智能可重構5G專網在礦山行業發展趨勢及應用分析

屈 陽 賈 捷 張呈宇

中國聯通研究院 北京 100176

引言

我國礦業資源豐富，礦業在我國國民經濟中占有重要地位，伴隨著自動化與信息技術的飛速發展，礦山行業經歷人力礦山、機械礦山、數字礦山、信息礦山四個發展階段，并逐步邁入智能化礦山、綠色礦山[1]。礦山行業智能化發展需依托高性能網絡技術支撐，以往傳統的通信網絡技術無法實現現有場景需求，而5G網絡具有低延時、大帶寬、高可靠的特點，正好適用于礦井下通信網絡傳輸的需要，利用5G技術使礦山行業各環節間進行有機聯動，實現產業鏈的真正融合，打造礦山新型智慧生態。

截至目前5G基站建設已經超過71萬座，5G網絡覆蓋已初步取得成果，這為礦山智能化轉型打造了良好基礎。未來伴隨著5G建設步伐的進一步加快，5G或成為礦山智能化發展的核心推動力。

本文旨在研究礦山行業如何使用5G網絡打造智慧礦山，以確保更快的生產，更高的安全和更少的污染。本文還將從礦山行業的現狀與演進趨勢出發，闡述智慧礦山領域下5G專網組網思路與特點，詳細描述5G-IPRAN專網、礦用5G核心網、5G礦用基站、5G邊緣計算控制器、井下環網、礦用專網安全技術等關鍵技術，并給出5G專網與礦山行業融合趨勢下的創新應用與分析。

1 智能可重構5G專網在礦山行業演進趨勢

1.1 礦山行業現狀與問題

伴隨著中國制造2025、新基建等國家政策的推出，礦山行業處于 “需求增速放緩、過剩產能和庫存消化、環境制約強化、結構調整攻堅”四期疊加的新階段，客觀要求礦山行業必須不失時機地變革，推動行業發展的轉型升級，并逐步形成新的產業增長點。

我國礦山智能化水平在機械裝備、管理模式、技術條件等各方面均明顯落后于礦業發達國家。受礦業發達國家礦山信息化影響，越來越多的中國礦業人員在思考如何推進中國礦山信息化改造與發展智慧礦山技術，政府和相關部門也對礦山信息化高度重視。

1)礦山行業存在嚴重生產安全問題。自2009年以來，粗狂野蠻的礦山行業發展便伴隨著如影隨形的各種風險，由于生產環境和條件的惡劣，零星頻發礦難事故為行業敲響警鐘，這不僅阻礙了生產，同時也導致企業面臨招工難、用工難、留工難等現實問題。

2)傳統礦山行業效率低下，行業發展急需轉型升級。日常礦山巡檢、礦石的挖掘開采、裝載、運輸、卸載自動化程度低，整體行業存在生產率低下的問題。而利用5G、人工智能、物聯網、大數據等新技術將驅動行業自動化轉型，為行業智能化發展提供技術、產品支持。

3)傳統礦山行業IT系統建設混亂，存在“煙囪化”“信息孤島”現象。企業缺乏總體規劃與建設，導致大部分系統功能缺失、可操作性差，低水平重復建設現象嚴重。數據資源和系統之間存在很多“閉環”的數據壟斷，難以實現數據、信息橫向流動，導致無法最大化利用數據的價值。

4)傳統礦山行業環保問題嚴重。礦山在不同生產階段勘探、開采、加工、關閉，勢必對自然環境和社會環境都有一定的危害，如礦用廢水、冶煉廢渣、酸性溶液等等；同時，由于有些礦山企業的自動化與智能化水平較低，亂采濫挖、掠奪式開發現象時有發生，對礦產資源造成極大的破壞和浪費。

1.2 礦山行業演進趨勢

基于我國礦山行業發展現狀，為全面提高行業作業水平，推動智慧礦山建設將是行業發展的必經之路。其中，5G通信技術為智慧礦山提供了重要技術依托。礦用5G技術不同常用的傳統5G技術，由于井下環境復雜，進而對礦用5G網絡技術中實時性、安全性、可靠性要求更為苛刻。伴隨著5G網絡與礦山領域場景深度融合，未來我國礦山領域發展趨勢具體如下。

