礦用5G智能終端數(shù)據(jù)交互和共享規(guī)范研究

蔡峰， 王陳書略， 喬梁， 包曉波， 張冬陽

（1. 中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120；2. 中煤信息技術(shù)（北京）有限公司，北京 100120；3. 上海山源電子科技股份有限公司，上海 201600；4. 應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029）

0 引言

2022年4月，國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)發(fā)布的《“十四五”國家安全生產(chǎn)規(guī)劃》中明確提出了煤礦和非煤礦山機(jī)械化、智能化的具體要求，并設(shè)立了“工礦商貿(mào)就業(yè)人員十萬人生產(chǎn)安全事故死亡率下降20%”、“煤礦百萬噸死亡率下降10%”的目標(biāo)。礦山智能化建設(shè)是解決礦山安全的重要舉措[1-5]。實(shí)現(xiàn)智能化的首要條件為引入新的信息技術(shù)，其中，以5G為代表的新一代移動(dòng)通信技術(shù)開始落地于智能礦山的建設(shè)，利用成熟的5G技術(shù)，憑借其支持邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，聯(lián)合UWB等異系統(tǒng)，全方位構(gòu)建“5G+智能礦山”[6-8]。

為推動(dòng)礦山智能化發(fā)展，以中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信、華為、中興、新華三等為代表的傳統(tǒng)ICT（Information and Communication Technology，信息通信技術(shù)）公司也開始將目光瞄向礦山領(lǐng)域，利用5G技術(shù)，結(jié)合人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)，為礦山智能化建設(shè)提供了有力支撐[9-12]。其中，5G智能終端和管控平臺(tái)作為數(shù)據(jù)傳輸和共享的節(jié)點(diǎn)，成為構(gòu)建“5G+智能礦山”的重要組成部分。

然而，在目前的礦山應(yīng)用場(chǎng)景中，普遍存在設(shè)備控制時(shí)延高、子系統(tǒng)協(xié)同性差、智能終端類型匱乏、數(shù)據(jù)類型不明確等問題。特別是在礦用5G智能終端與管控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)共享過程中，不同廠商實(shí)現(xiàn)的方式不同，傳輸協(xié)議雜亂，對(duì)礦用5G智能終端提出了較高的要求，不同廠商之間的礦用5G智能終端與管控平臺(tái)很難實(shí)現(xiàn)互通。因此，本文在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上，研究礦用5G智能終端數(shù)據(jù)交互和共享規(guī)范。

1 礦用5G系統(tǒng)及消息

目前，礦用5G系統(tǒng)采用云、邊、端的架構(gòu)模式，即以工業(yè)環(huán)網(wǎng)為骨干傳輸通道，支持5G無線網(wǎng)絡(luò)的接入。在5G無線通信接入方面，除符合已有5G通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求[14]。

“5G+智能礦山”的部署架構(gòu)如圖1所示。5G核心網(wǎng)部署在礦井上，通過地面交換機(jī)（SPN）與地面5G基站連接；利用井下交換機(jī)實(shí)現(xiàn)地面5G基站與井下5G基站的連接；礦用5G智能終端與井下5G基站通過無線方式連接。其中，礦用5G智能終端包括礦用5G智能手機(jī)、5G平板電腦、5G傳感器、5G網(wǎng)關(guān)、5G高清攝像頭、5G智能礦燈和5G可穿戴智能設(shè)備等。礦用5G智能終端通過基站和核心網(wǎng)與包含管控平臺(tái)的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和共享。

圖1 “5G+智能礦山”的部署架構(gòu)Fig. 1 Deployment architecture of "5G + intelligent mine"

1.1 消息基本概念

1.1.1 消息類型

礦用5G系統(tǒng)中傳輸?shù)南㈩愋屯ǔ７譃锽YTE型、WORD型、DWORD型、MDWORD型、FLOAT型等，不同類型消息的定義及最高占用的字節(jié)數(shù)不同，見表1。

1.1.2 消息傳輸格式

對(duì)于礦用5G系統(tǒng)中的消息，其傳輸協(xié)議一般采用小端模式（little-endian）的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序來傳遞字和雙字。對(duì)于表1中定義的字節(jié)，需要進(jìn)行如下約定：

