煤礦用5G 關鍵技術研究現狀與發展方向

摘要：結合現階段煤礦用5G 研究成果和應用實踐經驗，從煤礦用5G 專網組網架構、覆蓋優化、智能化應用場景構建3 個方面分析了煤礦用5G 關鍵技術研究現狀與發展方向。煤礦用5G 專網組網方面：煤炭集團級大規模組網和礦井獨立專網2 類模式可滿足煤礦用5G 系統建設部署需求。煤礦用5G 無線覆蓋增強方面：煤礦用5G 無線傳輸性能需要持續研究和提升，現階段宜采用低頻段（1 GHz 以下）多載波SUL（補充上行鏈路）進行煤礦用5G 的覆蓋優化；針對井下無線電波防爆安全功率閾值可能實現的突破和提高，需要通過同步提升煤礦用5G 基站與終端兩側的無線發射功率，方可實現煤礦用5G 系統整體覆蓋能力優化；需要開展基于6G RIS（可重構智能超表面）的煤礦用5G 覆蓋增強技術預研，為無線覆蓋能力提升提供進一步支撐。煤礦智能化5G 應用場景構建方面：需要開展礦用裝備與礦用通信領域的聯合技術攻關；研究基于煤礦用5G 的裝備遠程控制及未來裝備自主群體協同控制的信息物理映射；研究智能化應用的預期功能安全機制；研發小型化、輕量化及全面適配現場設備工業控制協議的煤礦用5G 模組。

關鍵詞：智能礦山通信；煤礦用5G；5G 專網；無線覆蓋；智能化5G 應用場景；礦井無線電波；防爆安全；可重構智能超表面；裝備遠程控制

中圖分類號：TD655 文獻標志碼：A

0 引言

2020 年，由國家發展改革委、能源局、應急部、煤監局、工信部、財政部、科技部、教育部8 部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》后，正式開啟了煤礦用5G 技術研究和系統裝備研發應用的進程。業界學者、科研單位、生產企業在煤礦用5G 技術及應用方面開展了深入的工作，主要聚焦在煤礦用5G 系統架構和技術攻關方向、無線傳輸與安全應用、應用場景構建、標準制定等方面。

在煤礦用5G 系統架構和技術攻關方向方面，目前研究形成并廣泛部署應用了獨立組網/獨立運行的專網核心網+骨干承載網+無線基站設備+終端設備的網絡架構。孫繼平[1]研究了煤礦智能化中礦用5G 技術特點和適用范圍，明確了礦用5G 系統的研發方向和原則，指出研發礦用5G 不僅僅是對現有地面5G 產品進行防爆改造。同時，孫繼平[2]研究了煤礦智能化與礦用5G 和網絡硬切片技術，指出了綜合承載網與網絡硬切片技術是支撐礦用5G 承載網的關鍵技術裝備。孟慶勇[3]研究了5G 技術在煤礦井下的應用架構，提出了煤礦用5G 系統部署方案。李晨鑫[4]研究了礦用5G 通信演進技術，指出RedCap輕量化模組、通信定位一體化等演進方向適用于煤礦5G 領域。

在煤礦用5G 無線傳輸與安全應用方面，孫繼平等[5]研究了礦用5G 頻段選擇及天線優化設置，指出無線傳輸面臨的關鍵問題和方案。常琳等[6]開展了煤礦5G 通信系統的安全性研究，提出了發射閾功率參數、電磁兼容、系統組網等方面具體的計算和測試方法。鄭小磊等[7]研究了煤礦5G 通信系統安全技術要求，明確了關鍵指標的檢驗方法。張立亞[8]研究了煤礦5G 通信系統的安全應用技術，提出了天線隔離電路輸出信號本安的關鍵設計。霍振龍[9]研究了礦井無線通信系統現狀與發展趨勢，指出隔爆兼本安型的煤礦用5G 基站設備使用不便且使用場合受限，應開展本安型煤礦用5G 基站設備的研發。

在煤礦用5G 應用場景構建方面，王國法等[10-11]針對5G 技術在煤礦智能化中的應用、煤礦無人化智能開采系統理論與技術開展了系統性研究，提出了基于5G 等無線通信技術開展智能感知控制的研究方向。范京道等[12]開展了采用5G 技術支撐智能化開采關鍵技術的探索，分析了5G 對于智能化開采的支撐優勢。李晨鑫等[13-15]系統研究了基于5G 的礦用裝備遠程控制技術，運用信息物理系統架構研究方法構建了5G+智能采煤/智能掘進/無人駕駛/智能主運等應用場景，提出了針對性的5G 資源調度方法，研究了基于5G 蜂窩車聯網的網聯式自動駕駛技術、基于5G 直連通信的礦井應急通信技術。顧義東[16]分析了采用煤礦用5G 技術進行智能掘進的感知、視頻監控和遠程控制等相關應用需求，研究了5G+智能化掘進的應用。

