井工煤礦5G 專網(wǎng)方案探討

［陳俊明 王岱 國志遠 張潔］

1 引言

2020 年3 月，國家發(fā)展改革委、工信部、能源局等8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》[1]，提出到2035年我國各類煤礦都將基本實現(xiàn)智能化的目標。2020年7月，中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布了《煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導意見（征求意見稿）》[2]，其中提到煤炭科技發(fā)展將以第四次工業(yè)革命為統(tǒng)領(lǐng)，以5G、區(qū)塊鏈技術(shù)等新一代信息技術(shù)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(shù)將成為智能開采信息傳遞的內(nèi)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(shù)的場景[4]，下面分別敘述。

（1）采掘面

井工礦綜采面具有作業(yè)空間狹小、機械設(shè)備多、視覺環(huán)境差、溫度高的特點，是煤礦安全管理工作中的重點區(qū)域。井工礦掘進工作面環(huán)境惡劣、地質(zhì)復雜，存在瓦斯突出、片幫冒頂?shù)仁鹿曙L險，嚴重危及井下工人的人身安全；設(shè)備工作時產(chǎn)生的粉塵也嚴重影響井下工人的身體健康。目前采掘作業(yè)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(fā)現(xiàn)與排除各種故障或潛在風險點。目前巷道網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)減員增效的目標。擔負人員以及材料運輸?shù)臒o軌膠輪車/有軌機車也行走在巷道中，基于5G 實現(xiàn)自動化調(diào)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(guān)鍵，采用基于5G的軌道式巡檢機器人，一旦發(fā)生異常，可在第一時間發(fā)出警告，通知調(diào)度室及附近人員進行及時干預(yù)處置。

典型的網(wǎng)絡(luò)需求如表1 所示。

表1 井工礦典型網(wǎng)絡(luò)需求

3 煤礦5G 專網(wǎng)方案

5G 專網(wǎng)有多種形態(tài)，中國聯(lián)通提出“5G 虛擬專網(wǎng)”、“5G 混合專網(wǎng)”、“5G 獨立專網(wǎng)”三款5G 專網(wǎng)產(chǎn)品[5]，中國移動形成“優(yōu)享”、“專享”和“尊享”三種5G 專網(wǎng)產(chǎn)品[6]，中國電信提出“致遠”、“比鄰”、“如翼”三類服務(wù)模式[7]。雖然三家運營商對于專網(wǎng)的名稱和內(nèi)涵的詮釋上有一些差異，但是從技術(shù)的角度專網(wǎng)可以概括為使用公網(wǎng)的模式、使用私網(wǎng)的模式和介于兩者之間的混合模式。使用公網(wǎng)模式下，無線、承載、5GC（5G Core Network，5G 核心網(wǎng)）的控制面和用戶面都采用共享方式，此類組網(wǎng)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(wǎng)模式下無線接入網(wǎng)使用單獨的頻率資源/單獨載波/單獨基站、核心網(wǎng)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(wǎng)）硬切分，用于安全要求高、對建網(wǎng)成本不敏感的場景。

煤礦網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)包括安全監(jiān)測和控制、人員定位等，具備典型的封閉生產(chǎn)區(qū)域特點，對安全和性能有較強的要求，且煤礦企業(yè)在3/4G 時代有自己的專網(wǎng)，更容易接受使用私網(wǎng)的模式,這里重點闡述基于私網(wǎng)模式的井工煤礦5G專網(wǎng)。

井工煤礦5G 專網(wǎng)采取在礦區(qū)建設(shè)獨立5G 核心網(wǎng)的方式來滿足設(shè)備監(jiān)控、綜掘機遠控、綜采面可視化等需求，對于普通上網(wǎng)需求可以由井上基站直接路由到大網(wǎng)核心網(wǎng)處理。5G 專網(wǎng)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(qū)域、皮帶區(qū)域、中控室、洗煤廠等區(qū)域進行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋；井上井下通過承載網(wǎng)打通。運營商可以建設(shè)專網(wǎng)管理系統(tǒng)以便對礦區(qū)專網(wǎng)進行遠程維護，此外可對礦區(qū)提供自服務(wù)門戶以提高運營效率。整體組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 井工礦5G 專網(wǎng)典型組網(wǎng)

為保障礦區(qū)內(nèi)不同業(yè)務(wù)使用網(wǎng)絡(luò)的需求，可考慮引入如下幾類切片。

（1）安全避險相關(guān)：跟安全避險相關(guān)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、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(wěn)定可靠性要求高，傳統(tǒng)上使用單獨的線路；如果接入5G 網(wǎng)絡(luò)，需要考慮給以最高可靠性保障，相應(yīng)的資源優(yōu)先級最高。