1） 對(duì)于單字節(jié)（BYTE）的傳輸，按照字節(jié)流的方式傳輸。

2） 對(duì)于雙字節(jié)（WORD）的傳輸，先傳遞低8位，再傳遞高8位。

3） 對(duì)于4字節(jié)（DWORD）的傳輸，先傳遞低8位，后傳遞高8位，再傳遞高16位，最后傳遞高24位。

4） 對(duì)于4字節(jié)（FLOAT）的傳輸，先傳遞高8位，再傳遞高16位，最后傳遞高24位。

5） 對(duì)于8字節(jié)（DOUBLE）的傳輸，先傳遞高8位，再傳遞高16位，隨后傳遞高24位及高32位，再傳遞高40位，最后傳遞高56位。

6） 對(duì)于8字節(jié)（INT64）的傳輸，先傳遞高8位，隨后傳遞高16位，然后傳遞高24位，接著傳遞高32位，再傳遞高40位，最后傳遞高56位。

1.1.3 消息組成

消息結(jié)構(gòu)：標(biāo)志位-消息頭-消息體-校驗(yàn)碼-標(biāo)志位。

1） 標(biāo)志位：標(biāo)記數(shù)據(jù)包的起始位置。通常采用<回車>（0x0d）和<換行>（0x0a），若校驗(yàn)碼、消息頭及消息體中出現(xiàn)0x0a，則要進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理。

轉(zhuǎn)義處理過程：① 發(fā)送消息時(shí)。消息封裝→計(jì)算并填充校驗(yàn)碼→轉(zhuǎn)義。② 接收消息時(shí)。轉(zhuǎn)義還原→驗(yàn)證校驗(yàn)碼→解析消息。

2） 消息頭：表示消息的起始位置。消息頭內(nèi)容見表2。

3） 消息體：表示消息內(nèi)容。消息體屬性格式結(jié)構(gòu)：1-9位，消息體長度；10-12位，數(shù)據(jù)加密方式；13-15位，保留。

考慮到信息的安全性問題，需要對(duì)消息進(jìn)行加密處理。針對(duì)不同的比特位，加密方式：10-12位為數(shù)據(jù)加密標(biāo)志位；當(dāng)10-12位都為0，表示消息體不加密；當(dāng)10位為1，表示消息體經(jīng)過RSA算法加密；其他保留。

4） 校驗(yàn)碼：一種識(shí)別、校驗(yàn)消息是否安全的一串碼字。從消息頭開始，同后一字節(jié)異或，直到校驗(yàn)碼前一個(gè)字節(jié)，通常使用1個(gè)字節(jié)表示。

1.2 消息連接

在礦用5G智能終端和管控平臺(tái)之間的消息傳遞過程中，可以實(shí)現(xiàn)消息的連接建立、消息的連接維持及消息的連接斷開。

1.2.1 連接建立

礦用5G智能終端與管控平臺(tái)的信息傳遞通常采用TCP方式連接。在礦用5G智能終端復(fù)位后應(yīng)盡快與管控平臺(tái)建立連接，連接建立成功后，立即向管控平臺(tái)發(fā)送礦用5G智能終端的鑒權(quán)消息進(jìn)行鑒權(quán)，以確定礦用5G智能終端的身份。

1.2.2 連接維持

礦用5G智能終端與管控平臺(tái)連接建立并確定礦用5G智能終端鑒權(quán)成功后，若此時(shí)礦用5G智能終端沒有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，可周期性地向管控平臺(tái)發(fā)送礦用5G智能終端的心跳消息，管控平臺(tái)收到后向礦用5G智能終端發(fā)送通用的應(yīng)答消息，以維持與礦用5G智能終端的連接。對(duì)于心跳信息，其發(fā)送周期由礦用5G智能終端自行決定。

1.2.3 連接斷開

對(duì)于采用TCP協(xié)議的連接方式，支持礦用5G智能終端與管控平臺(tái)的主動(dòng)斷開連接方式。此時(shí)，礦用5G智能終端與管控平臺(tái)都可以主動(dòng)判斷TCP連接是否斷開。

