井工煤礦5G 專網方案探討

［陳俊明 王岱 國志遠 張潔］

1 引言

2020 年3 月，國家發展改革委、工信部、能源局等8部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[1]，提出到2035年我國各類煤礦都將基本實現智能化的目標。2020年7月，中國煤炭工業協會發布了《煤炭工業“十四五”高質量發展指導意見（征求意見稿）》[2]，其中提到煤炭科技發展將以第四次工業革命為統領，以5G、區塊鏈技術等新一代信息技術為重點。當前井工煤礦普遍采用4G+Wi-Fi[3]，難以滿足實時、大帶寬的傳輸需求，5G 技術將成為智能開采信息傳遞的內在要求。

2 井工煤礦需求分析

井工煤礦主要存在多個使用5G 技術的場景[4]，下面分別敘述。

（1）采掘面

井工礦綜采面具有作業空間狹小、機械設備多、視覺環境差、溫度高的特點，是煤礦安全管理工作中的重點區域。井工礦掘進工作面環境惡劣、地質復雜，存在瓦斯突出、片幫冒頂等事故風險，嚴重危及井下工人的人身安全；設備工作時產生的粉塵也嚴重影響井下工人的身體健康。目前采掘作業基本采用有線，線纜磨損較大，存在5G 代替光纖連接的需求。

（2）巷道

井下主要巷道中各種管道、線纜、皮帶需人員進行定期巡檢，及時發現與排除各種故障或潛在風險點。目前巷道網絡覆蓋以有線為主，通過基于5G的巡檢機器人進行巡檢，可以實現減員增效的目標。擔負人員以及材料運輸的無軌膠輪車/有軌機車也行走在巷道中，基于5G 實現自動化調度以及無人駕駛，能大幅提高效率。

（3）機電硐室

井下變電所防火、防斷電是核心關鍵，采用基于5G的軌道式巡檢機器人，一旦發生異常，可在第一時間發出警告，通知調度室及附近人員進行及時干預處置。

典型的網絡需求如表1 所示。

表1 井工礦典型網絡需求

3 煤礦5G 專網方案

5G 專網有多種形態，中國聯通提出“5G 虛擬專網”、“5G 混合專網”、“5G 獨立專網”三款5G 專網產品[5]，中國移動形成“優享”、“專享”和“尊享”三種5G 專網產品[6]，中國電信提出“致遠”、“比鄰”、“如翼”三類服務模式[7]。雖然三家運營商對于專網的名稱和內涵的詮釋上有一些差異，但是從技術的角度專網可以概括為使用公網的模式、使用私網的模式和介于兩者之間的混合模式。使用公網模式下，無線、承載、5GC（5G Core Network，5G 核心網）的控制面和用戶面都采用共享方式，此類組網方式主要用于對時延、安全隔離性要求不高的場景。使用私網模式下無線接入網使用單獨的頻率資源/單獨載波/單獨基站、核心網使用單獨的用戶面和控制面、承載使用單獨的物理鏈路或通過FlexE（Flex Ethernet，靈活以太網）硬切分，用于安全要求高、對建網成本不敏感的場景。

煤礦網絡業務包括安全監測和控制、人員定位等，具備典型的封閉生產區域特點，對安全和性能有較強的要求，且煤礦企業在3/4G 時代有自己的專網，更容易接受使用私網的模式,這里重點闡述基于私網模式的井工煤礦5G專網。

井工煤礦5G 專網采取在礦區建設獨立5G 核心網的方式來滿足設備監控、綜掘機遠控、綜采面可視化等需求，對于普通上網需求可以由井上基站直接路由到大網核心網處理。5G 專網需要覆蓋井上井下，在井下綜采面、掘進面、機電硐室重點進行無線覆蓋，在巷道進行廣覆蓋；在井上需重點針對安防布控區域、皮帶區域、中控室、洗煤廠等區域進行5G網絡覆蓋；井上井下通過承載網打通。運營商可以建設專網管理系統以便對礦區專網進行遠程維護，此外可對礦區提供自服務門戶以提高運營效率。整體組網如圖1所示。