（2）生產(chǎn)相關(guān)：智能掘進、有軌機車/膠運車無人駕駛等生產(chǎn)場景直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)、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(yè)務(wù)等，一般性保障，采用默認優(yōu)先級即可。

另外，由于煤礦井下環(huán)境特殊，瓦斯、煤塵突出都對設(shè)備的防爆特性有著很高的要求，因此井下安裝設(shè)備必須通過安標國家礦用產(chǎn)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(wǎng)

井下覆蓋包括一般覆蓋和熱點覆蓋需求，一般覆蓋區(qū)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(jié)省整體覆蓋的成本，但是對容量要求不高；熱點區(qū)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(qū)域可以疊加2.6 GHz/4.9 GHz/3.5 GHz。為實現(xiàn)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(qū)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(shè)備均需采用隔爆/本安的站型，發(fā)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(yè)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(yè)界尚無測試數(shù)據(jù)。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(cè)，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(shè)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(qū)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(wǎng)造成的影響，可以使用1D3U 特殊幀結(jié)構(gòu)來大幅提升上行流量。

人員定位系統(tǒng)是井下安全避險六大必備系統(tǒng)之一，主要用于井下人員定位和管理，特別是發(fā)生意外時的人員搜救。煤礦井下人員定位系統(tǒng)對精確定位的標準要求是最大靜態(tài)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(shù)為主。但可通過5G 與定位技術(shù)的結(jié)合來降低UWB的部署成本，UWB 定位基站可通過5G 室分的級聯(lián)口傳輸定位數(shù)據(jù)到服務(wù)端進行處理。

對于煤礦井上環(huán)境，與一般的園區(qū)相同，可以采用64TR/32TR的宏站進行覆蓋。

3.2 5G 核心網(wǎng)

在井工煤礦部署5G 核心網(wǎng)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(qū)有大量的地下作業(yè)，對通信的穩(wěn)定性、可靠性提出了很高要求，核心網(wǎng)的容災(zāi)需要重點考慮；此外，如果需要使用高質(zhì)量4G/5G 語音，可在礦區(qū)部署IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒體子系統(tǒng)），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(wǎng)模式造成了沖擊；另一方面，UDM不下沉園區(qū)，在園區(qū)與大網(wǎng)發(fā)生故障時，已在線用戶的業(yè)務(wù)不受影響，新終端無法接入，礦區(qū)也不易接受?？紤]到礦區(qū)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(wǎng)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(yè)務(wù)運營支撐系統(tǒng)）遠程完成，此種方式需要BOSS 對接的UDM 隨運營商發(fā)展礦區(qū)客戶數(shù)增加而增加；（2）放號直接在大網(wǎng)UDM 進行，放號數(shù)據(jù)同步到小網(wǎng)，此種方式需運營商制定數(shù)據(jù)同步技術(shù)規(guī)范；（3）運營商通過網(wǎng)元受理臺拉遠方式放號，此種方式BOSS 中缺少用戶相關(guān)簽約和話單信息。從運營商運維網(wǎng)絡(luò)的簡便性而言，優(yōu)選方式2。

3.2.2 語音方案

礦區(qū)可選部署IMS，通過IMS 可支持接入PON/AG（Access Gateway,接入網(wǎng)關(guān)）/IP PBX（Internet Protocol Private Branch eXchange,IP 專用小交換機）固網(wǎng)終端用戶和移動4G/5G 終端（手機、智能安全帽）用戶?？紤]到礦區(qū)內(nèi)部調(diào)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(diào)度系統(tǒng)提供，IMS 需對接調(diào)度系統(tǒng)以保證這些語音功能的正常使用。

3.2.3 容災(zāi)

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

礦區(qū)與大網(wǎng)鏈路中斷有幾種容災(zāi)方案，方案1 是大網(wǎng)作主用，小網(wǎng)作備用；方案2 是小網(wǎng)作主用，大網(wǎng)作備用；方案3 是僅使用小網(wǎng)。方案1 與方案2的對比如表2 所示。

