基于5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧礦山方案研究

任朝恩

（河北廣電信息網(wǎng)絡(luò)公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó)，采礦業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。然而，礦山安全風(fēng)險(xiǎn)大、招工難、成本高、效率低等一系列問(wèn)題，一直是礦山企業(yè)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題。

智慧礦山是通過(guò)以機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化為核心的“四化”策略，以高速率、大容量、雙向綜合數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)為載體，以智能設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)為平臺(tái)，通過(guò)對(duì)礦山生產(chǎn)對(duì)象和過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、智能化的監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采的安全、高效和經(jīng)濟(jì)效益較大化[1]。當(dāng)前，5G通信技術(shù)以其大帶寬、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，能夠滿(mǎn)足礦區(qū)移動(dòng)性和封閉性的特殊場(chǎng)景需求，助力礦區(qū)“少人化、無(wú)人化”目標(biāo)的落地和推廣。

1 智慧礦山項(xiàng)目需求分析

1.1 煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型痛點(diǎn)及智慧化需求分析

目前，我國(guó)煤炭行業(yè)面臨安全生產(chǎn)嚴(yán)峻考驗(yàn)，隨著行業(yè)不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)的重視程度和要求不斷提升，而傳統(tǒng)的煤礦作業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)不能完全適應(yīng)和滿(mǎn)足當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的要求。將5G等信息化技術(shù)廣泛地應(yīng)用在煤炭安全生產(chǎn)中，有助于推動(dòng)我國(guó)煤炭行業(yè)的健康發(fā)展和智慧化轉(zhuǎn)型。

當(dāng)前煤炭行業(yè)從業(yè)人員流失嚴(yán)重，特別是煤礦工程技術(shù)人才隊(duì)伍短缺，給煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)影響，煤炭行業(yè)已經(jīng)到了必須從人力密集型行業(yè)向技術(shù)密集型行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。而運(yùn)用5G等信息化技術(shù)手段提升煤礦運(yùn)行效率，降低作業(yè)人員規(guī)模，是轉(zhuǎn)型升級(jí)的一條可行之道。智慧礦山的建設(shè)部署，能夠讓煤炭行業(yè)對(duì)人力的需求從簡(jiǎn)單的規(guī)模數(shù)量轉(zhuǎn)向求精求質(zhì)的高質(zhì)量人才，調(diào)整人力資源結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

智能掘進(jìn)、智能采煤、智能巡檢、無(wú)人礦卡及遠(yuǎn)程控制等智慧礦山應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)寬帶、時(shí)延及覆蓋等網(wǎng)絡(luò)性能提出了非常高的要求。5G作為最新一代成熟商用的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其大帶寬、低時(shí)延、高可靠的技術(shù)特點(diǎn)，正好能夠契合智慧礦山對(duì)無(wú)線通信的要求。

1.2 建設(shè)原則及目標(biāo)

礦山5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和部署是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，需要配合智慧礦山整體建設(shè)規(guī)劃和節(jié)奏，視情況分周期逐步推進(jìn)。

在建設(shè)部署礦山5G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，需要充分考慮現(xiàn)有各類(lèi)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)情況，做好融合互通，既要防止立煙囪式的隔離建設(shè)，又不能對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)和業(yè)務(wù)造成大的沖擊。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，充分考慮智慧礦山各類(lèi)智能化應(yīng)用需求。在具體實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)充分考慮當(dāng)期及未來(lái)各類(lèi)智慧礦山業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求，做到從整體規(guī)劃，易擴(kuò)展；注重技術(shù)創(chuàng)新，使用無(wú)線通信技術(shù)最新成果，結(jié)合礦山實(shí)際情況，開(kāi)拓創(chuàng)新，積極開(kāi)展各類(lèi)智慧礦山應(yīng)用，切實(shí)提升礦山智能化水平。