1)智慧礦山。智慧礦山是基于5G、云、大、物、智等技術，集成各類SCADA、PLC控制器、傳輸網絡、組件式軟件等，形成一套智慧體系，能夠主動感知、自動分析，依據深度學習的知識庫，形成最優決策模型并對各環節實施自動調控，實現設計、生產、運營管理等環節安全高效。

2)“無人”礦山。“無人”是智慧礦山的最高形式。全流程作業的“無人”化操作，所有工作通過機器人及智能設備完成。例如數據采集、視頻回傳、機器視覺、AR/VR、AI、企業上云、遠程控制等方面應用。

3)綠色礦山。伴隨著國家對于綠色環保、資源可持續發展的重視，在礦產資源開發全過程中，實施礦區及周邊生態環境的和諧發展，實現資源利用高效化、礦區環境生態化、開采方式科學化、行業管理數字化的綠色礦山最終目標。

2 智能可重構5G專網關鍵技術與組網思路

智能可重構礦用5G專網把5G通信技術、自動駕駛技術、車聯網技術充分運用在礦山行業的管理和生產活動中，實現對礦山安全開采、無人化智能生產、生產過程的狀態可控的全生命周期管理。

智能可重構5G礦用專網，主要包括5G-IPRAN專網、5G礦用核心網、5G礦用基站、井下環網5G礦用邊緣計算、礦用專網安全五大技術創新，可廣泛適用于極端嚴苛的礦山業務場景，目前已順利得到國家礦用5G系統“安全標志證”，并在某些煤礦進行了部署，實現了高效穩定運行。

2.1 智能可重構5G專網組網

智能可重構5G專網組網思路：網絡是基礎、數據是核心、應用是關鍵三點為基石來構造，其建設目標為一張網、二中心(網絡中心、數據中心)、三平臺、四應用。礦用5G專網按照“一張網”的要求進行網絡規劃，將礦區所有網絡進行統一規劃(如圖1所示)，不重復建設同一類型的網絡，各種類型的網絡通過相應的安全策略實現互聯互通，形成礦區的一張網。三平臺為將現在5G+MEC+物聯網技術進行融合，包括現場級邊緣計算平臺、物聯網平臺、工業互聯網平臺，從而實現統一感知信息的采集，采用統一的監測監控分析平臺實現監測信息的全面分析，實現預警、報警，實現統一展現、信息查詢，滿足安全管理的需要。MEC實現對礦山業務數據的本地分流卸載、對業務近端處理，在滿足礦區數據的安全隱私性需求的同時，也進一步降低了業務時延，提升了諸如遠程控制、遠程協作等業務的體驗。四應用包括全面感知類應用、生產控制類應用、經營管理類應用和匯聚了“指揮救援”和“安全保障”系統的安全救援類應用。

圖1 礦用網絡通信圖

智能可重構5G專網解決礦用網絡中主要問題，具體如下：一是安全問題，采用公網專網混合組網，保障信息安全性；二是容災問題，分層環形組網，增強網絡可靠性；三是易用性問題，多元參數平衡，專注系統實用性；四是網絡容量問題，控制面功能下沉，關鍵場景獨立運行。

根據礦山行業需求，礦山通訊網絡系統目前比較分散、獨立，通過最新5G進行融合，對已有網絡模式進行兼容，把多個井下系統進行對接。在基站側進行集中的邊緣計算處理，結合井下3/4/5G無線網絡、物聯網NB-IoT等技術，融合現有IT、CT、OT網絡建成井上井下一體、全覆蓋、韌性抗毀、全貫通的通信網絡，打通礦企所有系統之間信息傳輸通道，打造建設5G+智慧礦山一張網概念，實現井上井下基于一套標準、一張網絡、一條通道，實現地面井下安全監測、全面感知平臺。如圖2所示，智能可重構5G礦用專網主要包括以下幾部分。

