金屬礦山智能化與5G專網

肖 偉

（五礦礦業控股有限公司，安徽 合肥 230091）

0 引言

盡管我國金屬礦開采的機械化程度不斷提高， 但是采礦作業的智能化程度仍然不高，數據采集和傳輸效率低，傳輸不可靠，遠程實時控制性能差， 智能決策效率低，大量操作仍需人工現場完成，安全風險較大等，總體來看我國的智慧礦山建設仍然處于初級階段。

以5G為代表的新的寬帶無線通信技術以及與之融合的邊緣計算、大數據、人工智能等新技術是解決上述問題的有效手段，也是當前智慧礦山建設的關鍵技術。去年，采礦行業“5G+工業互聯網”全國現場工作會議發布了第一批重點行業和應用場景， 并指出采礦業要繼續加強5G基礎設施建設，以生產機械化、設備智能化、作業無人化、管理一體化為目標，全力打造本質安全、綠色高效的智慧礦山。5G智慧礦山的建設方案和業務應用已經成為目前5G工業互聯網領域的重點研究方向，具有非常重要的意義。

在新的形勢下，本文針對金屬礦山的智能化建設，從實際應用的需求出發，分析了5G技術的優勢，論證了5G技術對于金屬礦山智慧化建設的重要性，結合實踐給出了完整的5G專網解決方案和實施方案，并對一些關鍵的應用進行了分析，本文的研究成果對于金屬礦山的智慧礦山建設具有很重要的參考價值。

1 技術對比

1.1 智慧金屬礦山的無線通信需求

金屬礦山的智能化主要體現在海量采集數據的收集、分析和決策，根據決策對海量設備進行遠程和智能化的控制。考慮到設備的移動性，無線方式將會成為未來主要的數據傳輸手段，要求無線網絡的傳輸速率高、傳輸時延低、并發終端數量大， 網絡的可靠性和安全性高等，針對礦區場景，還需要滿足以下特殊的需求：一是無線工作頻段不宜過高。礦井無線傳輸衰減大，受巷道斷面、分支、彎曲、支護、電纜等影響，無線電傳輸衰減模型復雜多變。無線工作頻段越高，傳輸衰減越大，傳輸距離越近，繞射能力越差。二是無線傳輸宜具有一定的繞射能力。井下巷道彎曲起伏，空間狹小、設備多，難以保證無線視距傳輸，無線傳輸宜具有一定的繞射能力。三是抗干擾能力強。井下大功率設備啟停、大功率變頻設備工作時電磁干擾大，為保證系統正常工作，礦井寬帶無線通信系統應具備較強抗干擾能力。四是上行傳輸速率大。與公網不同，礦山場景的業務流量主要是上行回傳，比如海量視頻數據、物聯采集數據的回傳，這些現場態勢數據是智能決策的基礎。

1.2 Wi-Fi6技術特點

Wi-Fi是非常成熟的一種局部無線網絡技術， 主要用于室內場景，比如室內辦公、商場、場館等， 在過去的十幾年間也廣泛應用于地下礦區的局部無線通信。隨著終端設備的吞吐率、數量的提升， 原有Wi-Fi技術在容量上的不足也越來越明顯。

Wi -Fi6是最新的一代Wi -Fi技術，底層采用802.11ax標準，在傳輸速率、并發數量、時延等方面相比原有的Wi-Fi技術有了較大提升。如表1所示。

表1 Wi-Fi技術標準及傳輸速率

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Wi-Fi6的工作頻段仍然為2.4 GHz或5.8 GHz 兩種，空口通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024- QAM等技術，極大提升了空口的傳輸速率，最高傳輸速率高達9.6 Gb/s，同時在業務的QoS保障機制上也有了明顯的提升，終端容量也有了一定的增加， 目前Wi-Fi6也是智慧樓宇、智慧園區以及智慧倉儲等應用的主要技術之一。

1.3 5G技術特點

5G是第五代移動通信技術的簡稱，是新一代蜂窩移動通信技術。2015年，國際電信聯盟確定將5G命名為IMT-2020。與該組織此前為3G命名的IMT-2000和為4G命名的IMT-Advanced一脈相承[1]。

前4代移動通信技術主要解決了人與人之間的通信問題，5G則在此基礎上涵蓋了更多的人與物以及物與物之間的通信問題，其關鍵指標如表2所示， 比前幾代移動通信技術更加適合行業智能化應用， 包括智慧礦山的行業應用。

表2 2G/3G/4G/5G制式及傳輸速率

5G具有更高吞吐率，載波帶寬更大，同時支持更大規模的多天線技術，吞吐率遠比4G要大，能夠支撐更大容量、更高質量的視頻傳輸。

5G的子幀周期更短，因此具有更低的空口傳輸時延，能夠更好地支撐低時延應用的需求，例如設備的遠程實時控制等。

5G更好地實現了CT和IT的融合，在通用平臺上能夠更好地與邊緣計算應用，以及大數據，人工智能技術深入融合，通過切片技術更好地、更靈活地適應不同應用場景的需求，相比以前的技術更加適合復雜多樣的行業應用。