當(dāng)管控平臺(tái)判斷TCP連接是否斷開時(shí)，支持如下方法。

1） 管控平臺(tái)根據(jù)TCP協(xié)議判斷礦用5G智能終端已經(jīng)主動(dòng)斷開。

2） 若礦用5G智能終端與其他管控平臺(tái)已經(jīng)建立了新連接，管控平臺(tái)確認(rèn)與該礦用5G智能終端的連接已斷開。

3） 當(dāng)管控平臺(tái)在一定時(shí)間內(nèi)未收到礦用5G智能終端發(fā)出的消息（如心跳消息），則確定該礦用5G智能終端與管控平臺(tái)TCP連接斷開。

當(dāng)?shù)V用5G智能終端判斷TCP連接是否斷開時(shí)，支持如下方法。

1） 礦用5G智能終端根據(jù)TCP協(xié)議判斷與管控平臺(tái)的連接是否斷開。

2） 當(dāng)?shù)V用5G智能終端與管控平臺(tái)的通信鏈路斷開時(shí)，可確認(rèn)TCP連接已經(jīng)斷開。

3） 礦用5G智能終端與管控平臺(tái)通信時(shí)，確認(rèn)數(shù)據(jù)通信鏈路正常，但在周期時(shí)間段內(nèi)，重傳的次數(shù)超過預(yù)設(shè)門限，且仍未收到應(yīng)答消息時(shí)，礦用5G智能終端確認(rèn)與管控平臺(tái)的TCP連接已經(jīng)斷開。

2 5G系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型及應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 數(shù)據(jù)類型

2.1.1 語音數(shù)據(jù)

語音數(shù)據(jù)可用于生產(chǎn)調(diào)度場(chǎng)景中，隨著5G系統(tǒng)在礦山領(lǐng)域的普及，除了支持VoLTE或VoIP等模式外，也可使用VoNR技術(shù)進(jìn)一步提升語音通話質(zhì)量，降低掉話率。

為進(jìn)一步降低語音系統(tǒng)的復(fù)雜度，支持5G無線通信系統(tǒng)的礦用5G智能終端可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)插、強(qiáng)拆、監(jiān)聽、轉(zhuǎn)接、代接、組呼、廣播、禁話等調(diào)度功能，即實(shí)現(xiàn)基于VoIP、VoLTE、VoNR等的語音調(diào)度功能。

2.1.2 視頻數(shù)據(jù)

視頻數(shù)據(jù)具有高速率的特點(diǎn)，對(duì)于部署大量攝像頭的智能綜采面和智能掘進(jìn)面，可用于視頻監(jiān)控和AI分析等場(chǎng)景中，通過H.264（AVC）或H.265（HEVC）等協(xié)議，利用5G技術(shù)，實(shí)時(shí)將信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

實(shí)際上，面向智能礦山領(lǐng)域中的工業(yè)視頻設(shè)備主要用于煤礦井下巷道、工作面、變電所、膠帶運(yùn)輸區(qū)等各類圖像監(jiān)控與行為識(shí)別場(chǎng)所。

采用H.264協(xié)議的礦用5G視頻數(shù)據(jù)傳輸，可支持幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼、幀間預(yù)測(cè)編碼、整數(shù)離散余弦變換編碼和熵編碼等。礦用5G視頻數(shù)據(jù)在傳輸之前，編碼的VCL數(shù)據(jù)被映射或封裝進(jìn)NAL單元中。

采用H.265協(xié)議進(jìn)行礦用5G視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用VCL層對(duì)礦用5G視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并使用NAL層對(duì)礦用5G視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分和封裝。

2.1.3 傳感數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 36962—2018《傳感數(shù)據(jù)分類與代碼》[15]中的定義，傳感數(shù)據(jù)表示由感知設(shè)備或傳感設(shè)備感受、測(cè)量及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)包容量小、時(shí)延低、可靠性高等特點(diǎn)。使用支持5G功能的傳感設(shè)備實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地收集和測(cè)量數(shù)據(jù)（如振動(dòng)、溫濕度等），并利用5G系統(tǒng)將收集和測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳至5G基站，再通過5G基站傳至核心網(wǎng)及各類服務(wù)器。

