5G智慧礦山的關鍵技術和創新應用

摘 要：隨著生產智能化的推進，5G網絡技術在智慧礦山中的應用成為行業內的研究熱點。智能化控制對通信網絡提出了極高的要求，原先的4G通信網絡不足以滿足產業智能化升級對通信網絡的延時性、移動性、可靠性、終端接入數量、抗干擾等方面的嚴格要求，5G通信網絡所具有的低延時、高移動性、高可靠性、抗干擾強、支持海量終端接入的特點，完全可滿足工業互聯網智能化產業升級對通信網絡的需求。基于實際項目的需求，深入討論了5G在鐵礦智能化升級中的一些關鍵技術，系統性地給出了5G專網在鐵礦中的實施方案，實施結果證明了方案的可行性。同時，在5G專網下結合實際作業中的一些問題，重點研究了智能化監控、管理相關的創新應用，以此來提升礦山作業的安全性和生產效率，推動礦山行業的智能化發展。研究結果對進一步推進我國5G+工業互聯網建設具有重要的參考價值。

關鍵詞：5G專網 智慧礦山 智能化監控，工業互聯網 移動通信

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A

Key Technologies and Innovation Applications of 5G Smart Mines

WANG Fabao

Huainan Branch， China United Network Communications Corporation， Huainan， Anhui Province， 232000 China

Abstract：With the advancement of intelligent production， the application of 5G network technology in smart mines has become a research hotspot in the industry. Intelligent control puts forward extremely high requirements on communication networks. The original 4G communication network is not enough to meet the strict requirements of industrial intelligent upgrading on communication network delay， mobility， reliability， terminal access number， anti-interference and other aspects. The 5G communication network has the characteristics of low delay， high mobility， high reliability， strong anti-interference， and support for mass terminal access. It can fully meet the needs of communication networks for industrial Internet intelligent industry upgrading. Based on the needs of actual projects， this paper deeply discusses some key technologies of 5G in the intelligent upgrading of iron mines， systematically presents the implementation scheme of 5G private network in iron mines， and the implementation results prove the feasibility of the scheme. At the same time， in combination with some problems in practical operations under the 5G private network， the innovative applications related to intelligent monitoring and management are focused on， so as to improve the safety and production efficiency of mining operations and promote the intelligent development of the mining industry. The research results have important reference value for further promoting the construction of 5G+ industrial Internet in China.

Key Words： 5G private network;Smart mines; Intelligent monitoring;Industrial Internet; Mobile communication

作為傳統的重工業，礦山行業長期面臨著諸多的問題，如生產安全風險高、生產效率低、環境污染嚴重等。為了解決這些問題，智能化升級改造已經成為礦山行業重點發展的方向。5G技術具有大帶寬、低時延和大連接的優點，靈活的網絡架構更容易與云平臺、大數據和人工智能等新技術融合，能夠為智能礦山提供安全、可靠、可控的數據通信網絡，是各個行業智能化升級的關鍵技術[1]。

采礦行業“5G+工業互聯網”工作會議明確指出采礦業要加強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。結合礦山現有的信息化基礎，針對礦山作業的實際需求和特點，研究智慧礦山中的5G關鍵技術、網絡部署方案和創新應用具有非常重要的指導意義。

在當前的形勢下，針對鐵礦行業5G智能化升級改造的實際項目，本文從實際工程實施的角度深入研究了相關的關鍵技術，系統地論證了5G專網的實施方案，結合實地作業中的一些問題，進行了一些創新應用的嘗試，有效地解決了這些問題，這些研究成果對于鐵礦智能化建設具有非常有用的參考價值。

關鍵技術

金屬礦山的智能化主要體現在海量數據的采集、分析和決策，根據決策對海量設備進行智能化的控制。智能化的基礎是數據傳輸網絡的寬帶化，通過大容量、低時延、海量連接的網絡采集數據、交換信息、下發指令。針對實際作業需求，本節重點討論金屬礦山網絡寬帶化中的一些關鍵技術。