在煤礦用5G 標準制定方面，由于5G 技術設計之初主要面向公眾電信網絡的商用場景，未針對井下5G 應用特定需求開展專用底層技術制定，在煤礦用5G 先期開展建設的同時，逐步開展了相關行業標準的制定。《煤礦用5G 通信系統通用技術條件》等5 項中國能源行業標準目前正在報批，中國礦業大學（北京）孫繼平教授主持開展了核心的系統、基站控制器與基站等3 項標準制定，系統制定了功能、無線頻段、測試方法等技術要求[17]。為了進一步提升5G 技術在礦山領域的適用性，中國通信行業標準歸口組織中國通信標準化協會成立了“5G 礦山行業專網子工作組”，以制定符合礦用需求的專用5G 通信底層標準，制定了作為工業和信息化部礦山5G 通信行業標準立項指南的《面向礦山行業的5G 專網通信標準體系》，從總體技術要求和系統設備規范2 個方面制定了16 項中國通信行業標準計劃，將為礦山5G 及演進提供充分的標準支撐。蔡峰等[18]研究了礦用5G 系統數據交互和共享流程，開展了國家礦山安全監察局《智能化礦山數據融合共享 礦用5G 智能終端數據共享規范》的制定。

開展煤礦用5G 技術研究和現場應用以來，形成了系列研究成果和代表性應用案例，初步實現了智能礦山信息高速傳輸通道的構建。但面向智能化場景的實際應用，目前仍存在井下5G 覆蓋受限、無線射頻發射功率閾值待突破、場景應用的信息物理映射及系統安全技術有待完善等關鍵問題。為此，本文針對煤礦用5G 技術研究應用現狀進行系統性分析，厘清目前存在的關鍵問題并開展研究，以期為煤礦用5G 技術突破瓶頸、進一步推廣應用提供支撐。

1 煤礦用5G 通信專網組網架構

《煤礦5G 通信系統安全技術要求（試行）》規定“5G 系統應能實現獨立組網、獨立運行，在外部網絡故障或斷開時，系統應能安全、獨立、穩定運行，保證無線通信及數據傳輸的可靠、穩定”。

針對煤礦用5G 獨立組網、獨立運行的需求，目前主流組網模式聚焦于煤炭集團級大規模組網和礦井獨立專網2 類。

煤炭集團級大規模組網模式適用于煤炭集團集中管理、集中調度的通信網絡建設，可在集中中心設置大規模核心網，業務下沉至礦區網絡進行傳輸，對于需要礦區閉環的業務數據在礦內流轉，需要進行集團中心管控或跨礦區交互的數據可按需傳輸至中心網絡進行管理或轉發。煤炭集團級大規模組網模式適用于建設多礦井統一接入的礦用5G 網絡，組網架構如圖1 所示。

礦井獨立專網模式可在礦內部署輕量化核心網，按照煤礦用5G 網絡的通信需求，部署必要的網元實現接入與移動性管理、會話管理、統一數據管理、策略控制管理、網絡切片選擇功能管理、鑒權服務器管理、用戶平面管理、網元存儲等功能。礦井獨立專網模式適用于單個礦井獨立建設5G 網絡，組網架構如圖2 所示。

煤礦用5G 通信專網組網架構方面研究成果及應用案例已可滿足煤礦用5G 網絡建設的需求，后續可在5G LAN 功能具備部署條件后，對核心網軟件進行升級，以滿足工業控制通信需求，而不需采用配置維護過程更為復雜的層二隧道構建方式支撐控制傳輸。

2 煤礦用5G 覆蓋優化

煤礦用無線通信系統設備無線發射功率閾值為GB/T 3836.1?2021《爆炸性環境 第1 部分：設備 通用要求》規定的I 類防爆條件下的6 W[19]。為實現煤礦用大帶寬傳輸能力，無線帶寬達100 MHz，相比4G的最大帶寬20 MHz 提升了5 倍。決定無線通信覆蓋性能的關鍵指標為無線信號功率譜密度，在6 W無線發射功率閾值限制下，5G 無線帶寬的顯著提升造成覆蓋性能進一步受限。

煤礦用5G 應用之初主要采用中頻5G 頻點，如2.6，3.5 GHz，覆蓋距離一般為100～150 m，造成基站部署密度大、系統建設成本較高。煤礦用5G 一直面臨覆蓋能力受限的關鍵問題。為此，需要開展煤礦用5G 覆蓋優化的關鍵技術研究。

2.1 井下5G 低頻多載波無線覆蓋

工業和信息化部最早在2018 年底公布了國內運營商的5G 頻段：中國移動的5G 頻段為2 515～2 675 MHz（2.6 GHz 頻段） 和4 800～ 4 900 MHz（4.9 GHz 頻段）；中國電信的5G 頻段為3 400～3 500 MHz；中國聯通的5G 頻段為3 500～3 600 MHz。5G 網絡建設中， 3 400～3 500 MHz 和3 500～3 600 MHz 頻段由中國電信與中國聯通共建共享（3.5 GHz 頻段）。

低頻段重耕用于5G 的工作最早于2020 年啟動，工業和信息化部先將700 MHz 頻段分配給中國廣電，中國廣電與中國移動達成共識，對700 MHz 頻段進行共建共享。之后工業和信息化部在2022 年11 月將900 MHz 頻段（中國聯通）重耕用于5G，在2023 年8 月，將800 MHz 頻段（中國電信）重耕用于5G，中國電信與中國聯通具備了采用800，900 MHz共建共享5G 網絡的條件。

