内部，堵塞散热孔和风扇，影响散热效果，也导致电路短路。在矿山开采和矿物加工过程中，需要使用大量的水进行冷却、抑尘等，这些水分会在环境中蒸发，增加空气中的湿度，影响电缆和天线等传输介质的性能，导致信号衰减或传输错误。

2.3 生产空间的影响

矿藏通常位于地下深处，地下的地质环境比地表更为复杂。地震波在地下传播时，会遇到更多的障碍物和不同的岩层，这导致地震波能量的聚焦或分散，放大或改变地震的影响。这种复杂性使得地震在矿山中的影响更为不确定和難以预测。矿山中的通信线路和设施通常是为了支持矿山的生产和管理而设计和部署的，这些线路和设施往往密集分布于矿井内部和周边地区，在开采过程中，岩层的原始应力状态被改变，导致岩层的稳定性下降。当地震发生时，原本就脆弱的岩层更容易发生断裂和塌陷，这些地质活动会直接破坏通信线路和设施，当地震发生时，矿山内部的通道会被堵塞，通信设施被破坏或掩埋，这给灾后的救援和恢复工作带来了极大的困难。由于通信中断，矿山内部和外部的联系暂时丧失，使得救援工作难以迅速有效地展开。

3   无线网络对网络通信安全问题的应对优势

3.1 针对通信故障的有效克服

在矿山环境中，通信网络的中断是一个常见且严重的问题。由于地形的特殊性、环境的复杂性和设备的老化，通信网络的中断时有发生。无线网络作为一种灵活、可靠的通信技术，在解决矿山通信中断问题方面具有显著优势。无线网络的拓扑结构具有较高的自愈能力。当某个节点或路径发生故障时，无线信号可以自动寻找其他可用路径进行传输，减少通信中断的可能性。这是因为无线网络采用了动态路由选择技术，当检测到某个节点或路径不可用时，网络会自动选择其他可用路径进行数据传输，保证通信的连续性和稳定性。现代无线通信技术还采用了多种抗干扰技术，如频率跳变、编码技术和多输入多输出（MIMO）等，能够在复杂多变的矿山环境中保持通信的稳定性[5]。频率跳变技术可以使无线信号在不同频率之间快速切换，避免长时间停留在某个受干扰的频率上。编码技术可以提高信号的抗干扰能力，使得即使信号受到一定程度的干扰，仍然可以恢复出原始信息。MIMO技术可以通过多个天线同时发送和接收信号，提高信号的质量和稳定性。

3.2 针对恶劣环境的良好适应

无线网络的维护成本较低，这在矿山环境中尤为重要。有线网络在矿山环境中面临着机械损伤、腐蚀以及连接点老化等问题，这些问题往往导致高昂的维护成本。例如，矿山的重型机械作业可能导致电缆被意外切断，或者在潮湿环境中，电缆的绝缘材料可能因腐蚀而失效。而无线网络通过无线电波传输数据，无需物理线路连接，避免了这些潜在的物理损害。无线网络的故障诊断和修复也更为简便，因为无线网络的设备通常具有自我诊断功能，维护人员可以通过远程监控来识别和解决问题，减少了现场检查的需求[6]。

无线网络的扩展性是其在矿山环境中应用的另一个关键优势。随着矿山生产规模的扩大或生产需求的变化，通信网络需要能够快速适应这些变化。无线网络的部署和调整相对灵活，可以根据矿山的实际需求进行网络节点的增加或移动，而不需要对物理基础设施进行大规模的改动。当矿山需要扩展到新的区域时，无线网络可以通过简单的配置更新和新增接入点来实现网络的覆盖扩展。这种灵活性使得无线网络能够以较低的成本和较短的时间来适应矿山的生产变化，提高整个矿山的运营效率。

