基于5G無線網絡技術的智慧礦山方案研究

任朝恩

（河北廣電信息網絡公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

我國是一個礦產資源大國，采礦業在我國國民經濟中占有重要地位。然而，礦山安全風險大、招工難、成本高、效率低等一系列問題，一直是礦山企業發展面臨的主要問題。

智慧礦山是通過以機械化、自動化、信息化、智能化為核心的“四化”策略，以高速率、大容量、雙向綜合數字通信網絡為載體，以智能設計與生產管理軟件系統為平臺，通過對礦山生產對象和過程進行實時、動態、智能化的監測與控制，實現礦山開采的安全、高效和經濟效益較大化[1]。當前，5G通信技術以其大帶寬、低時延的網絡優勢，結合邊緣計算、大數據、云計算等先進技術，能夠滿足礦區移動性和封閉性的特殊場景需求，助力礦區“少人化、無人化”目標的落地和推廣。

1 智慧礦山項目需求分析

1.1 煤炭行業轉型痛點及智慧化需求分析

目前，我國煤炭行業面臨安全生產嚴峻考驗，隨著行業不斷發展，國家對安全生產的重視程度和要求不斷提升，而傳統的煤礦作業系統和設備已經不能完全適應和滿足當前煤礦安全生產的要求。將5G等信息化技術廣泛地應用在煤炭安全生產中，有助于推動我國煤炭行業的健康發展和智慧化轉型。

當前煤炭行業從業人員流失嚴重，特別是煤礦工程技術人才隊伍短缺，給煤炭行業的可持續發展帶來影響，煤炭行業已經到了必須從人力密集型行業向技術密集型行業轉型升級的關鍵時期。而運用5G等信息化技術手段提升煤礦運行效率，降低作業人員規模，是轉型升級的一條可行之道。智慧礦山的建設部署，能夠讓煤炭行業對人力的需求從簡單的規模數量轉向求精求質的高質量人才，調整人力資源結構，帶動整個產業的轉型升級。

智能掘進、智能采煤、智能巡檢、無人礦卡及遠程控制等智慧礦山應用場景，對寬帶、時延及覆蓋等網絡性能提出了非常高的要求。5G作為最新一代成熟商用的無線通信技術標準，其大帶寬、低時延、高可靠的技術特點，正好能夠契合智慧礦山對無線通信的要求。

1.2 建設原則及目標

礦山5G網絡的建設和部署是一項復雜的工程，需要配合智慧礦山整體建設規劃和節奏，視情況分周期逐步推進。

在建設部署礦山5G網絡的同時，需要充分考慮現有各類通信系統的業務情況，做好融合互通，既要防止立煙囪式的隔離建設，又不能對現有系統和業務造成大的沖擊。

網絡規劃應立足長遠，充分考慮智慧礦山各類智能化應用需求。在具體實施過程中，應充分考慮當期及未來各類智慧礦山業務的網絡需求，做到從整體規劃，易擴展；注重技術創新，使用無線通信技術最新成果，結合礦山實際情況，開拓創新，積極開展各類智慧礦山應用，切實提升礦山智能化水平。

2 智慧礦山項目網絡架構及建設模式

2.1 整體網絡架構

礦山網絡設計主要分為應用層，網絡層和感知層，如圖1所示。應用層包含智慧礦山涉及的相關智能化業務，如智能采煤/掘進、輔助運輸、智能巡檢視頻分析以及遠程控制等智慧礦山業務，最終對應到礦山各類信息化系統，如大數據可視化分析系統、綜采工作面綜合管理系統、危險源分析預測預警系統、透明礦山綜合管理系統、人員定位系統、安全檢測系統以及應急救援智慧系統等。

圖1 智慧礦山網絡架構

網絡層包含核心網和基站接入網。核心網是移動通信網絡的核心部分，起著承上啟下的作用，主要負責處理終端用戶的接入管理、會話管理、移動性管理以及數據傳輸等功能[2]。感知層包含各類信息傳感和采集終端，如通信類終端、視頻采集終端以及物聯傳感終端等。

2.2 網絡建設模式

2.2.1 5G核心網自建

考慮到礦山業務復雜性及礦區特別是井下環境的惡劣程度，考慮在礦山部署低成本小型化5G核心網，采用與運營商共享基站的模式接入基站，保障礦山業務數據的安全性和用戶管理的完全自主性。礦山相關業務通過礦區自建核心網與業務系統聯通承載。該網絡是一張真正的礦區5G專網，實現了數據隔離和業務自主。