5G專網技術

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。

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1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。

5G具有比4G更高的吞吐率。5G的載波帶寬比4G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，如設備的遠程實時控制等。

另外，5G還能更好地實現了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。

在國家《“5G+工業互聯網”512工程推進方案》的引領下[2]，中國聯通針對不同客戶、不同場景提出了如下三種5G專網組網模式。

虛擬專網：利用公網切片技術，為行業客戶組成一個邏輯上獨立的虛擬專網，特點是部署快、成本低、運維簡單。

獨立專網：利用公網頻譜，行業客戶獨立建設5G專網，包括核心網、傳輸網和接入網，物理上與公網隔離，專網專用，特點是安全、可靠和可控，但是前期成本較高，企業運維難度大。

混合專網：是以上兩種模式的折中，通常是數據面網元UPF會下沉到客戶園區就地部署，保證企業數據的安全性，部署速度、建設成本和后期運維都比較適中，但由于控制面在運營商機房，網絡的可靠性、可控性仍然存在潛在的風險。

考慮生產和運營的數據需要在5G網絡中傳輸，對網絡的安全性、可靠性和可控性要求非常高，因此，獨立專網成為5G智慧礦山行業的首選組網方案。

獨立專網需要將企業級5G核心網和多媒體子系統（IMS）下沉部署在企業園區，對園區的基礎設施要求比較高，同時為了保證核心網的可靠性，增加了異地容災、備份的功能。

萬兆環網技術

5G基站部署在礦下，核心網等網元和企業綜合管理平臺部署在礦上，礦上和礦下之間的主干傳輸網絡的負荷隨著海量終端的接入會大幅提升，因此有必要對主干環網進行升級改造，以適應智慧礦山中長期業務的要求。

關鍵節點升級萬兆核心交換機，提升關鍵節點的網絡傳輸容量和接入能力。

基于整體業務容量需求，合理規劃環網交換機安裝位置及數量，增加必要的網絡分支，便于各種工作終端的就近接入，方便施工，節約光纖資源。

考慮5G基站的同步功能需求，環網需要支持1588網絡同步協議。

最后在盡可能不影響生產的情況下，對新舊環網進行無縫切換，確保環網的數據負載能力，提升環網的可靠性。

作為主干傳輸網絡，萬兆環網的方案設計和部署施工是整個5G專網成敗的關鍵，可以充分借鑒運營商公網中成熟的技術和經驗，確保智慧礦山萬兆環網順利升級、穩定運行[3]。

小區合并和分裂技術

由于礦下復雜的地形環境以及礦石對無線信號的吸收，單個射頻單元的覆蓋范圍有限，因此單個基站需要連續安裝多個射頻單元，從而擴大整體覆蓋范圍，如圖1所示。

通過小區合并技術，將多個連續部署的射頻單元合并成一個小區，當終端在這些射頻單元之間移動的時候，不需要進行頻繁的切換，保證信號的穩定性。同時，對多個射頻單元的接收信號進行射頻和基帶兩級合并，增加分集接收的增益，提升整體的接收性能。

通過小區分裂技術[4]，將多個射頻單元簇劃分成多個小區，以此提升單個基站的系統容量。

每個基帶單元最多連接4個擴展單元，每個擴展單元最多連接8個射頻單元，通過網管系統，可以根據需要靈活地配置小區數量和對應的射頻單元簇，以適應不同的業務需求。

通過5G核心網網元在企業的下沉式部署，實現了廠區的全業務本地處理，數據和控制面信令均不出園區，確保了數據的安全性。5G專網多級可靠性保障，達到5個9高可用。數據配置本地化處理，快速響應業務對網絡的定制化需求。通過專用網管的部署，實現了業務自主管理，本地用戶數據自主可控，可以實現廠區的網元狀態、告警、話統、跟蹤、升級等維護功能。設備狀態全部具有可視化運維手段，實時了解設備狀態，網絡運維簡易輕松。