2 智慧礦山項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及建設(shè)模式

2.1 整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

礦山網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要分為應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層和感知層，如圖1所示。應(yīng)用層包含智慧礦山涉及的相關(guān)智能化業(yè)務(wù)，如智能采煤/掘進(jìn)、輔助運(yùn)輸、智能巡檢視頻分析以及遠(yuǎn)程控制等智慧礦山業(yè)務(wù)，最終對(duì)應(yīng)到礦山各類(lèi)信息化系統(tǒng)，如大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)、綜采工作面綜合管理系統(tǒng)、危險(xiǎn)源分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、透明礦山綜合管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、安全檢測(cè)系統(tǒng)以及應(yīng)急救援智慧系統(tǒng)等。

圖1 智慧礦山網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層包含核心網(wǎng)和基站接入網(wǎng)。核心網(wǎng)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心部分，起著承上啟下的作用，主要負(fù)責(zé)處理終端用戶(hù)的接入管理、會(huì)話(huà)管理、移動(dòng)性管理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘2]。感知層包含各類(lèi)信息傳感和采集終端，如通信類(lèi)終端、視頻采集終端以及物聯(lián)傳感終端等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式

2.2.1 5G核心網(wǎng)自建

考慮到礦山業(yè)務(wù)復(fù)雜性及礦區(qū)特別是井下環(huán)境的惡劣程度，考慮在礦山部署低成本小型化5G核心網(wǎng)，采用與運(yùn)營(yíng)商共享基站的模式接入基站，保障礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性和用戶(hù)管理的完全自主性。礦山相關(guān)業(yè)務(wù)通過(guò)礦區(qū)自建核心網(wǎng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)通承載。該網(wǎng)絡(luò)是一張真正的礦區(qū)5G專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)隔離和業(yè)務(wù)自主。

2.2.2 邊緣云下沉

在使用運(yùn)營(yíng)商5G公網(wǎng)核心網(wǎng)的情況下，為了進(jìn)一步保障礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性，并方便各類(lèi)礦山智能化業(yè)務(wù)的部署，可考慮在礦山自建下沉的邊緣計(jì)算技術(shù)（Mobile Edge Computing，MEC）/用戶(hù)面功能（User Plane Function，UPF）邊緣云，采用本地分流的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和業(yè)務(wù)加載，控制面數(shù)據(jù)由運(yùn)營(yíng)商的5G核心網(wǎng)承載，用戶(hù)面數(shù)據(jù)由礦區(qū)本地MEC/UPF邊緣云卸載在礦區(qū)本地，與業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)通承載。此模式下，礦山用戶(hù)數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，數(shù)據(jù)安全性得到保障，也有利于遠(yuǎn)程控制等低時(shí)延業(yè)務(wù)的開(kāi)展，但用戶(hù)管理和業(yè)務(wù)的開(kāi)通等操作仍需要在運(yùn)營(yíng)商5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 公網(wǎng)切片

此模式下，整套5G核心網(wǎng)均由運(yùn)營(yíng)商提供，數(shù)據(jù)和控制面數(shù)據(jù)流均通過(guò)運(yùn)營(yíng)商5G核心網(wǎng)承載，可考慮為礦業(yè)集團(tuán)和礦山在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署專(zhuān)用切片，滿(mǎn)足集團(tuán)、礦山的定制化業(yè)務(wù)需求。

3 5G智慧礦山無(wú)線網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

核心網(wǎng)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的三大組成部分之一。核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀。而對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分發(fā)，其實(shí)就是“路由交換”，這是核心網(wǎng)的本質(zhì)。

作為移動(dòng)通信網(wǎng)的核心部分，核心網(wǎng)起著承上啟下的作用，主要負(fù)責(zé)處理終端用戶(hù)的接入管理、會(huì)話(huà)管理、移動(dòng)性管理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?G核心網(wǎng)構(gòu)架主要包含基于服務(wù)的架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA）、控制面與用戶(hù)面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）以及網(wǎng)絡(luò)切片三大關(guān)鍵技術(shù)，本質(zhì)上是最終實(shí)現(xiàn)化整為零、由硬變軟的演進(jìn)過(guò)程。