圖1 井工礦5G 專網典型組網

為保障礦區內不同業務使用網絡的需求，可考慮引入如下幾類切片。

（1）安全避險相關：跟安全避險相關的監測監控系統、通信聯絡系統、井下人員定位是井下的生命線，對帶寬、時延的需求都不高，但對穩定可靠性要求高，傳統上使用單獨的線路；如果接入5G 網絡，需要考慮給以最高可靠性保障，相應的資源優先級最高。

（2）生產相關：智能掘進、有軌機車/膠運車無人駕駛等生產場景直接關系到礦山生產、運輸效率，對時延、抖動敏感，對帶寬的需求也很高，需保證資源。

（3）普通辦公：包括普通辦公業務等，一般性保障，采用默認優先級即可。

另外，由于煤礦井下環境特殊，瓦斯、煤塵突出都對設備的防爆特性有著很高的要求，因此井下安裝設備必須通過安標國家礦用產品安全標志中心的認證，并獲得煤礦安全證書。

3.1 無線接入網

井下覆蓋包括一般覆蓋和熱點覆蓋需求，一般覆蓋區域，如巷道通常長度有十幾公里到上百公里，要求基站覆蓋距離遠以節省整體覆蓋的成本，但是對容量要求不高；熱點區域，尤其是綜采面由于密集部署較多的攝像頭，所以對容量（特別是上行容量）有著較高的要求。建議對于一般覆蓋采用頻段不大的低頻段，如700 MHz/2.1 GHz；同時對于熱點區域可以疊加2.6 GHz/4.9 GHz/3.5 GHz。為實現對煤礦井下的靈活覆蓋，采用分布式室分無線方案，保證有人行走的區域（膠運大巷、綜采、掘進面、變電所、避難硐室等）信號全覆蓋。井下設備均需采用隔爆/本安的站型，發射功率受限；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，導致覆蓋距離受限[8]，大幅低于地面上的覆蓋距離。業界目前2.6 GHz的覆蓋半徑400～500 m，3.5 GHz 覆蓋半徑大于200 m，700 MHz 目前業界尚無測試數據。在采煤工作面由于信號遮擋衰耗嚴重，采用把基站安裝在工作面兩側，向綜采工作面的中間進行覆蓋的方式，基站天線吊掛在液壓頂板之下[9]；在巷道中無線基站天線靠近巷幫設置，距巷幫不小于0.01 m，垂向位于巷道高度約2/5 處，這樣既不影響行人和行車、便于安裝維護，也可以滿足無線傳輸損耗較小、無線傳輸距離較遠的要求[10]。井工礦井下部分區域上行流量需求很高，如綜采面，由于井下與地面物理隔離而不需要考慮對大網造成的影響，可以使用1D3U 特殊幀結構來大幅提升上行流量。

人員定位系統是井下安全避險六大必備系統之一，主要用于井下人員定位和管理，特別是發生意外時的人員搜救。煤礦井下人員定位系統對精確定位的標準要求是最大靜態誤差不超過0.3 m，目前5G 定位滿足不了需求、煤礦井下人員精確定位以UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）技術為主。但可通過5G 與定位技術的結合來降低UWB的部署成本，UWB 定位基站可通過5G 室分的級聯口傳輸定位數據到服務端進行處理。

對于煤礦井上環境，與一般的園區相同，可以采用64TR/32TR的宏站進行覆蓋。

3.2 5G 核心網

在井工煤礦部署5G 核心網涉及到一個重要的問題是UDM 是否下沉及如何放號；由于礦區有大量的地下作業，對通信的穩定性、可靠性提出了很高要求，核心網的容災需要重點考慮；此外，如果需要使用高質量4G/5G 語音，可在礦區部署IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒體子系統），下面分別討論。

3.2.1 UDM 部署

UDM的本地部署情況比較特殊，一方面UDM 下沉對運營商的歷來的建網模式造成了沖擊；另一方面，UDM不下沉園區，在園區與大網發生故障時，已在線用戶的業務不受影響，新終端無法接入，礦區也不易接受。考慮到礦區有對號碼的新增和修改需求，對于放號有幾種方式來做到專網運營可管可控：（1）UDM 仍在本地進行部署，放號通過BOSS（Business &Operation Support System,業務運營支撐系統）遠程完成，此種方式需要BOSS 對接的UDM 隨運營商發展礦區客戶數增加而增加；（2）放號直接在大網UDM 進行，放號數據同步到小網，此種方式需運營商制定數據同步技術規范；（3）運營商通過網元受理臺拉遠方式放號，此種方式BOSS 中缺少用戶相關簽約和話單信息。從運營商運維網絡的簡便性而言，優選方式2。

