煤礦5G融合通信管理平臺研究

王可冰，張立亞，姜玉峰，康守信

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

0 引 言

隨著煤礦開采規模的擴大以及安全生產要求的提高，井下的環境監測、視頻監控、遠程控制、避險救災等各類系統在不斷增加，對井下通信系統提出了更高的要求[1-5]。目前，煤礦井下普遍部署了4G、WiFi、人車定位、數字廣播等多個通信系統，各個系統獨立工作，數據閉環管理，缺乏系統之間的功能聯動。5G是新一代移動通信技術，具備大帶寬、低時延、廣連接的特性，能夠在煤礦智能化建設中發揮重要作用，促進煤炭工業的高質量發展[6-7]。

本文結合我國的煤礦智能化建設需求，構建煤礦5G融合通信管理平臺，將5G通信與4G通信、程控調度、數字廣播、視頻監控、人車定位等系統相融合，建立集生產、安全、信息、設備等于一體的綜合管控機制，實現煤礦日常生產的標準化、精細化管理。

1 總體設計

煤礦5G融合通信管理平臺整體設計如圖1所示。由圖1可知，煤礦5G融合通信管理平臺自上而下分為地面控制部分、中間傳輸部分和井下終端部分。地面控制部分通過在煤礦企業的中心機房部署融合通信管理平臺服務器、4G/5G系統核心網、程控調度語音網關、視頻監控管理服務器、數字廣播服務器、人車定位系統服務器及GIS地圖服務器等核心設備，利用SIP軟件換協議、高速路由/交換技術和開放的業務應用程序接口等關鍵技術，打破系統之間的壁壘，形成統一的融合通信平臺，可提供長期演進語音承載VoLTE(Voice over Long-Term Evolution)/VoNR(Voice over New Radio)高清音視頻通話及群撥，組播，強插、強拆、監聽、代接、轉接、錄音、禁止通話等多種調度功能、系統控制功能、軟件管理功能和關鍵數據的收集、存儲、整理、統計等功能。中間傳輸部分利用光纖環網和綜合分站等傳輸設備，對接入網的數據進行傳送與交換，包括語音視頻數據的切片傳輸、本地和邊緣數據的集群業務等。井下終端部分包括井下本安型手機、智能礦燈、無線攝影儀、人員定位卡、語音車輛定位卡、廣播音箱、有線話機等設備，是平臺的前端應用設備，能夠接收控制信息，上傳設備數據，保障工作人員的生產工作。

圖1 煤礦5G融合通信平臺整體框架

2 主要功能

2.1 統一的調度管理

平臺提供標準的數據通訊接口，能夠實現基于軟件和硬件的井上和井下雙融合。地面通過一臺觸摸屏調度臺實現有線、無線、廣播、監控、定位的立體化綜合調度，井下使用本安型綜合分站實現千兆傳輸、4G/5G通信、WiFi數傳的一體化管控。融合通信管理平臺調度服務器、4G/5G核心網、語音數字網關和廣播服務器之間通過有線連接到核心交換機，實現物理上互聯互通，采用SIP協議作為控制協議，手機、有線電話和廣播音箱等設備以相同的SIP用戶的方式注冊到調度服務器，調度服務器會周期性向終端發送OPTION消息，終端收到消息后回復OK信息，表示心跳響應，調度臺上顯示用戶在線，若服務器連續下發3次OPTION消息而沒有收到終端回復的OK信息，判定終端離線。調度系統使用訂閱等方式獲得呼叫、強插、強拆、監聽標識，實現語音通話、視頻通話、強插、強拆、監聽等業務操作，實現調度系統對4G/5G通信系統、數字廣播的統一管理及系統間的融合互通。調度系統與GIS地圖對接采用頁面嵌入式方式，系統之間通過接口調用完成交互式調用，頁面嵌入時，調度系統頁面采用iframe方式集成和加載GIS頁面，GIS頁面作為子層加載后，調用后臺接口獲取人員列表、設備列表、報警等信息，調度系統頁面可以直接調用子系統提供的接口，網頁使用message方式監聽GIS地圖發送過來的消息，進而實現GIS地圖上放大、縮小、平移、對目標區域內人員定位、音視頻通話、下發廣播、調取視頻流等各種互操作功能。平臺使用hls.js開源庫來實現視頻監控功能，開源的hls.js是一個基于HTML5和MSE技術的JavaScript庫，實現無插件的方式將MPEG-2格式的TS流文件轉換成MP4視頻流，使得TS流文件可以在HTML5中的

利用融合通信平臺進行統一的調度管理，不但可以解決井下各類設備的橫向集中，系統相互獨立而造成的問題，還可以滿足統一指揮、快速反應、協同運作、動態管理和科學決策的需要，智能化聯動各子系統，對井下“人、機、物、環”監測信息的全面感知、分析和調度，做到事前預防，事中控制，事后分析。