針對煤礦井下受限空間且存在金屬設備設施遮擋的無線傳輸環境，無線頻段越低，則隨傳輸距離增大的無線衰減越慢，穿透能力及繞射、衍射性能越好。1 GHz 以下5G 的低頻段因其較優的衰減性能及傳輸能力，在煤礦井下5G 覆蓋中具有天然優勢。孫繼平針對礦用5G 頻段選擇及天線優化設置指出，700 MHz 頻段與2.6，3.5，4.9 GHz 相比，具有無線傳輸損耗小、傳輸距離大、繞射能力強等特點。為此，應將低頻傳輸作為重點研究方向[5]，解決井下5G 覆蓋受限的關鍵技術難題。

井下700 MHz 頻段研究與應用中，由于700 MHz頻段的通信制式為FDD（Frequency DivisionDuplexing，頻分雙工），上行傳輸帶寬為703～733 MHz，上行傳輸速率不足，通常采用700 MHz+2.6 GHz 進行聯合覆蓋，700 MHz 用于覆蓋增強，2.6 GHz 則提供大帶寬的上行傳輸能力。

為實現井下5G 對覆蓋增強和上行大帶寬傳輸的支撐，采用低頻雙載波進行聯合覆蓋，即在主載波的基礎上， 通過調度輔載波資源進行SUL（Supplementary UpLink，補充上行鏈路）傳輸，從而在單設備中同時實現覆蓋距離提升和上行大帶寬傳輸，而無需按照不同布站間隔部署2 套不同頻段的井下5G 基站。目前煤礦用5G 低頻SUL 無線覆蓋距離可達600 m 以上，同時具備700 Mbit/s 的上行傳輸能力。井下5G 低頻SUL 基本原理如圖3 所示。

2.2 井下無線電波防爆安全功率閾值提升

除無線傳輸衰減快等傳輸環境影響外，煤礦用5G 覆蓋能力受限的另一個主要原因是井下無線電波防爆安全功率閾值要求造成井下5G 傳輸的無線發射功率相比地面環境顯著受限。

無線電設備發射功率有2 項關鍵指標，一項為射頻端口的輸出功率，另一項為EIRP（Effective IsotropicRadiated Power，有效全向輻射功率），EIPR 為射頻端口輸出功率加上天線增益再減去饋線及插入損耗后的輻射功率。6 W 的井下無線電波防爆安全功率閾值對應EIRP 的指標。業界學者開展了6 W 井下無線電波防爆安全功率閾值的標準溯源研究和射頻引爆測試研究。

無線電波防爆安全功率閾值的標準溯源研究中，孫繼平教授團隊開展了GB/T 3836.1?2021 的溯源分析，進行了相應的礦用無線傳輸特性分析方法研究和井下5G 輻射場中的安全性分析等[20-22]，目前最新的研究進展指出，煤礦井下無線電波防爆安全發射功率閾值應大于16 W，而不是GB/T 3836.1?2021 規定的6 W[23]。

井下無線電射頻引爆測試中，文獻[24]分析了井下瓦斯環境下射頻引爆風險， 認為至少可將700 MHz 頻段基站功率限制由閾功率6 W 提升到端口20 W 以上。

通過相關研究和試驗， 若將來可以通過修訂GB3836.1?2021 或更新版本，提高井下無線電波防爆安全功率閾值，也可在提升井下5G 無線傳輸覆蓋性能方面實現顯著突破。

若井下無線電波防爆安全功率閾值可提高，在煤礦用5G 設備進一步的研發過程中，需要高度關注終端發射功率提升的關鍵問題，主要涉及以下2 個關鍵點：

1） 單獨提高煤礦用5G 基站射頻發射功率不能有效實現煤礦用5G 通信系統的覆蓋能力優化。煤礦用5G 通信系統上行需求顯著，單獨提高煤礦用5G 基站射頻發射功率，能夠提升基站無線覆蓋距離。但5G 終端能力相比基站相對低，如果不在終端側同步提升射頻發射功率，則上行覆蓋無法優化，煤礦用5G 通信系統不能有效提升覆蓋能力。因此，提升煤礦用5G 系統的整體覆蓋能力，需要同步提高煤礦用5G 基站和終端兩側的射頻發射功率。

2） 單獨提高煤礦用5G 終端的天線增益，不能達到最佳的上行覆蓋性能優化效果。提高煤礦用5G 終端的射頻發射功率存在2 種方式：① 提高煤礦用5G 終端的天線增益。通過該方法可一定程度上優化煤礦用5G 終端的覆蓋能力，但天線增益的提升，會導致無線信號能量聚集在部分范圍，包括將全向天線無線輻射信號覆蓋的球形電磁場改變為餅形電磁場，以及使定向天線的能量聚焦在更加窄的輻射區域，當天線增益提高到一定程度后，不可避免會出現無線信號的覆蓋盲區。需要結合大規模陣列天線及波束賦形技術，針對井下5G 傳輸信道開展針對性建模， 需要進行大量的基礎研究和評估工作。② 提升終端的端口輸出功率。3GPP（3rd GenerationPartnership Project，第三代合作伙伴計劃）定義的終端端口輸出功率主要是2 類， 分別為功率等級2（Power Class 2，26 dBm）和功率等級3（Power Class3，23 dBm）[25-27]，主要是考慮無線輻射下人體的安全性。考慮到提升端口輸出功率會提升PA（PowerAmplifier，功率放大器）性能，通常在中國通信行業標準中將終端的端口輸出功率必選為功率等級3 的23 dBm[28-30]。為此，在未來面向礦山行業的5G 專網通信標準制定中，需要對相應的煤礦用5G 終端功率等級進行針對性研究和規定。另外，考慮到無線輻射對人體的安全性，提升煤礦用5G 終端的端口輸出功率應主要針對用于煤礦設備通信的CPE（CustomerPremises Equipment，用戶駐地設備）和模組，而煤礦用5G 手機由于發送帶寬相對小，相比大帶寬傳輸的終端設備，其功率譜密度更大，上行覆蓋能力相對優越，則不是終端無線發射功率提升的重點。