3.2.2 語音方案

礦區可選部署IMS，通過IMS 可支持接入PON/AG（Access Gateway,接入網關）/IP PBX（Internet Protocol Private Branch eXchange,IP 專用小交換機）固網終端用戶和移動4G/5G 終端（手機、智能安全帽）用戶。考慮到礦區內部調度語音和廣播語音功能非IMS 能提供的能力而通常由專門的調度系統提供，IMS 需對接調度系統以保證這些語音功能的正常使用。

3.2.3 容災

由于礦區有大量的地下作業，對通信的穩定性、可靠性提出了很高要求。影響穩定性、可靠性除了設備自身的因素外，還有斷鏈的因素。如果僅使用大網核心網，在礦區與大網鏈路中斷后，終端的業務會短暫的維持一段時間，但隨著新業務的請求的發起，或終端周期性TA（Tracking Area，跟蹤區）更新，信令層不通會導致現有業務中斷；對于新進入網絡的終端則完全無法接入到網絡進行業務的處理。井工礦的容災需要考慮礦區與大網、井上井下鏈路中斷下業務穩定運行。

礦區與大網鏈路中斷有幾種容災方案，方案1 是大網作主用，小網作備用；方案2 是小網作主用，大網作備用；方案3 是僅使用小網。方案1 與方案2的對比如表2 所示。

表2 大小網兩種備份方案比較

這兩個方案都存在一些挑戰：（1）大小網UDM 之間要同步數據，目前尚無成熟的廠家間同步方案，需運營商制定規范。（2）對于存在IMS 語音需求的礦區，實現礦區集群調度需大網與不同礦區不同集群系統對接，理論上可行，實際上由于5G 專網是后進入功能，需要適配礦區現有的集群調度系統，而語音調度生態與運營商大網語音生態不同，廠家間對接經驗少，語音通話所用SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協議）協議擴展變化形態較多，對接產生的適配及定制開發會給大網的穩定性帶來較大的隱患。（3）備用網絡長期未使用，存在需要使用的時候業務不能正常運行的可能性（兩邊版本、配置不一致等原因導致），需要定期進行業務巡檢/演練以確保業務實際的可用性。

如果為了規避上述問題，可采用方案3 即僅使用園區本地核心網方式，但存在的問題是此核心網異常會導致業務故障。比較穩妥的方案是在園區本地部署兩套核心網進行容災。兩套核心網采用負荷分擔方式同時運行，有幾種備份方式。如表3 所示。

表3 本地核心網備份方式比較

上述幾種方案的復雜度逐漸增加，成本也遞增，選用Pool模式可滿足礦區的需求。

井上井下一般通過專門的光纖通信井來走線，鏈路中斷的情況相對較少，目前礦區一般無對應的容災要求。如果為了保證井上井下鏈路中斷也能正常處理業務，可以部署備份光纖鏈路；也可以在礦區部署兩套核心網，將一套部署在井上，一套部署在井下，這樣的好處除了容災外，還可以將一些井下業務就近處理，比如煤層識別等，缺點在于成本較高，且要將這些設備做隔爆處理。

3.3 承載網

礦區承載網絡需實現有線無線、寬帶窄帶等數據的接入，配合實現傳感器數據采集、掘進機遠程控制、機器人智能巡檢等任務。傳統礦區部署千兆以太工業環網，隨著智能化的推進，千兆工業環網帶寬無法支撐數據傳輸要求。煤礦井下的承載網絡可選擇固網PON[11]或傳輸網SPN（Slicing Packet Network，切片分組網）/STN（Smart Transport Network,智能傳送網）/IPRAN2.0（IP Radio Access Network,IP 無線接入網）。通過支持10 G、50 G 甚至100 Gbps的固網/傳輸網，可以滿足井上井下大容量的傳輸及后續演進需求。兩種方案的比較如表4 所示。