3.3 降低物理安全问题对硬件影响

在地震等自然灾害中，有线通信系统可能会因为物理线路的断裂而遭受严重破坏，导致通信中断。而无线网络由于不依赖物理线路，其受到的物理损害可能性较小。即使部分无线接入点（AP）或通信设备遭到破坏，其他未受影响的设备仍能维持通信网络的基本运作，保障关键信息的传输。这种抗破坏能力使得无线网络在地震等灾害发生时，能够提供更加稳定和可靠的通信服务。并且在地震等灾害发生时，无线网络的即时连接能力使得矿工和地面指挥中心可以迅速获取灾情信息，进行有效的应急决策和资源调度，矿工和地面指挥中心可以迅速建立联系，并立即进行紧急疏散和救援指导，无线网络还可以支持实时视频传输，使得地面指挥中心得以迅速、直观地了解灾情，为救援工作提供更加准确的信息支持，最大限度减少事故损失。

4   矿山通信中的无线网络架构策略

4.1 通信服务化架构搭建

在矿山无线通信网络设计中，服务化架构（SBA）是构建网络控制面的关键组成部分。与传统的基于拓扑的网络设计相比，SBA架构通过接口的升级和扩展，确保了网络功能的灵活性和可扩展性，并保持了网络功能提供的一致性。这种架构特别强调网络功能故障管理的智能化特点。SBA技术能够通过软件服务重新构建矿山无线通信网络的核心网，并自动化地完成不同网络功能的组网，实现即插即用的目标。在设计SBA架构时，主要遵循3GPP规范TS23.501中与SBA理念相关的要求。在SBA架构中，传统的网络元素被网络功能（NF）所替代，服务间的操作取代了传统网络元素间的接口，提高了组件的重用效率。通过使用各种功能体间的参考点，如N1、N2、N3、N4、N6、N9等，调用独立的功能模块变得更加灵活，并且可以重用微服务模块。此外，基于HTTP的服务化接口（SBI）支持同步满足“请求—响应—订阅—发布”的通信需求，同时在外部展示中采用API形式，能够构建智能化和自动化的服务管理框架。

矿山无线通信网络设计采用以下关键技术。①基于消息交互的服务提供。为了简化网络功能（NF）之间的交互，该架构采用了Subscribe-Notify与Request-Response两种主要的交互模式。在这种模式下，网络功能服务用户可以向后台方请求所需的服务，后台一旦有新的数据或状态变化，会主动通知用戶。用户也可以主动请求特定的服务，后台根据请求内容返回相应的结果；②自动化服务注册与发现。在矿山无线通信网络中，各种设备和服务都应以服务化的方式呈现，并能在网络中自动注册和发现。这使得其他设备或服务能够方便地找到并复用这些功能。注册与发现机制依赖于核心网络中的NRF功能，它可以接收并维护其他NF的服务注册信息，支持服务的自动发现；③统一的服务化接口协议。在考虑了IT化、微服务化和虚拟化的需求后，架构应定义了一套统一的接口协议栈，比如传输层的TCP、应用层的HTTP/2.0以及序列化协议的JSON。

4.2 在通信系统中加入边缘计算

在矿山无线通信网络设计中，边缘计算（Edge Computing，EC）的应用对于提升网络性能和效率具有重大意义。通过在UE（用户设备）附近部署边缘计算节点，可以有效地降低端到端的传输时延，减轻网络负载，并促进业务的高效交付，边缘计算在矿山通信网络中的支持能力包括：①本地路由。通过在核心网中使用用户平面功能（UPF），引导用户流量至本地数据网络，减少远程数据中心的访问需求。②流量加速。核心网引导应用功能至本地数据网络，优化业务流量，提高传输效率。③EC服务兼容移动性限制。支持移动设备的无缝切换，同时保证业务的连续性。④支持QoS和计费。确保服务质量（QoS）满足需求，并支持灵活的计费策略。⑤用户面选择及重选。基于应用功能的需求，动态选择或重选UPF，以优化数据流路径。⑥连续性的会话与业务。即使在设备移动或网络切换时，也能保持会话和业务的连续性。