圖2 智能可重構5G組網圖

1)5G專網業務。通過與公網、核心網對接，可滿足專網內用戶訪問公網的業務需求，打造針對礦區全覆蓋的網絡。

2)礦用MEC平臺建設。機房建設MEC邊緣云，根據用戶業務流特征，將訪問本地網絡的業務流分流到本地業務服務器，實現業務流量的本地卸載，避免流量迂回，降低用戶訪問時延。

3)建設具備抗災害能力的工業IPRAN通訊主干網絡。對新建的環網，建議建設IPRAN工業環網，對已有的工業環網建議替換IPRAN交換機。實現提升智能可重構5G專網絡兼容性和穩定性。

4)實現移動作業區無線綜合接入。4G承載業務：移動語音業務，融合調度業務，“采、掘、運、提、排、通”等各種生產自動化系統的監測數據傳輸業務，采掘面無線視頻監控數據接入業務，自動巡檢系統等其他業務系統傳輸。5G承載業務：整個礦山的增強移動寬帶類(高清工業視頻監控及智能識別、VR/AR等)，高可靠低時延類(煤礦各類工業智能控制、采煤機器人、無人駕駛等)，萬物智能互聯類(礦山各類感知終端智能互聯及其智能聯動)。物聯網NB-IoT承載業務：覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構優等特點，適用井下在本質安全防爆條件下，大于2.4 GHz時，礦井下無線通信距離小于800m。礦井無線傳輸衰減大，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。無線工作頻段越高，傳輸衰減越大，傳輸距離越近，繞射能力越差[2]。

智能可重構5G專網在礦山行業的應用實踐，從根本上解決了傳統網絡技術在礦用網絡上技術難點，如井下高危環境、電磁干擾大、設備及傳感器數量龐大、用人多、頻段與無線信道衰減等問題，為構建礦山本質安全提供可靠的網絡支撐。目前，在某礦區實測傳輸時延最低達到10ms，網絡帶寬達到50G以上。

2.2 關鍵技術

2.2.1 IPRAN專網技術

建設礦山全覆蓋的萬兆高速傳輸骨干網絡，結合井下NBIoT/3/4/5G網絡，建成井上井下統一全覆蓋通信網絡，打通所有子系統信息傳輸通道，如圖3所示。

圖3 5G-IPRAN圖

IPRAN承載網是面向多業務的，可以快速部署業務，具備靈活的擴展能力，可以滿足不斷更新的業務部署需求。目前該技術已經相當成熟，且經過了大規模的市場運營考驗。IPRAN承載網實現了，包括：網絡滿足移動化、大寬帶的需求；具備帶寬容量彈性擴展能力；滿足移動業務的端到端可管理具備差異化QoS承載能力要求。

2.2.2 5G礦用基站

在5G時代，宏基站＋小基站的組網方式是礦用網絡覆蓋提升的主要途徑。主要是5G時期采用3.5G及以上的頻段，在室外場景下覆蓋范圍減小，加上由于宏基站布設成本較高，因此，需要小基站配合組網[3]。

在礦山行業5G業務場景里存在很多是井下室內應用，5G小基站主要是解決宏基站的難題。小基站體積小，部署靈活，不用局限于宏基站的站址問題，可以有針對性的補充宏基站信號弱覆蓋區域、覆蓋盲點，保證信號質量；在熱點區域，小基站由于功率小，可以在更小的范圍內實行頻率復用，提升容量，幫助宏基站分流[3]。未來，5G小基站通過虛擬化和云化，進一步實現邊緣計算的融合，以及對智能運維的支撐，將能更好地提供性能確定的滿足5G三大應用場景的專用網絡，實現礦用垂直行業的應用[4]。

由于井下作業環境復雜，有大量的瓦斯可燃爆炸氣體，礦山行業5G基站與傳統一般行業最大區別為安全防爆。礦用5G基站必須采用本質安全型，本質安全型防爆性能最好，可適用在礦井下所有場所或者瓦斯超限等各種場景，具有防爆性能好、體積小、重量輕等優點。