因此，需要同步提升煤礦用5G 終端（特別是用于煤礦設備通信的CPE 和模組）的天線增益與端口輸出功率，同步開展當前不適用于煤礦用5G 的大規模陣列天線及波束賦形技術研究，并在下一階段礦山5G 專網通信標準制定中，對相應的煤礦用5G 終端功率等級進行針對性研究和規定。

2.3 基于6G RIS 的煤礦井下5G 無線覆蓋增強

提升煤礦用5G 基站和終端的無線發射功率是從信源側提升系統傳輸能量，但煤礦井下信道中無線傳輸損耗顯著，是影響井下5G 無線覆蓋能力的另一個核心因素。

RIS（Reconfigurable Intelligent Surface，可重構智能超表面）技術由東南大學崔鐵軍院士團隊率先開展研究，RIS 是一種具有可重構電磁特性的二維人造材料，通過對嵌入在RIS 元素中的可調器件進行調控，能夠實現每個元素對電磁波的相位、幅度、極化和頻率響應的調整，從而具備可編程方式重塑空間電磁波的能力，可實現無線覆蓋增強與擴展、傳輸容量提升等功能[31]。

目前針對煤礦井下RIS 開展了初步研究。李世銀等[32]研究了煤礦井下智能超表面非視距無線覆蓋技術，分析了RIS 特性及其在井下巷道、硐室、綜采工作面的應用場景。IMT?2030（6G）推進組會議上針對煤礦井下用6G 技術關鍵需求進行探討，指出了RIS 對于煤礦用5G 等無線通信技術進行覆蓋增強應作為6G 面向煤炭行業研究的方向，可應用于綜采工作面大型金屬設備嚴重遮擋環境下進行煤礦用5G 無線傳輸覆蓋增強、彎曲起伏巷道的煤礦用5G 無線傳輸拓展等。

在以綜采工作面為例的大型設備遮擋無線信號傳輸路徑的情況下，可以在工作面中點或等分點液壓支架上部署RIS 控制器與無源RIS 材料，通過計算發送設備到RIS 部署點連線與RIS 部署點到接收設備連線之間的角度，采用控制器進行RIS 反射角度調控并提升強度，能夠為綜采工作面無線傳輸提供更多條直射路徑組成的可靠傳輸路徑，顯著提升大型機電設備遮擋情況下的無線傳輸能力。以綜采工作面為例，基于6G RIS 進行煤礦用5G 無線傳輸增強如圖4 所示。

在煤礦井下彎曲起伏巷道中，或者巷道的分支拐彎處部署RIS 控制器+無源RIS 材料，通過計算原始信號到RIS 部署點連線與RIS 部署點到擴展覆蓋遠點連線之間的角度，采用控制器進行RIS 反射角度調控并提升強度，能夠實現彎曲起伏巷道無線非視距傳輸路徑轉換為以RIS 為中心點的2 條視距傳輸路徑，而不再需要以增設基站的方式進行無線覆蓋補盲。

因此，從應用需求而言，煤礦用5G 無線增強覆蓋對6G RIS 具有顯著的技術需求。需要結合煤礦井下無線傳輸實測數據、RIS 基礎傳輸模型，開展煤礦用RIS 增強5G 無線覆蓋的部署及信道建模研究，設計適用于煤礦井下的RIS 增強覆蓋傳輸架構，無線覆蓋增強的目標增益應達到每個部署點30 dB 以上。

2.4 井下無線參數對煤礦用5G 覆蓋效果影響分析

3GPP 在研究和制定5G 技術規范中，針對無人機、高鐵、智能交通/車聯網、公共安全等垂直行業領域進行了針對性研究和規范制定，也對無線參數的選擇進行了適應性調整，但未針對井下受限空間的信道環境進行針對性研究和定義，因此缺少對于煤礦用5G 無線參數適配性的相關研究分析。

一方面， 5G 目前已經可支持通常256QAM（Quadrature Amplitude Modulation， 正交振幅調制） 、最高1 024QAM 的調制方式。然而，調制階數越高，雖然無線傳輸中單個資源塊承載的數據量會增大，但無線傳輸過程中有用信號的抗噪聲能力會相對下降，即高階調制會實現較高的傳輸速率，但無線傳輸的接收質量會相應降低，覆蓋效果不及低階調制。