傳感數(shù)據(jù)一般用于智能工作面和智能掘進(jìn)面等場(chǎng)景。傳感數(shù)據(jù)的傳輸通常可采用MQTT或Modbus 2種協(xié)議，且不同類型的礦用5G智能終端均可采用上述任意一種協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線接入。

采用MQTT協(xié)議傳輸?shù)牡V用5G傳感數(shù)據(jù)所支持的3種QoS等級(jí)見表3。

采用MQTT協(xié)議的礦用5G系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)可分成單測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)、多測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)和心跳包傳感器數(shù)據(jù)3種，其中單測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)和多測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)報(bào)文一般采用json格式。

對(duì)于面向工業(yè)領(lǐng)域的通信方式，通常將Modbus TCP協(xié)議用于連接工業(yè)電子設(shè)備。工業(yè)電子設(shè)備可具備多種電氣接口，其中，物理接口采用LAN接口，端口號(hào)可設(shè)置為502。使用Modbus TCP協(xié)議的工業(yè)電子設(shè)備采用包括主站和從站的主從模式，從站為服務(wù)方，用于應(yīng)答主站的數(shù)據(jù)召喚。

對(duì)于Modbus TCP協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀，可分為報(bào)文頭和幀結(jié)構(gòu)2個(gè)部分。報(bào)文頭由“事務(wù)處理標(biāo)志”“協(xié)議標(biāo)志”“長度標(biāo)志”“單元標(biāo)志”構(gòu)成，一般占用占7個(gè)字節(jié)。“事務(wù)處理標(biāo)志”占2個(gè)字節(jié)，表示報(bào)文的序列號(hào)，一般情況下，每次通信之后加1；“協(xié)議標(biāo)志”占2個(gè)字節(jié)，使用“00”表示Modbus TCP協(xié)議；“長度標(biāo)志”占2個(gè)字節(jié)，表示數(shù)據(jù)長度；“單元標(biāo)志”占1個(gè)字節(jié)，表示設(shè)備地址。幀結(jié)構(gòu)由“功能碼”和“數(shù)據(jù)”構(gòu)成。“功能碼”占1個(gè)字節(jié)，而“數(shù)據(jù)”占用的字節(jié)個(gè)數(shù)取決于具體的功能實(shí)現(xiàn)。Modbus TCP協(xié)議通常支持8個(gè)功能碼，對(duì)應(yīng)“線圈、離散輸入、輸入寄存器、保持寄存器”等對(duì)象的讀寫操作。

在傳感數(shù)據(jù)交互方面，包括“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”和“數(shù)據(jù)響應(yīng)”2個(gè)部分。傳感數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”功能碼包括“讀線圈狀態(tài)”“讀離散輸入狀態(tài)”“讀輸入寄存器”“讀保持寄存器”等。“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”的幀結(jié)構(gòu)和全幀結(jié)構(gòu)分別可使用4個(gè)字節(jié)和12個(gè)字節(jié)表示。“數(shù)據(jù)響應(yīng)”的幀結(jié)構(gòu)使用4個(gè)字節(jié)表示，“數(shù)據(jù)響應(yīng)”的全幀結(jié)構(gòu)的字節(jié)數(shù)取決于寄存器和線圈數(shù)量。

2.1.4 控制類數(shù)據(jù)

礦山領(lǐng)域中的控制類數(shù)據(jù)傳輸具備低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)，可用于工作面中的采煤機(jī)遠(yuǎn)控、掘進(jìn)面中的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)控、輔助運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景。礦用5G系統(tǒng)控制類數(shù)據(jù)可采用Modbus、OPC或MQTT等協(xié)議傳輸，也可采用CANopen、EtherCAT、IEC 104等傳輸協(xié)議。