2.2 多系統應急聯動技術

當監測監控系統檢測到井下工作場所的異常數據時，通過4G/5G和光纖環網將異常數據上報到地面控制機房，觸發調度臺上的聲光報警系統，調度人員可以通過精準定位系統快速定位當前處于危險區域的工作人員，通過定位卡下發報警信息，應急廣播系統播放特定的音頻或喊話，視頻監控系統調取危險區域的實時視頻，調度臺可通過強拆、強插、監聽等操作管理危險區域內任何通話，通過語音或短信等方式下發危險通知，信息引導發布系統播放指定報警信息及逃生線路指南，引導工作人員快速撤離，應急聯動框圖如圖2所示。

圖2 應急聯動框圖

2.3 支持5G SA

數字化礦山的5G網絡建設，應當能夠滿足獨立組網、獨立運行的需求，保障通訊和數據傳輸的安全可靠[8-10]，如圖3所示。 平臺支持5G SA(Standalone)，既能夠獨立運行，也能夠與其他專網和公網進行對接，并支持NFV(Network Functions Virtualization)架構，以云基礎設施為核心，可運行于標準化硬件設施和增強及定制化硬件設備(包括通用服務器、存儲、網絡設備、定制化一體機、智能網卡、加速硬件等)之上，對外提供虛機，裸機和容器的基礎虛擬化單一或混合資源服務。平臺中可部署最多2 000臺5G基站，每個井下基站可以支持的同時通話的無線終端數不小于32部，5G基站信號覆蓋距離井下不小于400 m，地面不小于800 m，無線設備接收靈敏度≤-94 dB，基站BBU與射頻單元之間的傳輸距離不小于10 km，無線傳輸速度上行峰值可達600 Mbps，下行峰值可達500 Mbps，通過5G切片技術提供礦區場景的專用網絡切片，保障“5G+智能監控”“5G+無人礦車”“5G+無人機”和“5G+智能傳感”等不同業務場景的低時延、大帶寬、高可靠性的網絡需求，滿足礦區通信網絡云化部署的先進性和未來演進要求。

圖3 5G專網網絡架構

2.4 多種方式出局

根據煤礦建設的需求，平臺還應滿足與運營商公網的語音對接的需求。平臺支持全種類中繼信令，如SS7、NO.1、PRI、SIP、H.248、H.323、MGCP信令協議，支持數字中繼網關、環路中繼網關兩種方式出局，通過局向對接可以實現與各類專網或運營商公網語音互通，實現井上井下“一網一號”，有效降低調度管理的難度、提高調度管理效率[11]。

通過運營商部署在煤礦企業的互通網關和SIP中繼，可以實現5G專網與公網的語音互通，如圖4所示。當公網用戶呼叫公網用戶時，執行公網標準呼叫流程；當公網用戶作為主叫，呼叫專網覆蓋井下的用戶時，公網主叫用戶在尋呼不到被叫用戶或者查詢到被叫用戶為不可達時，根據被叫號碼預先登記不可及呼轉進行轉接，將被叫通過運營商IMS將呼叫轉至煤礦專網網絡，煤礦專網收到呼叫號碼，根據預先約定的號碼轉換規則將呼叫轉接至指定用戶；當專網用戶作為主叫，呼叫公網用戶時，專網網絡在本地查詢不到被叫用戶或者被叫用戶不可達，即將呼叫提供SIP中繼送運營商IMS網絡，由運營商完成后續轉接呼叫；當專網用戶呼叫專網用戶時，由專網網絡內部進行處理。煤礦專網與運營商網絡通過內部專線互通，不經過互聯網對接，雙方網絡相對獨立，對接網元少、鏈路少、故障點少，具有較好的網絡安全保障，能夠將專網對運營商公網影響降到最小。

圖4 融合通信平臺與運營商公網對接

2.5 VoNR高清音視頻通話

音視頻通話功能在煤礦企業的日常通信管理調度中扮演了重要的角色。相比目前常用的VoLTE技術，VoNR技術擁有超低通話接通時延，可以做到秒撥秒通，能夠有效減少等待交換機反饋回鈴音時間[12]。VoNR技術還全面支持EVS(enhance voice services)編解碼，音質更高，能有效降低通話過中的雜音，在視頻通過過程中，VoNR分辨率可以達到720 P，遠遠高于VoLTE的480 P，可以為用戶提供更清晰的畫面。用戶語音、數據同時常駐5G網絡，5G網絡下使用音視頻通話時不再需要回落4G網絡，整體穩定性體驗比4G網絡更強。5G核心網通過IMS與語音調度系統等相結合，實現5G通訊本地化，具體流程如下所述。

1) 用戶終端向CSCF(call session control function)發起注冊，CSCF查詢HSS(home subscriber server)獲取用戶AS(application server)，CSCF先向SSS發起注冊，再向調度服務器發起注冊。備注：商用局點CSCF/HSS負責對移動終端提供IMS AKA(authentication and key agreement)鑒權，對固定終端提供SIP Digest鑒權。