在井下實際傳輸環境的測量結果也體現，煤礦用5G 系統一般會根據信道環境測量結果進行64QAM 調制方式的傳輸，在工作面等傳輸損耗顯著的區域，會以16QAM 的低階調制方式進行傳輸。

為此，在信號調制方式方面，針對傳輸速率要求較高的情況，宜通過物理層測量進行自適應的調制方式確定，而針對控制類數據的傳輸，需要采用限制調制階數的情況，以采用16QAM 調制方式為宜，確保控制數據的無線傳輸質量和可靠性。

另一方面，5G 技術可支持靈活的子載波間隔配置，6 GHz 以下的頻段可支持15，30，60 kHz 的子載波間隔，目前5G 公眾電信網絡的中國通信行業標準中，規定子載波間隔的必選參數為30 kHz[33]。然而，煤礦井下空間受限，無線傳輸環境中的多徑效應強，無線信號傳輸會造成多徑時延擴展增大，采用的子載波間隔越低，則時域資源粒度越大，對于抗多徑效應影響顯著的CP（Cyclic Prefix，循環前綴）長度也會相應增大。30 kHz 子載波間隔對應的時域資源粒度為0.5 ms， CP 長度為2.34 μs； 15 kHz 子載波間隔對應的時域資源粒度為1 ms，CP 長度為4.69 μs，CP 長度提升1 倍，相應覆蓋的多徑時延擴展范圍更大，能夠降低多徑效應影響，提升無線覆蓋效果。目前已經在采用低頻SUL 的現場對15 kHz 子載波間隔進行了測試，后續將在礦山5G 通信標準制定中，對低頻段的15 kHz 子載波間隔參數進行討論和確認。

3 煤礦智能化5G 應用場景構建

煤礦智能化建設的最終目標是實現少人化乃至無人化的煤礦生產，從根本上降低煤礦生產的人員安全隱患。隨著煤礦用5G 建設及無線傳輸能力的不斷優化，通過5G 構建的智能礦山信息高速傳輸通道已經形成基礎，煤礦用5G 現階段研究和應用的重點方向需要聚焦智能化應用場景的構建，開展煤礦智能化5G 應用場景信息物理映射與預期功能安全研究，并研發小型輕量化模組。

3.1 煤礦智能化5G 應用場景信息物理映射與預期功能安全

煤礦智能化5G 應用場景目前已有一定的研究基礎，煤礦現場也開展了相應的應用驗證。文獻[13]梳理了基于5G 的智能采煤、智能掘進、無人駕駛、智能主運等4 類礦用裝備遠程控制應用的信息物理系統架構研究方法，為智能化應用場景構建提供了參考。目前煤礦智能化5G 應用場景如圖5 所示。

基于5G 的礦用裝備遠程控制應用目標是生產環節的減人，與煤礦安全生產具有高度關聯性，此類應用系統的傳輸需要高度的可靠性和實時性。為此，在實際應用部署中，需要在礦用5G 網絡中部署專用的裝備遠程控制切片，以確保傳輸可靠性和實時性。

隨著智能礦山各類智能化系統的廣泛建設，系統中裝備遠程控制專用切片的傳輸資源將會面臨一定限制。現階段進行裝備遠程控制應用中，通常將生產設備的監測數據和現場監視數據全部接入。針對未來裝備遠程控制各類系統常態化運行、專用切片的傳輸資源面臨限制的情況，需要細化開展必要信息流與專用切片承載傳輸的映射，即需要采、掘、運技術裝備研發團隊與煤礦用5G 通信技術裝備研發團隊開展聯合攻關和試驗，確定用于裝備遠程控制應用安全運行的監測監視數據傳輸最小集合，同時針對裝備遠程控制應用等少人化、無人化應用開展預期功能安全的評價研究，從而確保智能化裝備遠程控制應用的安全性，為后續裝備集群自主控制的研究奠定基礎。

基于5G 的礦用裝備遠程控制的預期功能安全研究可參照汽車行業預期功能安全研究的方法開展。由于汽車運行中需要實時具備安全要求，所以應高度關注功能安全和預期功能安全要求。

功能安全旨在避免因電子電氣系統的系統性失效或硬件隨機性失效而導致的風險。預期功能安全旨在避免因電子電氣系統組件功能不足或性能下降、可合理預見的人員誤操作所導致的風險。

針對基于5G 的煤礦智能化應用系統，涉及煤礦用5G 通信系統、礦用生產裝備、感知系統、控制系統等多系統集成，且面向的是高安全性要求的少人化遠程控制或無人化自主控制應用，對于系統設備本身發生故障失效的情況，需要通過系統各自的設計實現。而多系統集成協同應用的安全性，則需要開展基于5G 煤礦智能化應用系統的預期功能安全研究，以確保對于未知不安全情況的風險管控。以基于5G 的礦用裝備遠程控制應用系統為例，給出了預期功能安全研究框架，如圖6 所示。