5G的終端連接容量要比4G提升了很多，通過信令的優化，能夠支持海量終端的接入和并發業務。

表3 5G關鍵技術指標[2]

1.4 Wi-Fi6與5G技術的對比

Wi-Fi6的主要是在室內、低速移動環境下的應用場景居多，而5G則即可以兼顧室內和室外場景， 移動性的支撐要比Wi-Fi強。

（1）通信帶寬。5G在100 MHz頻譜帶寬下，單小區下行峰值吞吐率為1.5 Gb/s，上行峰值吞吐率為750 Mb/s。Wi-Fi6在160M頻譜帶寬下，單條空間數據流具有最大600 Mb/s的上行傳輸速率。考慮礦山通信中主要以上行業務為主，因此5G和Wi-Fi6在通信帶寬方面能力相當。

（2）傳輸時延。5G在eMBB切片下時延小于10 ms，在uRLLC切片下時延小于4 ms。802.11ax時延為10～20 ms，遠高于5G的時延。5G的時延性能優于Wi-Fi6。

（3）業務QoS。Wi-Fi6技術體制不含網絡切片，對所有業務一視同仁，僅能通過限制空口帶寬為特定業務提供QoS保障。5G可以為具體業務靈活設置網絡切片，uRLLC切片提供低時延保障，eMBB切片提供大帶寬保障，不同的切片可以滿足不同的業務場景。

（4）數據安全。5G提供端到端AES（Advanced Encryption Standard高級加密標準）加密、數據完整性保護、網絡與終端雙向鑒權；Wi-Fi6通過WPA3- SAE（Simultaneous Authentication of Equals等值同時認證算法）加密[3]，并要求所有連接都使用受保護的管理幀，數據安全性較802.11a/b/g/n/ac有了長足進步，但仍繼承了早期臨時密鑰完整性協議的漏洞。5G在數據安全方面優于Wi-Fi6。

（5）移動性方面。5G網絡可將多個射頻單元歸并入一個小區，終端在同一小區內漫游不產生跨小區切換或跨設備切換；不做小區歸并時，5G網絡跨小區切換時延小于50 ms，無丟包。Wi-Fi6在技術體制上仍未考慮終端大范圍移動的場景適配，終端在跨設備切換時存在切換時延大、切換丟包的現象。5G的移動性遠優于Wi-Fi6。

（6）數據轉發靈活性方面。5G通過UPF（User Plane Fuct ion用戶面功能）實現用戶數據轉發， UPF可靈活部署在網絡中任意節點[4]；Wi-Fi6可通過AP（Access Point接入點）本地轉發或AC（AP controller AP控制器）集中轉發，具備一定的靈活度，但相較5G的數據轉發靈活性仍有距離。5G在數據轉發靈活性方面優于Wi-Fi6。

（7）部署復雜度方面。5G網絡由核心網、傳輸網、基帶單元、射頻單元等組成；Wi-Fi6網絡由AP、交換機、AP控制器等組成。Wi-Fi6沿用TCP/IP網絡，部署便捷性和部署成本較5G具有一定優勢。

綜上，Wi-Fi6僅在部署成本上相較5G有一定優勢，在數據方面與5G持平，在時延方面、業務保障方面、數據安全方面、移動性方面、數據轉發靈活性方面與5G相比差距較大，因此5G已經成為目前智慧礦山領域的主流技術。

2 金屬礦山5G專網方案

2.1 5G專網組網方案

典型的5G行業應用有三種組網模式。一是在公網的基礎上進行切片，這種模式數據要出園區， 而且時延較大，不適合金屬礦區的作業要求。二是UPF下沉，可以解決數據不出園區以及時延問題， 但是礦區網絡的信令部分仍然需要走到公網，一旦礦區和運營商機房之間的光纖出問題，整個礦區的5G網絡就會癱瘓，導致生產事故。三是5G專網，即利用專門的企業級核心網、基站以及頻譜資源，在礦區建設企業專用的5G專網。5G專網不依賴外界網絡，自成一體，網絡的安全性、可靠性和可控性非常高，同時也能夠方便地按需配置網絡，更好地服務于客戶實際要求。