3.1 基于服務(wù)的架構(gòu)

基于服務(wù)的架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA）采用云原生構(gòu)架設(shè)計(jì)，借鑒了IT領(lǐng)域的“微服務(wù)”理念。傳統(tǒng)網(wǎng)元是一種緊耦合的黑盒設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）從黑盒設(shè)備中解耦出網(wǎng)絡(luò)功能軟件，但解耦后的軟件依然是“大塊頭”的單體式構(gòu)架，需進(jìn)一步分解為細(xì)粒度化的模塊化組件，并通過(guò)開(kāi)放的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）來(lái)實(shí)現(xiàn)集成，以提升應(yīng)用開(kāi)發(fā)的整體敏捷性和彈性。基于這樣的設(shè)計(jì)理念，傳統(tǒng)網(wǎng)元先是轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function，NF），然后NF再被分解為多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。

SBA=網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)+基于服務(wù)的接口。網(wǎng)絡(luò)功能可由多個(gè)模塊化的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)組成，并通過(guò)基于服務(wù)的接口來(lái)展現(xiàn)其功能[3]，因此網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可以被授權(quán)的NF靈活使用。

3.2 控制面與用戶(hù)面分離

控制面與用戶(hù)面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）的目的是讓網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)（中心數(shù)據(jù)中心），也可部署于接入網(wǎng)（邊緣數(shù)據(jù)中心），最終實(shí)現(xiàn)分布式部署[4]。

事實(shí)上，核心網(wǎng)一直沿著控制面和用戶(hù)面分離的方向演進(jìn)。從R7版本開(kāi)始，通過(guò)Direct Tunnel技術(shù)將控制面和用戶(hù)面分離，在3G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（Radio Network Controller，RNC）和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（Gateway GPRS Support Node，GGSN）之間建立了直連用戶(hù)面隧道，用戶(hù)面數(shù)據(jù)流量直接繞過(guò)服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（Serving GPRS Support Node，SGSN）在RNC和GGSN之間傳輸。到了R8版本，出現(xiàn)了移動(dòng)性管理實(shí)體（Mobility Management Entity，MME）這樣的純信令節(jié)點(diǎn)。而到了4.5G和5G時(shí)代，這一分離的趨勢(shì)更加徹底，也更加必要，其中一大原因就是為了滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)時(shí)延的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（Key Performance Indicator，KPI）。光纖傳播速度為200 km·s-1，要在長(zhǎng)距離實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的毫秒級(jí)延時(shí)傳輸，需將內(nèi)容下沉，分布式地部署于接入網(wǎng)側(cè)（邊緣數(shù)據(jù)中心），使之更接近用戶(hù)，以降低時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)荷。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片

5G服務(wù)是多樣化的，包括車(chē)聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程醫(yī)療等[5]。不同的服務(wù)項(xiàng)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)有不同的需求，因此必須將網(wǎng)路切成許多虛擬而又彼此隔離的子網(wǎng)路，分別應(yīng)對(duì)不同的業(yè)務(wù)。對(duì)于如此靈活的切片工作，使用傳統(tǒng)大塊頭的黑盒設(shè)備是無(wú)法完成的，因此一定要進(jìn)行虛擬化、軟件化，并使網(wǎng)絡(luò)的功能進(jìn)行細(xì)粒度模塊化，才能進(jìn)行靈活組裝業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

智慧礦山是煤炭生產(chǎn)管理轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要發(fā)展方向。將5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入礦山煤炭安全生產(chǎn)中，能夠?yàn)榈V山建設(shè)提供良好的通信條件，推進(jìn)遠(yuǎn)程無(wú)人控制勘探、開(kāi)采及多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，提高生產(chǎn)過(guò)程的自治化和自主化運(yùn)行管控水平。5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，對(duì)我國(guó)采礦工程的安全性及效率提升具有積極的意義，智慧礦山也將成為未來(lái)礦業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。