MQTT協(xié)議滿足ISO/IEC 20922:2016[16]，Modbus協(xié)議滿足GB/T 41868—2022《Modbus TCP安全協(xié)議規(guī)范》[17]，EtherCAT協(xié)議滿足GB/T 36006—2018《控制與通信網(wǎng)絡(luò)Safety-over-EtherCAT規(guī)范》[18]。IEC 104協(xié)議滿足DL/T 634.5104—2009《運(yùn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5-104部分：傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議集的IEC 60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問》[19]，由國際電工委員會(huì)制定，為遠(yuǎn)動(dòng)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸提供了通信規(guī)約依據(jù)。采用104規(guī)約組合101規(guī)約的ASDU的方式后，可很好地保證規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化和通信的可靠性。

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

面向礦山智能化建設(shè)，礦用5G智能終端既可用于露天礦，也可用于井工礦。利用先進(jìn)的5G通信技術(shù)，可傳輸語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)和控制類數(shù)據(jù)等。

不同應(yīng)用場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)類型見表4。

表4 不同應(yīng)用場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)類型Table 4 Data types in different application scenarios

面向露天礦，礦用5G智能終端應(yīng)用的場(chǎng)景包括輔助駕駛和礦山數(shù)字孿生等子場(chǎng)景。在輔助駕駛子場(chǎng)景中，利用5G蜂窩通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦卡與5G基站、礦卡與5G智能終端的通信。其中，通過將5G網(wǎng)關(guān)部署至礦卡，可以實(shí)現(xiàn)礦卡與礦卡之間的車聯(lián)網(wǎng)通信，以解決傳統(tǒng)5G蜂窩通信下的高負(fù)載問題。輔助駕駛場(chǎng)景中，通信的收發(fā)端之間以語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、控制類數(shù)據(jù)為主。通過語音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)下達(dá)，通過視頻數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控礦卡的行駛路線，控制類數(shù)據(jù)主要用于傳輸一些對(duì)時(shí)延要求低的控制信令，以保證語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等的傳輸。在礦山數(shù)字孿生子場(chǎng)景中，主要利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)中心平臺(tái)、物理模型和孿生模型之間的數(shù)據(jù)傳輸，該場(chǎng)景主要傳輸語音數(shù)據(jù)、控制類數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，一方面可通過中心平臺(tái)構(gòu)建與物理模型的數(shù)字孿生模型，另一方面也可通過在數(shù)字孿生環(huán)境中進(jìn)行相應(yīng)的操作和仿真，對(duì)物理模型進(jìn)行試錯(cuò)和可行性分析。

面向井工礦，礦用5G智能終端應(yīng)用的場(chǎng)景包括遠(yuǎn)程控制、智能探測(cè)、智能開采和智能掘進(jìn)等子場(chǎng)景。無論是綜采工作面還是掘進(jìn)工作面，都需要遠(yuǎn)程控制和智能探測(cè)。在遠(yuǎn)程控制子場(chǎng)景中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、控制類數(shù)據(jù)；在智能探測(cè)子場(chǎng)景中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括傳感數(shù)據(jù)和控制類數(shù)據(jù)；在智能開采及智能掘進(jìn)子場(chǎng)景中，不但需要傳輸語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、控制類數(shù)據(jù)，還需要傳輸一些傳感數(shù)據(jù)。

3 礦用5G智能終端數(shù)據(jù)交互

礦用5G智能終端與管控平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在支持5G網(wǎng)絡(luò)的情況下，礦用5G智能終端采用插拔式SIM/USIM卡或焊接式SIM卡的方式通過5G基站接入5G核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸。在通信方面，礦用5G智能終端支持5G/4G雙模及WiFi網(wǎng)絡(luò)通信等。對(duì)于支持5G系統(tǒng)的礦用5G智能終端，可支持SA或NSA工作模式，礦用5G智能終端使用頻段滿足YD/T 3627—2019《5G數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng) 增強(qiáng)移動(dòng)寬帶終端設(shè)備技術(shù)要求（第一階段）》[20]要求，包括工作模式、各通信協(xié)議層所支持的基本功能要求、射頻指標(biāo)、接口要求和安全要求等。對(duì)于應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域的5G智能終端，其所在電路上的總發(fā)射功率應(yīng)不高于6 W，這在一定程度上限定了礦用5G智能終端的發(fā)射功率，對(duì)礦用5G智能終端的射頻指標(biāo)提出了特殊要求。