實施方案和結果

基于上述關鍵技術的研究，針對安徽某5G智慧鐵礦項目，本節重點論證5G智慧鐵礦系統的實施方案。

系統方案

5G智慧鐵礦系統采用分層架構，由應用層、核心網、傳輸網（萬兆環網）、5G接入網和終端組成，采用標準的接口協議，具有較強的靈活性、開放性和擴展性[5]，系統架構如圖2所示。

應用層：包括企業級對講平臺（POC）、視頻監控平臺、GIS定位/地圖平臺以及MES管理平臺等，通過融合通信平臺實現多網絡、多平臺的互聯互通。

核心網：包括企業級5G核心網，負責接入控制、移動性管理、無線資源管理、用戶及安全管理以及數據路由和轉發；企業級多媒體子系統IMS，負責提供VoNR語音業務；融合網管平臺，負責核心網、傳輸網和接入網網元的配置、告警和性能管理。

傳輸網：升級后的萬兆環網，負責核心網和接入網之間的數據傳輸和同步信號交換。

接入網：采用三級組網架構的擴展性5G基站設備，即基帶單元（BBU）、擴展單元（HUB）和微功率射頻單元（pRU）；通過復合電纜和光纖，單個基帶單元最多可以連接32個射頻單元，線性部署可以覆蓋距離可以達到6 km；按照礦安要求，這些網元設備都會部署在防爆殼中。

終端：主要包括5G工業路由器、專業防爆智能終端，根據作業現場的需求，也可以利用5G模組定制專用終端。

5G專網建設方案

5G專網是整個系統中最關鍵的部分，根據現場作業的要求，核心網、IMS和融合網管部署在礦區中央機房中，5G基站則部署在礦下，二者通過萬兆環網實現互聯互通，網絡架構如圖3所示[6]。

在中央機房部署兩套核心網，實現本地熱備份，確保關鍵網元的可靠性。對于萬兆環網的改造，礦山采用4臺10G交換機，兩兩熱備份、雙鏈路冗余，切換時間不超過50 ms，礦下采用5臺25G萬兆設備；環網設備支持1588V2協議和以太網同步協議，時鐘服務器通過環網實現對礦下5G基站的同步和授時功能。根據需要礦下部署2臺BBU，10套HUB和44個PRU，BBU通過光纖連接HUB，HUB通過復合電纜連接PRU，根據礦安標準要求，基站設備都裝在防爆殼中。

雙向鑒權機制保證終端接入的安全性，空口加密和IPSec功能保證數據端到端傳輸的安全性，本地化的融合網管保證了網絡設備的可控性，專網專用、重要網元實現熱備保證了網絡的可靠性。

5G專網技術優勢

具備超大容量

系統支持海量用戶接入，其中單基站單小區最大支持1 200接入用戶，最大支持400激活用戶，可根據客戶需要擴容進一步增加用戶容量。5G核心網設備一次性投入可多個區域復用，以2臺服務器搭建私有集群網絡為例，最大可以支持10萬用戶，20 G吞吐量[7]。

具備超大帶寬

系統典型端到端時延達到10 ms級別，結合邊緣計算技術，可達到更低的時延效果，可以滿足高精度機械控制，自動駕駛，XR/VR類業務等精密應用。另外，基站2T2R DDDSU典型單小區吞吐率最大值DL為840 Mbps，UL為180 Mbps。支持DSUUU超級上行，超級上行小區吞吐量最大值DL為300 Mbps，UL為700 Mbps。可滿足多路高清視頻回傳，海量數據傳輸等大數據應用。最后，基于5G網絡架構，5G網絡支持高速移動切換，保證數據在移動中傳輸不中斷，可以滿足車載移動監控視頻應用需求。

具備高安全性

整系統無線接入網（Radio Access Network，RAN）、網關、輕量化核心網、應用服務器均部署在本地專用區域由企業直接管理，企業礦井可發行用于私網訪問的SIM卡。在此環境下，私網用戶接入5GC核心網，支持AKA鑒權流程，以及完整性保護、加密流程，用戶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。用戶傳輸數據過程中，系統支持通過完整性保護和加密流程，保證用戶信令在傳輸過程中的正確性和私密性。