表2 大小網(wǎng)兩種備份方案比較

這兩個方案都存在一些挑戰(zhàn)：（1）大小網(wǎng)UDM 之間要同步數(shù)據(jù)，目前尚無成熟的廠家間同步方案，需運營商制定規(guī)范。（2）對于存在IMS 語音需求的礦區(qū)，實現(xiàn)礦區(qū)集群調(diào)度需大網(wǎng)與不同礦區(qū)不同集群系統(tǒng)對接，理論上可行，實際上由于5G 專網(wǎng)是后進入功能，需要適配礦區(qū)現(xiàn)有的集群調(diào)度系統(tǒng)，而語音調(diào)度生態(tài)與運營商大網(wǎng)語音生態(tài)不同，廠家間對接經(jīng)驗少，語音通話所用SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協(xié)議）協(xié)議擴展變化形態(tài)較多，對接產(chǎn)生的適配及定制開發(fā)會給大網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來較大的隱患。（3）備用網(wǎng)絡(luò)長期未使用，存在需要使用的時候業(yè)務(wù)不能正常運行的可能性（兩邊版本、配置不一致等原因?qū)е拢?，需要定期進行業(yè)務(wù)巡檢/演練以確保業(yè)務(wù)實際的可用性。

如果為了規(guī)避上述問題，可采用方案3 即僅使用園區(qū)本地核心網(wǎng)方式，但存在的問題是此核心網(wǎng)異常會導致業(yè)務(wù)故障。比較穩(wěn)妥的方案是在園區(qū)本地部署兩套核心網(wǎng)進行容災(zāi)。兩套核心網(wǎng)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(wǎng)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(qū)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(qū)一般無對應(yīng)的容災(zāi)要求。如果為了保證井上井下鏈路中斷也能正常處理業(yè)務(wù)，可以部署備份光纖鏈路；也可以在礦區(qū)部署兩套核心網(wǎng)，將一套部署在井上，一套部署在井下，這樣的好處除了容災(zāi)外，還可以將一些井下業(yè)務(wù)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(shè)備做隔爆處理。

3.3 承載網(wǎng)

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

表4 承載網(wǎng)絡(luò)方案比較

無論是SPN/STN/IPRAN2.0 還是PON 方案都可通過工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)接入工業(yè)協(xié)議設(shè)備。

3.4 專網(wǎng)運維

為了滿足運營商和礦區(qū)各自的運維需求，運營商可以統(tǒng)一建設(shè)運維運營管理平臺，在運營商提供維護服務(wù)的同時給礦區(qū)人員提供Web Portal 方式的自服務(wù)門戶。對于技術(shù)實力比較強的礦區(qū)，也可以以能力開放的方式向礦區(qū)提供API 接口供礦區(qū)自己進行調(diào)用，便于礦區(qū)將專網(wǎng)的管理納入自身的管理系統(tǒng)中?？梢蕴峁┙o礦區(qū)的功能包括多個方面：①礦區(qū)遠控、監(jiān)控相關(guān)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(tài)查詢等。② MEC 上資源相關(guān)：資源管理（資源分配/回收），資源操作（重啟，遷移），資源監(jiān)控。③MEC 上應(yīng)用相關(guān)：應(yīng)用的部署、終止、更新等能力。④ 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)：網(wǎng)絡(luò)配置信息（物理/邏輯/業(yè)務(wù)配置等）；網(wǎng)絡(luò)相關(guān)告警/性能監(jiān)控能力；網(wǎng)絡(luò)使用情況指標（注冊用戶數(shù)、上下行吞吐量、時延、抖動）；賬單查詢。⑤ 服務(wù)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(qū)的需求及運營商對專網(wǎng)把控力的考慮。

礦山專網(wǎng)需要支持運營商進行遠程運維，可選的方式有專網(wǎng)與運維運營管理平臺之間打通專線，優(yōu)點是組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)進行隔離，缺點是安全隔離性沒有專線高。對于煤礦場景，優(yōu)先考慮第一種方式。

3.5 專網(wǎng)計費

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

當然行業(yè)項目計費非常靈活，需要考慮項目的戰(zhàn)略價值、品牌價值、當期收益、持續(xù)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(jié)語

煤礦智能化還處于初級階段[3,12]，5G 在礦區(qū)的應(yīng)用未來隨著經(jīng)驗的積累，逐步從對生產(chǎn)影響小的應(yīng)用如智能巡檢、視頻監(jiān)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(shè)備下井必須滿足煤礦防爆、特殊電磁環(huán)境和使用空間的要求，目前市面上5G 設(shè)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)在煤礦井下的應(yīng)用范圍（目前不能完全替代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)）[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(shè)備（但帶來了新的防爆問題）或者后續(xù)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(nèi)，最大直線控制誤差小于20 cm，采煤機滾筒搖臂最小調(diào)節(jié)分辨率為25 mm）[15]。未來隨著5G 定位能力的提升，5G 結(jié)合慣性導航、地磁導航、多傳感器修正和自組網(wǎng)定位等技術(shù)構(gòu)建面向 5G的井下異構(gòu)融合一體化定位服務(wù)系統(tǒng)有望滿足該需求。