2) 調度服務器做被叫流程，終端將invite消息送到CSCF后，CSCF先將呼叫觸發到SSS，完成SSS的業務觸發后，再將呼叫送到調度服務器，與調度服務器建立呼叫，如圖5所示。

圖5 調度服務器做被叫流程

3) 調度服務器做主叫流程調度服務器發送invite到CSCF，CSCF查詢HSS后，返回SSS信息，將invite送到SSS，觸發完SSS相關業務后，CSCF將呼叫送到被叫UE，如圖6所示。

圖6 調度服務器做主叫流程

2.6 基于三維GIS的動態管控

根據煤礦井下的CAD坐標，生成三維GIS展示地圖，將GIS地圖與廣播系統、監控系統、定位系統相融合，把煤礦井下位置信息和相關屬性有機結合起來，進行各種管理決策。定位系統采用基于TOF(Time of Flight)算法的高精度定位技術，定位精度高達30 cm，最大巡檢周期應不大于5 s，被測目標最大位移速度不小于7 m/s，漏讀率不大于10-4，系統傳輸誤碼率≤10-8，最多可接入512臺礦用本安型讀卡分站，識別65 530個識別卡，并發識別數量最多支持100張。在GIS地圖上標注廣播音箱、攝像頭、綜合分站、打卡機的具體位置，實時查看設備運行狀態。監控人員可以在GIS地圖界面進行放大、縮小、平移等操作，調取對應區域的視頻流，查看人員、車輛、設備的分布和走動情況并且對其行駛軌跡進行存儲。根據礦用本安型手機、人車定位卡、攝像頭、廣播音箱和信息礦燈上傳的圖片、錄像、報警信息，在GIS地圖上實現可視化調度。當攜帶定位卡的人員/車輛/物品進入井下網絡覆蓋范圍內，無論任何時刻任意一點，綜合分站都可以接收到定位卡周期性自發的信號，并經過井下環網把定位數據上傳到信息工作站，經過軟件分析處理后，得出各定位卡具體信息(如是誰、在哪個位置、具體時間)，同時可把數據實時動態顯示在監控中心的大屏幕或電腦上，并儲存備份，調取對應區域的視頻流，通過有線、無線、廣播等多種方式與井下人員進行通信與調度，便于井上管理人員隨時了解井下的狀況。

3 平臺應用效果

在我國西北地區的井工礦井下開展了煤礦5G融合通信管理平臺的現場應用，具體情況如下所述。

1) 建設中央變電所、水泵房、智能工作面等井下關鍵場所5G覆蓋網絡，實現5G高清音視頻通話，還可以實現機器人智能巡檢、4K/8K高清視頻采集(圖7)、智能單兵及監控設備采集數據實時回傳等數據傳輸功能，將5G通信系統與煤礦井下各子系統進行融合，進一步加快煤礦智能化、少人化建設，對煤礦井下進行實時高效全面監控。

圖7 高清視頻監控

2) 將井下攝像機與融合通信基站、礦用本安型電話、廣播音箱和信息礦燈等設備綁定，一旦井下工作人員向調度中心發起通話時，調度中心的調度員通過定位卡信息定位工作人員的位置，通過攝像頭、信息礦燈上傳視頻可以查看到井下通話人員周圍的環境情況，當電話掛斷后，圖像信息立即消失。當調度中心調度人員需要了解井下的實時動態信息，通過多媒體調度臺向井下融合通信基站或礦用本安型電話發起通話時，平臺會自動調取視頻圖像供調度人員查看，電話掛斷后視頻圖像自動消失。礦井發生突發險情時，平臺可以智能聯通各子系統，在GIS地圖上快速定位到險情發生的位置，利用高清攝像頭查看井下實時險情情況，人車定位卡上報人員、車輛的具體位置信息，本安型手機下發險情撤離信息，廣播音箱廣播避險方案，如圖8所示，引導工作人員高效精準避險。

圖8 關鍵區域進行數字廣播

3) 在GIS地圖上關鍵位置設置電子圍欄，利用攝像頭、人車定位卡、智能礦燈等多種方式對目標區域進行監控，當有工作人員進入目標區域、工作人員在目標區域內長時間滯留或者進入目標區域的人員數量超過閾值，調度臺上會立刻進行聲光報警并播放現場實時視頻信息，根據設置的預案，發送短信息或者語音呼叫區域負責人和違規人員，如圖9所示，對目標區域進行告警廣播，提醒工作人員注意事項，避免事故的發生。

圖9 GIS地圖上人員定位

4 結 語

煤礦5G融合通信管理平臺利用5G通信系統優勢將程控調度系統、數字廣播系統、視頻監控系統和人車定位系統進行有機結合，使井上井下統一通信，智能聯動，加強了多系統協同合作能力，提高了井下安全保障、企業風險管控能力，實現了設備、運行、生產、經營管理的互聯，整體提升煤礦企業的生產效率和靈活性。