具備高可靠性

核心網采用異地熱容災備份，礦區部署5G核心網。通過構建以DC為中心的網絡云化平臺，部署基于云化架構的VNF。首先，引入跨DC部署，各個NF的冗余實例分散在不同的DC中；其次，各個NF的冗余實例分散在不同的資源池中。通過云化平臺和NFV技術，實現核心網的異地熱容災備份，顯著提升了系統的可靠性。而且，5G核心網的各網元也可以實現分布式部署，各網元也可以實現主從備份。網絡切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、網絡存儲功能（Network Repository Function，NRF）、統一數據管理（Unified Data Management，UDM）/鑒權服務功能（Authentication Server Function，AUSF）等網元采用1+1方式進行異地熱容災，策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）、用戶面功能（User Plane Function，UPF）等網元采用組POOL方式進行異地熱容災[8]。

驗收結果

經過3個月的試運行，整個網絡運行穩定、可靠，沒有出現重大的事故。其中，在各種場景下，環網單向延時小于20 ms，環網整體的可靠性達到99.99%；5G信號覆蓋好點比例達到96%，重點區域的RSRP不低于-90 dBm，上行吞吐率大于150 Mbps，端到端時延小于40 ms，視頻傳輸流暢無卡頓，滿足巡檢機器人遠程控制、電機車無人駕駛等業務要求。

創新應用

5G專網的建設和萬兆環網的升級，加快推進了礦山企業的數字化、智能化轉型，實現了少人、無人生產，降本增效的同時，也降低了事故風險產生的損失。在5G智慧礦山系統下，目前已經實現了自動駕駛、采掘機器人遠程控制、4K視頻遠程診斷等創新應用，對5G技術的工業化應用及“智慧礦山”建設具有引領作用和示范效應。

無人駕駛應用

礦下空間狹窄、環境復雜，人員長期在運輸礦物的火車上工作容易產生事故。利用5G專網的大帶寬和低時延的優點，實現地下采礦機車的無人駕駛，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[9]。

在無人電車上安裝5G工業路由器，向上接入5G專網，向下通過車載PLC網絡連接電車的控制系統，以及車上的攝像頭。電車的狀態信號和實時視頻通過5G專網回傳到礦上的控制平臺，控制平臺通過5G專網下發指令到電車，從而實現電車的遠程控制和無人駕駛。

采礦機器人遠程控制

相比人工采掘，礦山機器人的采掘效率大幅提升，工作時間也大幅延長，而且可以大幅降低事故造成的人員損失。目前，無論是軌道機器人，還是輪式機器人，都有著較大的作業活動范圍，對網絡覆蓋的連續性要求較高，同時安裝在機器人上的傳感設備越來越多，對網絡的吞吐量要求也是越來越高，對網絡的時延越來越敏感[10]。

4G和Wi-Fi已經無法滿足當前采掘機器人控制的要求，通過在機器人上安裝5G終端模組，通過5G專網實現對機器人的遠程控制，實際運行結果良好，如圖5所示。

5. 結語

傳統礦山向智能化發展成為當前行業趨勢，5G獨立專網能夠為智慧礦山提供安全、可靠、可控的高容量、低延時的無線網絡，實現海量終端的接入和海量數據的傳輸，是智能化決策的基礎。

基于智慧鐵礦改造升級項目，本文論述了5G獨立專網的必要性，給出了系統的實施方案，并且在5G專網基礎上進行了創新應用探索，為智慧鐵礦的建設積累了寶貴的經驗。

未來，5G網絡需要和其他網絡進行深度融合，統一的管理和運維是確保系統正常運行的關鍵。5G專網的目的是增效，因此，當海量數據采集上來之后，需要和AI技術加強融合，進一步提升企業的智能化管理和運營。

參考文獻

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