2.2.3 礦用5G核心網

礦用5G核心網不僅設備體積小、重量輕、組網簡單，還能夠準確快速清晰地實現井上井下各種安全生產數據和視頻數據流暢傳輸，為礦用生產遠程操作等提供了可靠網絡保障。

動態智能網絡切片是礦用5G核心網的重要能力，通過在同一個物理基礎設施上劃分不同的虛擬專網，來保證確定性差異化的網絡體驗。通過動態智能網絡切片技術的動態編排、租戶隔離，為行業應用提供穩定個性網絡服務能力，改變礦區核心業務的運營方式和作業模式，提升礦區作業運營效率和智能化決策水平。

2.2.4 井下環網

井下環網創新性采用了環形組網結構。目前為其他網絡系統所不具備的專網高可靠特性的一個關鍵組成部分，可以實現冗余的環形組網。由于井下光纜和電纜易干擾、易損壞的特性，解決井下組網結構一旦單個節點損壞或者故障，不會影響整個系統穩定運行的問題，如圖4所示。

圖4 井下環圖

2.2.5 5G邊緣計算

5G時代核心網集中式部署不能滿足新業務需求，網絡隨業務流向邊緣遷移是產業趨勢，實現應用本地化、內容分布化和計算邊緣化[5]。邊緣計算(MEC)服務接近終端，使得整個系統具有實時高效的數據處理能力。由于大量的視頻、生產數據處理放在邊緣側多個站點處理，具有數據計算處理快、網絡傳輸壓力小、成本更低等優勢。依據礦山行業的行業特征打造云—邊—端協同的礦用邊緣云，如圖5所示。邊緣側可就近提供用戶所需服務和云端計算功能，提供一個具備大寬帶、高性能、低時延的服務環境，實現礦區人、機、物、料、環等全生產要素的智能互聯，通過物聯網，將設備互聯，建立邊緣云數據庫，存儲、計算、分析各類傳感器和攝像頭采集的數據。

圖5 邊緣云圖

通過將邊緣計算技術引入了礦井下，推進到井下生產的最前端。實現對礦山業務數據的本地分流卸載，推動業務近端處理，不僅能夠滿足安全隱私性需求，同時降低了業務時延，也提升了諸如遠程控制、遠程協作等大寬帶業務的體驗。MEC平臺通過集成應用生態，通過5G+智能處理單元建立設備連接生態，打通各子系統之間橫縱關聯，形成包含安全、生產、經營、管理的邊緣云平臺。MEC平臺與子系統之間獨立部署，平臺發生故障不影響子系統運行，子系統發生故障不影響平臺運行，如圖6所示。

圖6 礦用專網MEC平臺圖

2.2.6 礦用網絡安全技術

在礦井下建設5G專網，設備防爆與安全是關鍵中的關鍵，必須攻克5G設備功率大、設備及傳感器數量龐大、天線多等井下防爆安全技術難點。礦用專網安全技術包括：基站性能、基站兼容性、多路天線設計和井下安全性等重點內容，針對以上內容通過井下5G設備改造，打造專用5G礦用井下設備，實現礦井內數據信號的獨立運行，并具有防爆、防潮、防塵、抗電磁干擾等特點。

2.3 智能可重構5G專網組網特點

智能可重構5G礦山專網系統具有以下幾大特點。

1)智能化網絡。由于礦山行業安全性需求對于QoS和SLA要求極為苛刻，為了匹配這個需求，5G專網需提供端到端、傳輸網、核心網的端到端各個網絡鏈路之間質量保障；5G專網多元參數平衡，即充分考慮網絡安全、傳輸速度、系統延時、覆蓋面距離等因素，提高了專網系統的實用性，最好能夠實現專網可重構。

2)專用礦用5G專網。滿足獨立運維管理的需求，礦區可以對資源應用、網絡切片資源情況做到可視化管理，專網獨立運行，即礦用5G核心網直接部署在礦井地面機房，不受運營商網絡影響，與井下礦用設備共同組成了一套完整的、可獨立運行的專用網，保證了信息安全性。