煤礦智能化5G 應用場景中，在礦用生產裝備的運行過程，需要監測裝備參數、檢測控制反饋執行的時空一致性和精確度，環境感知系統需要對裝備運行狀況和環境工況進行監視，而礦用5G 系統則需要提供穩定可靠的傳輸鏈路，并監測信道變化對傳輸質量的影響。礦用生產裝備、環境感知系統、煤礦用5G 系統的監測檢測數據需要實時輸入至預期功能安全評價模塊。當各部分數據輸入正常、裝備運行正常且未出現單向指標顯著下降趨勢時，應用場景正常運行；當裝備運行狀況異常或出現至少1 項參數指示部分模塊功能不足或性能下降，則需要啟動各子系統模塊進行檢測優化，進行反饋和干預，從而確保煤礦智能化5G 應用場景持續正常運行，同時針對安全風險進行部分或全部的現場人工介入準備。

目前智能化應用系統預期功能安全尚少見公開研究成果，需要裝備與通信研究人員協同，結合信息物理映射工作開展深入研究。

3.2 煤礦用5G 小型輕量化模組研發

現階段煤礦現場主要采用礦用本安型CPE 進行設備數據的匯聚傳輸，一般CPE 長度在25 cm 以上、寬度和高度在15 cm 以上，可作為煤礦生產設備的外置設備進行部署。現場應用面臨的2 類主要問題如下：

1） 礦用本安型CPE 尺寸較大，無法內置煤礦生產設備進行部署，對于小型化設備的5G 無線改造而言成本較高。

2） 與煤礦生產的工業控制協議的適配需要改進。一方面，常規的工業控制傳輸協議涉及以太網光信號傳輸、以太網電信號傳輸、CAN、RS485、Modbus、OPC（Object Linking and Embedding forProcess Control，用于過程控制的對象連接和嵌入技術）等，目前礦用本安型CPE 對于Modbus，OPC 協議的適配存在缺失， 但主要礦用裝備數據傳輸約20% 采用Modbus 協議、不足5% 采用OPC 協議。另一方面，在對接礦用裝備過程中，通常1 個設備只需要適配1 種工業控制協議，但目前的礦用本安型CPE 通常具備多種、多個輸入接口，存在配置冗余。

因此，支撐煤礦智能化5G 應用場景構建，需要研發小型化、輕量化礦用5G 模組，應采用支持礦用現場設備數據輸入和礦用5G 數據傳輸的最小化模塊集合設計，實現設備小型化、能力輕量化，進而降低設備成本，支撐嵌入采、掘、運等現場生產裝備中實現數據5G 傳輸，以及連接移動式和不方便布線的傳感器構建5G 無線傳輸能力。小型輕量化煤礦用5G 模組結構如圖7 所示。

煤礦用5G 小型輕量化模組研發設計思路如下：

1） 為實現小型化、輕量化的研發目標，相比現有的CPE，需要裁剪冗余、非必要的傳輸模塊177c3e3d74463d81a169ba138d6b3b49，煤礦用5G 模組的最小化模塊集合包括礦用5G 基帶通信模塊、礦用5G 射頻單元和射頻輸出端口、礦用5G 數據卡槽、井下現場設備數據輸入接口（單路）、礦用電源輸入模塊。

2） 井下現場設備數據輸入接口應采用單模組單路輸入設計，每個模組上從以太網光信號接口、以太網電信號接口、CAN 信號接口、RS485 接口、Modbus接口、OPC 接口中選擇1 類進行布設，對于現場不同設備、不同工業協議的接入需求，可依據統一的參考設計，配置不同類型的數據輸入接口，實現現場對不同協議類型的礦用裝備采用不同協議輸入接口的模組。

3） 對最小化模塊集合需要進行緊湊、合理的線路設計，盡可能減小模組尺寸。模組小型化的目標應為模組長度和寬度均在10 cm 以下，用于支撐礦用裝備內置式嵌入部署；模組輕量化的研發方向為RedCap 模組，以實現按需提供5G 傳輸能力、降低成本。

4 結論

1） 煤礦用5G 專網組網架構主要包括煤炭集團級大規模組網和礦井獨立專網2 種模式，滿足煤礦用5G 系統建設部署的需求。下一階段需要針對5GLAN 特性進行核心網軟件升級，支撐工業控制的層二傳輸需求。

2） 煤礦用5G 無線傳輸性能需要持續研究和提升。現階段煤礦用5G 采用低頻段多載波SUL 增強覆蓋可顯著優化覆蓋能力。在下一階段，當井下無線電波防爆安全功率閾值可突破、可提高時，需要同步提升煤礦用5G 基站與終端兩側的發射功率，方可實現煤礦用5G 系統整體覆蓋能力優化；需要開展基于6G RIS 的煤礦用5G 覆蓋增強技術預研，為煤礦用無線通信傳輸能力優化提供進一步支撐。

3） 煤礦智能化5G 應用場景構建方面，應開展礦用裝備與礦用通信領域的聯合技術攻關，研究煤礦用5G 裝備遠程控制及未來裝備自主群體協同控制技術，形成細化信息物理映射關系，并研究預期功能安全機制，以確保煤礦智能化5G 應用場景的數據傳輸質量可控、控制過程安全。同時需研發和推廣小型輕量化模組，實現煤礦用5G 無線傳輸全面適配現場設備工業控制協議，嵌入礦用裝備構建應用場景。

4） 煤礦用5G 關鍵技術攻關需要持續開展。通信領域目前已經從5G 演進至5G?A，且6G 的RIS 等關鍵技術也可實現5G 能力和可靠性的有效提升。煤礦用5G 研究建設進程無法一夕而成，需要在現階段研究應用成果基礎上，突破關鍵難題，填補標準空缺，加強裝備、通信等不同領域聯合技術攻關，從而實現煤礦用5G 對智能化應用的有效支撐。

參考文獻（References）：

[ 1 ]孫繼平. 煤礦智能化與礦用5G[J]. 工礦自動化，2020，46（8）：1-7.