3.1 礦用5G智能終端和管控平臺(tái)能力

礦用5G智能終端首先應(yīng)具備Web管理、APN配置、用戶名密碼設(shè)置和更改、認(rèn)證等能力，此外，也應(yīng)具備重啟、復(fù)位、通過Web升級(jí)、通過Web前端或平臺(tái)遠(yuǎn)程發(fā)送AT指令等能力，具備升級(jí)文件下發(fā)、從平臺(tái)接收升級(jí)文件及上報(bào)接收進(jìn)度、完成版本校驗(yàn)及升級(jí)等能力，對(duì)于可設(shè)置的以太網(wǎng)口，包含了IP地址、掩碼、DHCP Server等信息。在日志采集方面，礦用5G智能終端具備采集日志、接收平臺(tái)下發(fā)的采集指令及上報(bào)當(dāng)前終端日志信息等能力。在協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)方面，礦用5G智能終端支持三層轉(zhuǎn)發(fā)或二層轉(zhuǎn)發(fā)：三層轉(zhuǎn)發(fā)能力方面，具備網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、上行地址轉(zhuǎn)換、端口映射和DMZ等能力外，還具備從核心網(wǎng)訪問多個(gè)終端以太網(wǎng)口設(shè)備的能力；二層轉(zhuǎn)發(fā)能力方面，可支持使用5G LAN技術(shù)。

管控平臺(tái)具備礦用5G智能終端管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)服務(wù)等功能。隨著富通信業(yè)務(wù)的普及，可為礦用5G智能終端提供多種即時(shí)通信系統(tǒng)，為所有運(yùn)營商下屬的終端用戶提供服務(wù)，用戶可了解地址簿中的服務(wù)能力，富通信業(yè)務(wù)的QoS等級(jí)通過運(yùn)營商提供。富通信業(yè)務(wù)基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體系統(tǒng)），由3GPP制定并被移動(dòng)網(wǎng)和固網(wǎng)采用，富通信業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)特征與業(yè)務(wù)要求滿足YD/T 3561—2019《富通信業(yè)務(wù)（RCS）總體技術(shù)要求（第二階段）》[21]。

在礦用5G系統(tǒng)中交互的數(shù)據(jù)多產(chǎn)生于外部服務(wù)器。同時(shí)，目前的5G核心網(wǎng)支持非3GPP接入網(wǎng)通過應(yīng)用程序功能實(shí)體接入，實(shí)現(xiàn)與5G系統(tǒng)下各類終端、基站的數(shù)據(jù)交互。礦用5G智能終端與管控平臺(tái)之間數(shù)據(jù)交互的通信鏈路如圖2所示。礦用5G智能終端通過無線方式將數(shù)據(jù)通過Uu接口發(fā)送至5G基站，5G基站通過有線方式將該數(shù)據(jù)發(fā)送至核心網(wǎng)（如發(fā)送至用于數(shù)據(jù)處理的UPF（User Port Function，用戶平面功能）單元），核心網(wǎng)將該數(shù)據(jù)發(fā)送至包含管控平臺(tái)的服務(wù)器。

數(shù)據(jù)分析方面，用于對(duì)數(shù)據(jù)抖動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)傳輸速率等的分析功能，可引入AI算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；數(shù)據(jù)共享方面，通常用于實(shí)現(xiàn)5G與其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，如5G與LTE、5G與WiFi等；數(shù)據(jù)服務(wù)方面，無論是管控平臺(tái)還是各類基站，可為各類礦用5G智能終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)顯示方面，使用Web顯示RSRP、RSRQ、SINR、IMSI、PLMN、礦用5G智能終端IP、在線狀態(tài)、在線時(shí)間、在線時(shí)長等參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)交互流程

礦用5G智能終端與管控平臺(tái)數(shù)據(jù)交互時(shí)的流程包括設(shè)備信息查詢與上報(bào)、設(shè)備升級(jí)、日志采集、告警下發(fā)及處理和平臺(tái)配置下發(fā)及處理等。