3)地面與井下組成環形組網。即地面礦用5G核心網與井下基站控制器之間、地面礦用5G核心網與井下礦網5G基站控制器之間、井下基站控制器與井下礦網5G基站控制器之間均使用環形組網，提高了網絡運行可靠性，一旦某個節點網絡出現問題，不影響其業務運行。

4)是控制面與用戶面下沉。即將5G核心網控制面網元下沉至井下，實現關鍵場景獨立運行，并將5G核心網用戶網獨立拆分至井下，實現井下數據即時轉發。

5)部署簡單，自主可控。該套礦用5G專網具有設備體積小、重量輕，可在礦井下各重點場景輕松部署的優勢，而且均采用了國產零部件，減少了國外零部件的依存度，提高了設備自主可控程度。

3 智能可重構5G專網如何應用礦山行業

結合礦區實際需求，智能可重構5G專網與礦山行業創新場景主要在增強移動寬帶類、高可靠低時延類、萬物智能互聯類等三個方面。

1)增強移動寬帶類，應用于高清工業視頻監控及智能識別、VR/AR等。通過5G連接巡檢機器人或無人機，能夠把巡檢數據、視頻、音頻信號傳送到監控指揮中心，低延時、高速率、大容量的特征保障了巡檢傳輸的穩定性、高效性和全面性，從而減少巡檢人力依賴，增強礦山巡檢效率，保障作業安全。如5G巡檢機器人、5G掘進機遠程控制、5G井上井下AR/VR通話等。

2)高可靠低時延類，應用于礦區各類工業智能控制、采煤機器人、無人駕駛等。傳統人工在利用采礦機械作業時，必須親身上陣，人身安全沒法保障。而應用5G之后，無人化遠程操作將成為現實，利用5G網絡高可靠、低延時的特點，人們在室內就能遠程操控設備進行作業，不僅保障生產安全，而且減少了崗位需求。如5G巡檢機器人、5G綜采機遠程控制、5G掘進機遠程控制等。

3)萬物智能互聯類，應用于礦山各類感知終端智能互聯及其智能聯動。礦山智能化轉型，關鍵在于數據采集。借助礦用物聯網，搭配上5G網絡，能夠實現水文、瓦斯等采集信息的無線回傳，減少傳輸施工和維護難度。在保障安全性的同時降低作業壓力和難度，促進作業效率與質量的提升，如5G-NB物聯網傳感器。

我國5G+智能礦山融合應用未來發展建議聚焦以下三方面。

首先，定制礦用5G基站。畢竟對于礦業中的5G應用來說，與普通消費用5G網絡不同，需要特別建設專網才能保障效果。基于此，我國還需要在礦區加速專用基站建設，實現礦區5G網絡的精準覆蓋。

其次，要推出礦用5G終端。聯合行業伙伴快速推出基于5G網絡的井下4K攝像頭、手機終端、5G通用模組、邊緣網關、傳感器等，也是發展重中之中。因為只有網絡還不夠，還需要專門的終端設備予以配套。

最后，要保障5G可靠性。井下作業具有復雜性和不可預測性，一旦5G通信出現故障，不僅會造成巨大損失，還可能引發事故，因此其穩定性和可靠性十分重要。這需要我國加強5G技術研究和應用維護，兩者缺一不可。

4 結語

智能可重構5G專網與礦山行業融合之后，逐步成為打造智慧礦山的必要基礎條件。5G專網的低時延、大帶寬等特性，使得礦山產業上下游的交互變得前所未有的高效而通暢，信息不對稱造成的風險將被大大弱化。同時，5G專網技術深度強化與物聯網、大數據、人工智能等新興技術的融合，已經形成了較為成熟的5G技術生態，有力推動了包括礦產行業轉型升級和智能化發展。

在可以預見的未來，隨著5G專網成熟度越高，以及更多礦山行業創新應用的出現，基于礦山行業的5G專網將會覆蓋更多潛在行業，支持的應用將會不斷演進，該領域必將取得更大發展。