SUN Jiping. Coal mine intelligence and mine-used5G[J]. Industry and Mine Automation，2020，46（8）：1-7.

[ 2 ]孫繼平. 煤礦智能化與礦用5G 和網絡硬切片技術[J].工礦自動化，2021，47（8）：1-6.

SUN Jiping. Coal mine intelligence， mine 5G andnetwork hard slicing technology[J]. Industry and MineAutomation，2021，47（8）：1-6.

[ 3 ]孟慶勇. 5G 技術在煤礦井下應用架構探討[J]. 工礦自動化，2020，46（7）：28-33.

MENG Qingyong. Probe on 5G architecture applied incoal mine underground[J]. Industry and MineAutomation，2020，46（7）：28-33.

[ 4 ]李晨鑫. 礦用5G 通信演進技術研究[J]. 工礦自動化，2023，49（3）：6-12.

LI Chenxin. Research on mine 5G-advancedcommunication evolution technology[J]. Journal ofMine Automation，2023，49（3）：6-12.

[ 5 ]孫繼平，張高敏. 礦用5G 頻段選擇及天線優化設置研究[J]. 工礦自動化，2020，46（5）：1-7.

SUN Jiping， ZHANG Gaomin. Research on 5Gfrequency band selection and antenna optimizationsetting in coal mine[J]. Industry and Mine Automation，2020，46（5）：1-7.

[ 6 ]常琳，鄭慧瑩，李鳴. 煤礦5G 通信系統的安全性研究[J]. 煤礦安全，2021，52（8）：137-141，146.

CHANG Lin， ZHENG Huiying， LI Ming. Research onsafety of 5G communication system in coal mine[J].Safety in Coal Mines，2021，52（8）：137-141，146.

[ 7 ]鄭小磊，梁宏. 煤礦5G 通信系統安全技術要求和檢驗方法[J]. 工礦自動化，2021，47（3）：9-13，33.

ZHENG Xiaolei， LIANG Hong. Safety technicalrequirements and inspection methods of coal mine 5Gcommunication system[J]. Industry and MineAutomation，2021，47（3）：9-13，33.

[ 8 ]張立亞. 煤礦5G 通信系統安全應用技術研究[J]. 工礦自動化，2021，47（12）：8-12，45.

ZHANG Liya. Research on safety applicationtechnology of coal mine 5G communication system[J].Industry and Mine Automation，2021，47（12）：8-12，45.

[ 9 ]霍振龍. 礦井無線通信系統現狀與發展趨勢[J]. 工礦自動化，2022，48（6）：1-5.

HUO Zhenlong. Current situation and development trend of mine wireless communication system[J]. Journal ofMine Automation，2022，48（6）：1-5.

[10]王國法，趙國瑞，胡亞輝. 5G 技術在煤礦智能化中的應用展望[J]. 煤炭學報，2020，45（1）：16-23.

WANG Guofa， ZHAO Guorui， HU Yahui. Applicationprospect of 5G technology in coal mine intelligence[J].Journal of China Coal Society，2020，45（1）：16-23.

[11]王國法，張良，李首濱，等. 煤礦無人化智能開采系統理論與技術研發進展[J]. 煤炭學報， 2023， 48（1） ：34-53.

WANG Guofa， ZHANG Liang， LI Shoubin， et al.Progresses in theory and technological development ofunmanned smart mining system[J]. Journal of ChinaCoal Society，2023，48（1）：34-53.

[12]范京道，閆振國，李川. 基于5G 技術的煤礦智能化開采關鍵技術探索[J]. 煤炭科學技術， 2020， 48（7） ：92-97.

FAN Jingdao，YAN Zhenguo，LI Chuan. Exploration ofintelligent coal mining key technology based on 5Gtechnology[J]. Coal Science and Technology， 2020，48（7）：92-97.

[13]李晨鑫. 基于5G 的礦用裝備遠程控制技術研究[J].工礦自動化，2023，49（9）：90-97.

LI Chenxin. Research on remote control technology ofmining equipment based on 5G[J]. Journal of MineAutomation，2023，49（9）：90-97.

[14]李晨鑫，張立亞. 煤礦井下網聯式自動駕駛技術研究[J]. 工礦自動化，2022，48（6）：49-55.

LI Chenxin， ZHANG Liya. Research on the networkconnected automatic driving technology in undergroundcoal mine[J]. Journal of Mine Automation， 2022，48（6）：49-55.

[15]李晨鑫，張立亞，劉斌，等. 基于5G 直連通信的礦井應急通信技術[J]. 煤礦安全，2023，54（2）：212-216.

LI Chenxin， ZHANG Liya， LIU Bin， et al. Mineemergency communication technologies based on 5GSidelink communication[J]. Safety in Coal Mines，2023，54（2）：212-216.