1） 設(shè)備信息查詢與上報(bào)。通常由礦用5G智能終端訂閱，并由管控平臺(tái)向礦用5G智能終端發(fā)布。礦用5G智能終端進(jìn)行信息查詢后，可將軟件版本、終端IP地址等信息進(jìn)行上報(bào)；在網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)上報(bào)方面，礦用5G智能終端可向管控平臺(tái)上報(bào)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和瞬時(shí)速率。

2） 設(shè)備升級(jí)。礦用5G智能終端設(shè)備升級(jí)包括版本文件推送和版本文件傳輸進(jìn)度上報(bào)2個(gè)部分。由礦用5G智能終端訂閱，并由管控平臺(tái)向礦用5G智能終端發(fā)布。

3） 日志采集。日志采集包括日志采集通知和日志采集進(jìn)度上報(bào)2個(gè)部分。日志采集通知由礦用5G智能終端訂閱，并由管控平臺(tái)向礦用5G智能終端發(fā)布；日志采集進(jìn)度上報(bào)由礦用5G智能終端訂閱，并由管控平臺(tái)使用日志采集通知的地址及端口號(hào)，創(chuàng)建SOCK_STREAM向礦用5G智能終端發(fā)送。

4） 告警下發(fā)及處理。告警下發(fā)及處理包括告警下發(fā)和告警處理結(jié)果上報(bào)2個(gè)部分。由礦用5G智能終端訂閱，并由管控平臺(tái)向礦用5G智能終端發(fā)布。

5） 平臺(tái)配置下發(fā)及處理。實(shí)際包括平臺(tái)的配置下發(fā)和配置下發(fā)處理及結(jié)果上報(bào)3個(gè)部分，由礦用5G智能終端訂閱，并由管控平臺(tái)向礦用5G智能終端發(fā)布。

此外，對(duì)于礦用5G智能終端與搭載管控平臺(tái)的PC系統(tǒng)之間AT命令的數(shù)據(jù)交互，其概述、類型及語法需要符合標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 27.005（R15）和3GPP TS 27.007（R15）協(xié)議等的要求。通用命令、呼叫控制命令、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相關(guān)命令、終端控制和狀態(tài)命令、終端錯(cuò)誤命令、分組域命令、短信模式指令一般基于YDT 3988—2021《5G通用模組技術(shù)要求（第一階段）》[22]中規(guī)定的要求進(jìn)行配置。

4 礦用5G智能終端數(shù)據(jù)共享

對(duì)于礦用5G系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要在不同礦用5G智能終端、礦用5G智能終端與礦用5G基站、不同礦用5G基站、礦用5G智能終端與非5G智能終端等實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。對(duì)于非5G智能終端與礦用5G智能終端的通信，待共享的數(shù)據(jù)通過AF（Application Function，應(yīng)用功能）實(shí)體接入5G核心網(wǎng)，與5G系統(tǒng)中的各類終端、基站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4.1 數(shù)據(jù)共享參與實(shí)體

數(shù)據(jù)提供者負(fù)責(zé)采集和提供數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)決策者可識(shí)別數(shù)據(jù)等級(jí)以決策數(shù)據(jù)是否需要共享；數(shù)據(jù)管理者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、更新、檢查、組織和管理，用于確定共享數(shù)據(jù)的適用范圍、權(quán)限和安全等級(jí)，并向數(shù)據(jù)提供者反饋和核實(shí)；數(shù)據(jù)消費(fèi)者向數(shù)據(jù)管理者請(qǐng)求獲取共享數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)共享安全等級(jí)

考慮到業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求不同，需要對(duì)共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全等級(jí)劃分，包括無條件共享、有條件共享和不予共享。

無條件共享數(shù)據(jù)的安全等級(jí)最低，數(shù)據(jù)提供者可對(duì)任何數(shù)據(jù)消費(fèi)者提供數(shù)據(jù)。有條件共享數(shù)據(jù)的安全等級(jí)中等，數(shù)據(jù)管理者需要確定數(shù)據(jù)的共享權(quán)限和范圍，經(jīng)數(shù)據(jù)決策者確定，將滿足數(shù)據(jù)共享的權(quán)限和范圍發(fā)送給數(shù)據(jù)提供者，數(shù)據(jù)提供者為數(shù)據(jù)消費(fèi)者提供數(shù)據(jù)。不予共享數(shù)據(jù)的安全等級(jí)最高，數(shù)據(jù)提供者不能向任何數(shù)據(jù)消費(fèi)者提供數(shù)據(jù)。