針對安徽某金屬礦智能化改造的實際項目，采用5G專網模式，本節給出該項目的5G專網網絡實施方案。如圖1所示。

圖1 地下金屬礦山5G網絡架構

該項目中5G核心網（5GC）和專網網管部署在礦區的中央機房，向上連接到企業內網中，成為企業內部新增的一部分，向下連接到礦山萬兆環網。5G基站主機設備（BBU）通過萬兆環網與核心網相連。基站主機設備下聯各自中段面的擴展單元（HUB）。擴展單元通過光纖連接到微功率設備單元（pRRU）。pRRU采用分布部署，對工作區域進行連續覆蓋或者重點覆蓋。工作終端通過5G專網實現與礦山集控中心的互聯互通。

整套系統包括無線接入網、網關、輕量化核心網、應用服務器等均部署在礦區中央機房，由礦區統一管理，設備的安全性可以得到保證。礦山可自主發行用于專網接入的SIM卡，專網用戶接入本地5GC核心網，執行AKA鑒權流程、數據完整性校驗、雙向加密等流程，終端在接入網絡時與網絡側完成雙向認證，保證用戶和網絡的合法性。傳輸數據過程中，系統通過完整性保護和加密流程，保證數據信息在傳輸過程中的正確性和私密性。

礦山部署的5G核心網，通過云化平臺和NFV 技術，實現核心網的本地/異地熱容災備份，顯著提升系統可靠性。通過5G核心網各網元分布式部署， 各網元實現了主從備份。NSSF（網絡切片選擇功能）、NRF（網絡存儲功能）、UDM（統一數據管理）/AUSF（鑒權服務功能）等網元采用1+1方式進行本地/異地熱容災，PCF（策略控制功能）、AMF （接入和移動性管理功能）、SMF（會話管理功能）、UPF（用戶面功能）等網元采用組POOL方式進行異地熱容災。杜絕異常掉電、誤操作等引起的網絡癱瘓。

2.2 智慧金屬礦山5G應用

在上述5G專網網絡的基礎上，根據項目的實際需求，可以開展多種智能化應用的推廣。包括遠程控制類應用、輔助控制類應用、機器人應用、AR/ VR類應用等。針對金屬礦山特點，宜優先展開遠程控制類應用和機器人應用。具體應用如下：

2.2.1 金屬礦山采礦設備的遠程駕駛/無人駕駛

地下金屬礦山采礦設備主要包含掘進臺車、采礦臺車、裝藥臺車、錨桿臺車、電動鏟運車、電機車等。

地下采礦設備活動范圍大；行駛精度高；搭載傳感器種類多；對通信帶寬、通信實時性要求高。4G可以解決中低速狀態下少量礦山車輛的遠程駕駛/無人駕駛。由于4G容量有限，在大規模部署遠程駕駛/無人駕駛時將面臨無線傳輸容量不足，引起的信令下達不及時；傳感器信息上報誤碼，嚴重時將導致遠程駕駛系統癱瘓。Wi-Fi由于其移動性差，當車輛行駛在Wi-Fi接入點切換區時，將頻繁出現車輛脫網，造成極大安全隱患。唯有5G的大帶寬、低時延、大連接、廣覆蓋特性，可以支撐礦山大量部署遠程駕駛/無人駕駛應用。

當前，地下采礦設備駕駛員勞動強度大、作業環境差、作業危險性高。通過實現地下采礦設備遠程駕駛/無人駕駛，對減輕駕駛員勞動強度，改善作業環境，縮短換班時間，提升采礦生產效率，提升礦山安全水平具有重要意義。

2.2.2 礦山機器人應用[5]

目前常用的礦山機器人主要是生產作業面、生產環境的巡檢機器人。按行動方式主要分為軌道機器人和輪式機器人。它們的共同特點是：活動范圍大，對網絡連續性要求高；攜帶多種傳感器，對網絡吞吐率要求高；子系統聯動復雜，對信令延時敏感。4G和Wi-Fi在網絡時延、帶寬容量、網絡連續性等方面存在不同程度的短板。5G同時提供了大帶寬、低時延、大連接、廣覆蓋等優良特性，可以為礦山機器人應用提供穩定可靠的信息傳輸通道。

通過礦山機器人替代人工進固定場所的巡檢、生產工序的巡檢、生產狀態的巡檢等工作，是礦山減員增效，推動金屬礦山企業智慧礦山建設和數字化轉型的有效途徑。

3 結束語

金屬礦山的智能化建設能夠極大提升礦區作業的效率，降低安全風險。5G技術具有高帶寬、低時延、大容量、高可靠性和高安全性等特點，是目前智慧礦山的主流網絡技術。部署專用的5G專網能夠更好地保障礦區網絡的安全性、可靠性和可控性， 而且專用的網絡設備資源能夠靈活的配置，從而更好地適配礦區的實際應用需求。

基于實地勘測，本文給出了具體的金屬礦山5G 專網部署方案，涉及核心網、傳輸網絡和基站以及天饋的部署。本文還給出了基于5G專網的礦山智能化應用，未來基于該網絡還會有更多的5G智能化應用，提升礦山作業的效率。