2.2.2 邊緣云下沉

在使用運營商5G公網核心網的情況下，為了進一步保障礦山業務數據的安全性，并方便各類礦山智能化業務的部署，可考慮在礦山自建下沉的邊緣計算技術（Mobile Edge Computing，MEC）/用戶面功能（User Plane Function，UPF）邊緣云，采用本地分流的模式進行數據傳輸和業務加載，控制面數據由運營商的5G核心網承載，用戶面數據由礦區本地MEC/UPF邊緣云卸載在礦區本地，與業務系統聯通承載。此模式下，礦山用戶數據不出礦區，數據安全性得到保障，也有利于遠程控制等低時延業務的開展，但用戶管理和業務的開通等操作仍需要在運營商5G核心網實現。

2.2.3 公網切片

此模式下，整套5G核心網均由運營商提供，數據和控制面數據流均通過運營商5G核心網承載，可考慮為礦業集團和礦山在運營商網絡部署專用切片，滿足集團、礦山的定制化業務需求。

3 5G智慧礦山無線網絡核心網關鍵技術

核心網是移動通信網絡的三大組成部分之一。核心網主要負責管理數據，對數據進行分揀。而對數據的處理和分發，其實就是“路由交換”，這是核心網的本質。

作為移動通信網的核心部分，核心網起著承上啟下的作用，主要負責處理終端用戶的接入管理、會話管理、移動性管理以及數據傳輸等功能。5G核心網構架主要包含基于服務的架構（Service Based Architecture，SBA）、控制面與用戶面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）以及網絡切片三大關鍵技術，本質上是最終實現化整為零、由硬變軟的演進過程。

3.1 基于服務的架構

基于服務的架構（Service Based Architecture，SBA）采用云原生構架設計，借鑒了IT領域的“微服務”理念。傳統網元是一種緊耦合的黑盒設計，網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）從黑盒設備中解耦出網絡功能軟件，但解耦后的軟件依然是“大塊頭”的單體式構架，需進一步分解為細粒度化的模塊化組件，并通過開放的應用程序接口（Application Programming Interface，API）來實現集成，以提升應用開發的整體敏捷性和彈性。基于這樣的設計理念，傳統網元先是轉換為網絡功能（Network Function，NF），然后NF再被分解為多個不同的網絡功能服務。

SBA=網絡功能服務+基于服務的接口。網絡功能可由多個模塊化的網絡功能服務組成，并通過基于服務的接口來展現其功能[3]，因此網絡功能服務可以被授權的NF靈活使用。

3.2 控制面與用戶面分離

控制面與用戶面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）的目的是讓網絡用戶面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心網（中心數據中心），也可部署于接入網（邊緣數據中心），最終實現分布式部署[4]。

事實上，核心網一直沿著控制面和用戶面分離的方向演進。從R7版本開始，通過Direct Tunnel技術將控制面和用戶面分離，在3G 無線網絡控制器（Radio Network Controller，RNC）和網關GPRS支持節點（Gateway GPRS Support Node，GGSN）之間建立了直連用戶面隧道，用戶面數據流量直接繞過服務GPRS支持節點（Serving GPRS Support Node，SGSN）在RNC和GGSN之間傳輸。到了R8版本，出現了移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）這樣的純信令節點。而到了4.5G和5G時代，這一分離的趨勢更加徹底，也更加必要，其中一大原因就是為了滿足5G網絡毫秒級時延的關鍵績效指標（Key Performance Indicator，KPI）。光纖傳播速度為200 km·s-1，要在長距離實現數據的毫秒級延時傳輸，需將內容下沉，分布式地部署于接入網側（邊緣數據中心），使之更接近用戶，以降低時延和網絡回傳負荷。

3.3 網絡切片

5G服務是多樣化的，包括車聯網、大規模物聯網、工業自動化、遠程醫療等[5]。不同的服務項目對網絡有不同的需求，因此必須將網路切成許多虛擬而又彼此隔離的子網路，分別應對不同的業務。對于如此靈活的切片工作，使用傳統大塊頭的黑盒設備是無法完成的，因此一定要進行虛擬化、軟件化，并使網絡的功能進行細粒度模塊化，才能進行靈活組裝業務應用。

4 結 語

智慧礦山是煤炭生產管理轉型升級的重要發展方向。將5G無線網絡技術融入礦山煤炭安全生產中，能夠為礦山建設提供良好的通信條件，推進遠程無人控制勘探、開采及多種技術的綜合應用，提高生產過程的自治化和自主化運行管控水平。5G無線網絡技術的加入，對我國采礦工程的安全性及效率提升具有積極的意義，智慧礦山也將成為未來礦業發展的新趨勢。