為了降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率，礦用5G智能終端和管控平臺(tái)具備雙向同步功能。礦用5G智能終端與管控平臺(tái)、管控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)共享使用5G無線通信協(xié)議及有線通信協(xié)議。

4.3 數(shù)據(jù)共享流程

數(shù)據(jù)共享流程如圖3所示。

1） 數(shù)據(jù)匯聚。數(shù)據(jù)匯聚時(shí)，數(shù)據(jù)提供者負(fù)責(zé)向數(shù)據(jù)管理者提出數(shù)據(jù)匯聚請(qǐng)求，請(qǐng)求通過后，數(shù)據(jù)決策者對(duì)共享數(shù)據(jù)的權(quán)限、范圍進(jìn)行確定，數(shù)據(jù)管理者負(fù)責(zé)梳理共享數(shù)據(jù)的目錄和信息，數(shù)據(jù)提供者負(fù)責(zé)提供共享數(shù)據(jù)。

2） 數(shù)據(jù)申請(qǐng)。數(shù)據(jù)申請(qǐng)包括共享數(shù)據(jù)的初次申請(qǐng)和更新申請(qǐng)。初次申請(qǐng)中，數(shù)據(jù)消費(fèi)者向數(shù)據(jù)提供者發(fā)送數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求，共享請(qǐng)求中包含申請(qǐng)數(shù)據(jù)共享的數(shù)據(jù)名稱、類型、應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)使用時(shí)間、調(diào)用頻率等信息。更新申請(qǐng)中，數(shù)據(jù)消費(fèi)者向數(shù)據(jù)提供者發(fā)送共享數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求，共享數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求中包含共享數(shù)據(jù)更新的數(shù)據(jù)名稱、類型、應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)使用時(shí)間、調(diào)用頻率等信息，同時(shí)，也可包含共享數(shù)據(jù)更新原因。

3） 數(shù)據(jù)授權(quán)。基于共享數(shù)據(jù)的安全等級(jí)，由數(shù)據(jù)決策者確定數(shù)據(jù)是否需要共享，并由數(shù)據(jù)管理者確定數(shù)據(jù)的共享權(quán)限、范圍。

4） 數(shù)據(jù)提供。數(shù)據(jù)提供者基于數(shù)據(jù)決策者的決策結(jié)果，通過5G無線通信協(xié)議或有線通信協(xié)議向數(shù)據(jù)消費(fèi)者提供共享數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理者對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤、分析和控制。

5） 數(shù)據(jù)反饋。首先，數(shù)據(jù)消費(fèi)者向數(shù)據(jù)管理者反饋共享數(shù)據(jù)的問題；其次，數(shù)據(jù)管理者根據(jù)共享數(shù)據(jù)的問題，整理、更新和修正數(shù)據(jù)；然后，數(shù)據(jù)決策者執(zhí)行判決；最后，通過數(shù)據(jù)提供者向數(shù)據(jù)消費(fèi)者提供更新的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

目前，5G在礦山領(lǐng)域已經(jīng)開始普及，但對(duì)于礦山領(lǐng)域中各類實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交互和共享流程、傳輸協(xié)議等，暫無相關(guān)研究。基于此，介紹了數(shù)據(jù)交互和共享過程中涉及的參與實(shí)體和數(shù)據(jù)類型。在數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用方面，基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，并給出了不同子場(chǎng)景所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型。考慮到各廠商生產(chǎn)的礦用5G智能終端和管控平臺(tái)類型不同，統(tǒng)一規(guī)范化了各類終端和管控平臺(tái)具備的能力。面向礦用5G智能終端和管控平臺(tái)，提出了數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)共享的具體實(shí)施流程，在保證通信可靠性的同時(shí)，降低了5G系統(tǒng)的復(fù)雜度，以加速“5G+智能礦山”的建設(shè)。