[16]顧義東. 5G 技術在煤礦掘進工作面運輸系統中的應用[J]. 工礦自動化，2022，48（6）：64-68.

GU Yidong. Application of 5G technology in coal mineheading face transportation system[J]. Journal of MineAutomation，2022，48（6）：64-68.

[17]孫繼平. 煤礦用5G 通信系統標準研究制定[J]. 工礦自動化，2023，49（8）：1-8.

SUN Jiping. Research and development of 5Gcommunication system standards for coal mines[J].Journal of Mine Automation，2023，49（8）：1-8.

[18]蔡峰，王陳書略，喬梁，等. 礦用5G 智能終端數據交互和共享規范研究[J]. 工礦自動化， 2023， 49（9） ：98-105.

CAI Feng， WANG Chenshulüe， QIAO Liang， et al.Research on data exchange and sharing standards formining 5G intelligent terminal[J]. Journal of MineAutomation，2023，49（9）：98-105.

[19]GB/T 3836.1?2021 爆炸性環境 第1 部分：設備 通用要求[S].

GB/T 3836.1-2021 Explosive atmospheres-Part 1：Equipment- General requirements[S].

[20]孫繼平，彭銘，潘濤，等. 無線電波防爆安全閾值研究[J]. 工礦自動化，2023，49（2）：1-5.

SUN Jiping，PENG Ming，PAN Tao，et al. Research onthe safety threshold of radio wave explosion-proof[J].Journal of Mine Automation，2023，49（2）：1-5.

[21]張高敏，劉毅，彭銘. UWR?FDTD 礦井電磁波數值分析方法[J]. 煤炭學報，2022，47（11）：4157-4166.

ZHANG Gaomin， LIU Yi， PENG Ming. Numericalanalysis method of the electromagnetic fields in coalmine roadway using UWR-FDTD[J]. Journal of ChinaCoal Society，2022，47（11）：4157-4166.

[22]張高敏，劉毅，彭銘. FDTD 礦井無線傳輸特性分析方法研究[J]. 煤炭科學技術，2022，50（11）：202-212.

ZHANG Gaomin，LIU Yi，PENG Ming. Resarch on theFDTD analysis method of wireless transmissioncharacteristics in underground mine[J]. Coal Scienceand Technology，2022，50（11）：202-212.

[23]孫繼平，彭銘. 礦井無線電波防爆安全發射功率研究[J]. 工礦自動化，2024，50（3）：1-5.

SUN Jiping， PENG Ming. Research on the safetransmission power of mine radio wave explosionprevention[J]. Journal of Mine Automation， 2024，50（3）：1-5.

[24]王國法，龐義輝，任懷偉，等. 智慧礦山系統工程及關鍵技術研究與實踐[J]. 煤炭學報， 2024， 49（1） ：181-202.

WANG Guofa， PANG Yihui， REN Huaiwei， et al.System engineering and key technologies research andpractice of smart mine[J]. Journal of China CoalSociety，2024，49（1）：181-202.

[25] TS 38.101-1 NR; User Equipment （UE） radio transmission and reception; Part1： Range 1Standalone[S].

[26]TS 38.101-3 NR; User Equipment （UE） radiotransmission and reception; Part 1：Range 1 and Range 2Interworking operation with other radios[S].

[27]TS 38.306 NR; User Equipment （UE） radio accesscapabilities[S].

[28]YD/T 3627?2019 5G 數字蜂窩移動通信網 增強移動寬帶終端設備技術要求（第一階段）[S].

YD/T 3627-2019 5G digital cellular mobiletelecommunication network-technical requirements ofeMBB user equipment （Phase 1）[S].

[29]YD/T 4193?2023 5G 多模雙卡雙待終端設備技術要求[S].

YD/T 4193-2023 5G Multi-RAT Dual-Card Dual-Standby user equipment technical requirements[S].

[30]YD/T 4550?2023 5G 多模單卡終端設備技術要求[S].

YD/T 4193-2023 5G Multi-RAT single-card userequipment technical requirements[S].

[31]CHENG Qiang， JIN Shi， CUI Tiejun. Reconfigurableintelligent surfaces for wireless communications[J].Frontiers of Information Technology & ElectronicEngineering，2023，24（12）：1665-1668.

[32]李世銀，楊瑞鑫，楊磊，等. 煤礦井下智能超表面非視距無線覆蓋技術綜述[J]. 中國礦業大學學報，2024，53（3）：613-622.

LI Shiyin， YANG Ruixin， YANG Lei， et al. Survey ofthe non-line-of-sight wireless coverage technology byreconfigurable intelligent surfaces in underground coalmines[J]. Journal of Chin742501279643114161b680534ad01f402390df9541dc5dacb53144529b7d0a13a University of Mining &Technology，2024，53（3）：613-622.

[33]YD/T 3929?2021 5G 數字蜂窩移動通信網 6 GHz 以下頻段基站設備技術要求（第一階段）[S].

YD/T 3929-2023 5G digital cellular mobiletelecommunication network-technical specification ofsub 6 GHz gNB equipment （Phase 1）[S].

基金項目：天地科技股份有限公司科技創新創業資金專項重點項目（2023-TD-ZD005-001，2024-TD-ZD015-03）；中國通信標準化協會研究課題項目（CCSA-2023-B142）。