表4 承載網絡方案比較

無論是SPN/STN/IPRAN2.0 還是PON 方案都可通過工業協議轉換網關接入工業協議設備。

3.4 專網運維

為了滿足運營商和礦區各自的運維需求，運營商可以統一建設運維運營管理平臺，在運營商提供維護服務的同時給礦區人員提供Web Portal 方式的自服務門戶。對于技術實力比較強的礦區，也可以以能力開放的方式向礦區提供API 接口供礦區自己進行調用，便于礦區將專網的管理納入自身的管理系統中。可以提供給礦區的功能包括多個方面：①礦區遠控、監控相關終端/CPE的管理：終端SIM 卡開銷戶、停復機、黑白名單、限速，簽約變更；終端激活、休眠，狀態查詢等。② MEC 上資源相關：資源管理（資源分配/回收），資源操作（重啟，遷移），資源監控。③MEC 上應用相關：應用的部署、終止、更新等能力。④ 網絡相關：網絡配置信息（物理/邏輯/業務配置等）；網絡相關告警/性能監控能力；網絡使用情況指標（注冊用戶數、上下行吞吐量、時延、抖動）；賬單查詢。⑤ 服務等級策略配置（7×24、5×8）、安全策略配置。具體提供哪些功能取決于礦區的需求及運營商對專網把控力的考慮。

礦山專網需要支持運營商進行遠程運維，可選的方式有專網與運維運營管理平臺之間打通專線，優點是組網簡單、安全隔離，缺點是專線成本較高；第二種方式是通過打通VPN 隧道，利用有線網絡進行隔離，缺點是安全隔離性沒有專線高。對于煤礦場景，優先考慮第一種方式。

3.5 專網計費

煤礦計費不同于大網計費，由于正常情況下數據流量本地卸載，按照流量/通話時長計費的模式遭受挑戰，建議按基礎費用和增值費用兩部分來計費。基礎費用建議以資源租賃為基礎進行計費，專網成本為建網成本/投資回報周期與運維成本之和，在專網成本基礎上考慮利潤率來收費。增值費用包括服務質量費用和增值功能費用兩種，對于服務質量費用建議以“×系數”方式體現（基礎費用×時延系數×帶寬保障系數×安全隔離系數×可用性系數）；對于增值功能費用建議以“+費用”方式體現（包括邊緣云、服務保障、智能服務、應用服務、安全服務等）。

當然行業項目計費非常靈活，需要考慮項目的戰略價值、品牌價值、當期收益、持續收益等，對于煤礦來說也需要按照不同項目的具體情況進行考慮。

4 結語

煤礦智能化還處于初級階段[3,12]，5G 在礦區的應用未來隨著經驗的積累，逐步從對生產影響小的應用如智能巡檢、視頻監控等向智能采煤，智能掘進推進。另外，由于煤礦井下開采的特殊要求，5G 基站等設備下井必須滿足煤礦防爆、特殊電磁環境和使用空間的要求，目前市面上5G 設備都只取到了防爆證而無5G 安標證[13]。而甲烷超限或停風后，非本質安全防爆的5G 基站、基站控制器和交換機/路由器必須停電，這就限制了5G 網絡在煤礦井下的應用范圍（目前不能完全替代煤礦安全監控系統）[14]。

目前井下綜采面攝像頭多，按照5G的上行處理能力，采用1080p的清晰度可以處理，如果清晰度上到4K 以上對流量要求高，則超出目前5G的處理能力，可以考慮視頻壓縮、多路視頻拼接后再上傳，為此需要引入視頻處理設備（但帶來了新的防爆問題）或者后續引入毫米波（但在煤礦井下，特別是在采掘工作面，由于信號遮擋衰耗嚴重，通信距離將大幅下降[8]，毫米波是否實際可行尚待探索）。

目前5G的定位精度只能達到米級，滿足不了井下精確定位的需求（工作面自動找直要求采煤機位置誤差小于5 cm，300 m 工作面范圍內，最大直線控制誤差小于20 cm，采煤機滾筒搖臂最小調節分辨率為25 mm）[15]。未來隨著5G 定位能力的提升，5G 結合慣性導航、地磁導航、多傳感器修正和自組網定位等技術構建面向 5G的井下異構融合一體化定位服務系統有望滿足該需求。