通过MEC（多访问边缘计算）的应用，不仅能够降低端到端（E2E）的时延，为矿工提供更优质的通信体验，还能在本地处理数据，减少回传网络的流量，降低网络成本。在MEC的支持下，移动网络与互联网的融合程度将得到加强，为矿山通信带来新的业务机会。对于设备供应商和运营商而言，边缘计算的战略意义显著。引入MEC后，网络架构中的用户面可能会面临一些挑战，如UPF的选择和重选、业务分流和连续性保障等，同时也会影响QoS、计费和能力开放等方面。在PDU会话管理方面，SMF（会话管理功能）控制数据路径，确保PDU会话与N6接口同步。在同一个PDU会话中，多个LUPF可以支持相同的DN服务。会话建立时，与分配的UPF和PDU会话相关联，而分配给同一PDU会话的附加UPF则是与PDU会话分离的SSC模式，可以选择性地将业务路由到更接近UE的DN。

4.3 通过面层分离提高通信及时性

在矿山无线通信网络设计中，面层分离技术是一项至关重要的基础技术，它涉及用户面和控制面之间的有效区分。在矿业生产中，信息传递的实时性对于保障作业安全、提升生产效率具有显著影响。若通信网络存在延迟，会导致指令传达不畅，影响生产流程的连续性和效率，严重时甚至可能带来安全隐患。例如，在智能采矿作业中，各种自动化采矿设备需要实时准确地接收控制指令，并快速响应以驱动执行装置进行作业。采用低延迟的通信网络技术，特别是面层分离技术，能够确保控制指令的实时传输，提高采矿作业的效率和安全性。通过在矿山通信网络中应用面层分离技术，可以实现控制面与用户面的独立部署，构建分布式网络架构。该技术能够根据矿工的位置信息，自动接入最近的无线接入点，确保网络连接的稳定性和速度，避免由于控制层面与用户层面的干扰而影响通信质量。此外，面层分离技术还使得网络通信系统能够独立扩展容量，提高了网络设计的灵活性。在矿业生产环境中，这种灵活性对于应对不断变化的生产需求和应对紧急情况尤为重要。通过优化网络架构，可以更好地支持矿业生产的自动化、智能化发展，提高生产效率和安全性，促进矿山行业的可持续发展。

4.4 无线通信的网络切片设计

无线通信网络中，网络切片这项技术至关重要，是以业务场景为基础按需完成网络定制得以实现的基础之一，各网络切片支持隔离或共享资源，端（源端点）至端（目标端点）逻辑子网的网络切片由控制与用户平面核心网络、无线接入网、承载网、IP传送网组成，多领域协同配合至关重要。核心网切片标准现阶段发展迅速，通信网络核心网基本实现终端与网络的功能及流程，但在切片管理方面仍有待进一步优化。无线网切片技术难度较大，业界仍在持续研究相关技术方案。承载网切片表现出较独立的发展情况，与移动网间的专业联动/打通匮乏。切片管理是定制通信网络切片及自动化部署的必要前提。

网络切片管理架构主要由网络切片管理（NSMF）、通信业务管理（CSMF）和网络切片子网管理（NSSMMF）三部分组成。网络切片管理支持切片的编排管理，并将整个网络切片中SLA分解为无线网切片子网、核心网切片子网及承载网切片子网等诸多切片子网SLA；通信业务管理主要负责向网络切片映射业务需求；网络切片子网管理主要承担将SLA映射成网络服务配置要求及实例的职责，并传达指令至MANO，在MANO的基础上编排网络资源。在调度承载网络的资源时，协同承载网络管理系统是不可或缺的前提条件。

基于NFV/SDN的切片业务中，切片运维是由NFV/SDN技术成熟度决定难易程度，因此需要提高对NFV/SDN技术落地及运营的重视程度。通信网络现阶段在端到端切片方面的成熟度有待提升，所以需要继续深入研究网络切片设计、管理和编排等内容，如无线网、承载网及核心网跨专业协同、OSS/BSS与切片管理融合、MANO与网络切片子网管理协同等。使用通信网络的过程中，不同UE都需要建立在网络切片框架的基础上，简单eMBB核心网切片是初期提供的主要内容，在逐步熟练掌握通信网络运营方面的基本能力后，通过对切片逐一细化分解，聚焦垂直市场进行行业切片的打造，通过差异化网络服务的提供，旨在促进商业价值的充分挖掘与体现。

4.5 新型移动性管理和会话管理

在获取在线数据时，传统的通信状态经常面临频繁切换，导致信令消耗严重。然而，在专门设计的矿山无线通信网络中，物联网终端的运行损耗可以显著降低，达成永久在线的目标，通过网络支持移动特性，来实现控制面和用户面服务的优化，以及接入网的预定，大幅提升移动状态的管理效率。

基于条件变化的趋势，网络管理终端能够为特殊工作区域，如矿井深部，提供更高级别的移动管理服务。这降低了业务中断的风险，提高了响应速度。当矿工跨越不同区域时，网络会动态调整以适应终端的移动，并将标准调整至最低，以利于能效的提升。

在LTE技术时期，其最显著的特点是支持永久在线，这为智能终端与移动互联网的融合提供了必要的基础，促进了双向发展。中后期，NB-IoT技术的应用进一步降低了网络资源的耗损，并在设计会话及移动性管理时，基于解耦方法进行了优化。

在解耦方法的支持下，通信网络控制面的移动性和连接操作管理功能部署变得更加灵活，有效避免了网络间高度耦合的形成。LTE系统允许提前建立连接，实现数据的快速传输。虽然在物联网的数据传输中存在一些信令资源的浪费，但专门为矿山设计的通信网络在数据发送时无需会话支持，可以基于用户面和控制面直接发送用户数据，实现了无隧道的数据传输，以此提高通信的效率和安全性。

5   结束语

矿山通信网络采用无线通信技术的原因在于其在恶劣环境中的适应性、灵活性和移动性支持。在矿山这样极端的环境中，有线通信设施容易受损，而无线通信设备则设计有更强的耐用性和抗干扰能力，更适合矿山环境。并且，无线通信网络的部署和擴展更为灵活和经济，能够快速适应矿山不断变化的工作环境和扩展需求。在紧急情况下，如矿井坍塌或火灾，有线通信设施可能会受损，而无线通信可以快速建立，确保救援人员和工作人员之间的通信不中断，因此，无线通信网络在矿山环境中提供了必要的通信能力，确保了矿山作业的安全、高效和连续性。随着技术的不断进步，无线通信将继续在矿山通信网络中发挥关键作用，矿山通信网络的信息安全问题不容忽视，其中中断问题、设备耐用性、物理安全、无线网络构建策略等方面都存在一定的安全隐患。为了解决这些问题，提出采用服务化架构、边缘计算、面层分离技术、无线通信网络切片设计以及新型移动性管理和会话管理等措施。这些措施能够有效提高矿山通信网络的稳定性和可靠性，提高矿山作业的效率和安全性，为矿山行业的可持续发展提供有力的支持。■

参考文献

[1] 孙红雨，宋娇，刘霞，等．无线网状网络路由协议在矿山应急通信中的应用研究[J]．科学技术与工程，2023（02）：429-439.

[2] 柏建明．数字化矿山无线网络规划设计与中色非矿无线网络建设[J]．中国有色金属，2023（S1）：168-171.

[3] 刘辛颖．矿山通信网络信息安全问题及改善对策——评《基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究》[J]．有色金属工程，2023（04）：147.

[4] 宋欣桦．基于无线传感网络的矿山机电设备安全状态监控系统研究[J]．世界有色金属，2023（09）：16-18.

[5] 李强，钟仕军，赖亚寒，等．基于多频融合5G专网的智慧矿山安全管理研究[J]．现代计算机，2023（21）：30-35.

[6] 石云东，廉原原，鞠丽，等．基于无线网络煤矿远程安全监测系统的设计[J]．煤炭技术，2023（06）：251-254.