相切環網絡在智能化地下礦山中的應用

〔摘 要〕以某鉛鋅礦為例，針對具有多個采掘中段同時作業或多個采區資源整合的地下開采礦山，對比了單環網絡和相切雙環網兩種網絡架構，結合后期多環網接入需求和網絡穩定性保障需求，對雙環網核心層進行了改進，提出了一種設置2臺核心交換機、采用冗余配置方案的改進型相切雙環網結構。對比發現，相較于傳統的單環網絡，相切環網絡既能保證各類數據傳輸穩定性，又能滿足網絡延時時間短要求，且網絡擴展性更好。將采用相切環網絡構建的多路萬兆級工業以太環網，作為整個智能化礦山數據傳輸的基礎網絡平臺，能夠承載井下各類電子信息系統業務，并配置工業網絡管理平臺，提高網絡管理效率，降低運維成本。

〔關鍵詞〕相切環網絡；萬兆工業以太網；智能化礦山；工業網絡管理平臺

中圖分類號：TD67;TN914" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）04-0032-04

Application of Tangent-ring Network in Intelligent Underground Mine

YU Liang

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" Taking a lead-zinc mine as an example， for underground-mining mines with simultaneous operation at multiple extraction levels or multiple areas resource integration， the paper compares the two network architectures of single-ring network and tangent dual-ring network. According to the demand for access to multiple-ring network and the demand for network stability at a later stage， the improvements are made to the core layer of the dual-ring network， proposing a kind of improved tangent dual-ring network structure， which is equipped with two core switches and adopts a redundancy configuration scheme. It is found in the comparison that compared to the traditional single-ring network， tangent-ring network can ensure the stability of various data transmission， while satisfying the requirements of shorter network delay， and have better network scalability. The multi-channel 10 gigabit industrial Ethernet ring network established with tangent ring network will be used as the basic network platform for the data transmission of the entire intelligent mine， it is capable of carrying various underground electronic information system services， equipped with an industrial network management platform to improve the network management efficiency and reduce the operation and maintenance costs.

Keywords" tangent-ring network; 10 gigabit industrial Ethernet; intelligent mine; industrial network management platform

為滿足智能化地下礦山的建設要求，井下需要設置多種電子信息系統，主要包括人員定位、監測監控、通信聯絡、交通燈控制、電機車無人駕駛、礦機設施遠程遙控和自動控制、通風機、水泵房和中央配電室的無人值守等系統[1-2]。這些系統業務不僅種類繁多、數據量大，要求數據傳輸穩定、可靠且實時性高，同時還須滿足數據融合共享的要求。為此，地下礦山開采需要構建1套帶寬高、延時低井下智能化網絡傳輸平臺，承載多系統業務的數據傳輸，從而實現多系統業務的數據融合，同時保證各類數據傳輸穩定性和可靠性。本文以某鉛鋅地下礦為例，介紹采用單環網絡、相切環網絡和改進相切換網絡3種方式構建的萬兆級網絡傳輸平臺，并對比兩種網絡架構的優缺點，以期為類似地下礦山智能化建設提供參考。

1 礦區概況

某鉛鋅地下礦為新建地下開采礦山，采用“豎井+輔助斜坡道”開拓運輸方式，探礦斜井作為輔助進風通道，北回風井作為礦山生產期間的回風通道。該礦設計規劃開采范圍為+160 ～-640 m，首采中段為-190 m、-240 m，回風聯絡工程和充填管路位于中段-140 m，溜破和提升工程位于-275～-355 m。開拓運輸方案主要工程包括主井、副井、輔助斜坡道、探礦斜井和北回風井。各生產中段均與副井、輔助斜坡道、探礦斜井、北回風井連通，并通達地表。具體布置見圖1。

在輔助斜坡道和探礦斜井地表入口毗鄰處設置有礦調度指揮中心，內配置礦山智能化系統所需的核心設備，包括超融合服務器、各管理工作站、網絡存儲設備、核心層交換機、IP程控交換機、OPC服務器、在線UPS和大屏顯示設備，管理整個礦區所有的智能化和信息化系統。

2 網絡架構方案比選

２.1" 三種網絡架構介紹

根據《金屬非金屬礦山安全規程》（GB 16423—2020）的要求，井下有線通信線纜應設2條，從不同的井筒連接井下設備，以保證在1條通信線纜發生故障時，另1條線纜仍可以正常工作。以太環網是由一組IEEE 802.1兼容的網絡節點組成的環形拓撲結構，每個節點通過網絡端口與其他兩個網絡節點相連[3]。結合規范中“每個礦井至少要有兩個安全出口”的要求，地下礦山網絡傳輸平臺采用以太環網方式構建最為合理[4]。這也是目前最為常用的方式，滿足實現系統傳輸鏈路的冗余要求。

2.1.1" 單環網絡

單環網絡將輔助斜坡道和副井兩個主要人員出入的安全通道，作為通信線纜出入井筒井口。該方案采用單模光纜，主干環網敷設路徑為礦調度指揮中心→副井→-240 m中段→輔助斜坡道→礦調度指揮中心，覆蓋了2個安全通道和最低生產中段。在礦調度指揮中心設置核心層交換機1臺，在副井井口，-140 m、-190 m等中段副井馬頭門，-240 m中段水泵房配電室、牽引變電硐室和避災硐室，-140 m、

-190 m、-240 m中段與斜坡道聯絡巷，以及輔助斜坡道口等主干環網關鍵節點設置環網交換機，共8臺。采用礦用光纖沿主干環網敷設路由，依次級聯所在路徑處設置的環網交換機，形成1個獨立的單環網絡。-275 m、-305 m中段和北回風井井口的接入交換機以樹形方式連接至主干環網。網絡架構詳見圖2。

圖2" 單環網絡拓撲結構示意

2.1.2" 相切雙環網

相切雙環網是在兩個單環網拓撲結構的重要傳輸節點上以相切的方式相連，實現環路網中兩個跨接網元整合一體。采用相切雙環網方案將輔助斜坡道、探礦斜井和副井3個主要人員出入的安全通道均作為通信線纜出入井筒井口，構建2條主干環網，路徑分別為：1）礦調度指揮中心→副井→-190 m中段→探礦斜井→礦調度指揮中心；2）礦調度指揮中心→副井→-240 m中段→輔助斜坡道→礦調度指揮中心。環網路徑覆蓋了2個首采中段和3個安全通道。設備設置上，在礦調度指揮中心設置核心層交換機1臺；在副井井口，-140 m、-190 m等中段副井馬頭門，-140 m中段與探礦斜井聯絡巷，-190 m中段牽引變電硐室，-240 m中段水泵房配電室，牽引變電硐室和避災硐室，以及輔助斜坡道口等主干環網關鍵節點設置環網交換機，共9臺。采用礦用光纖，均由礦調度指揮中心的核心層交換機引出，分別沿上述兩條主干環網敷設路由，依次級聯所在路徑處設置的環網交換機，形成兩個獨立的單環網絡。其中，-275 m、-305 m中段和北回風井井口的接入交換機以樹形方式連接至其中一條主干環網。相切環網組成的網絡架構詳見圖3所示。

圖3" 相切雙環網絡拓撲

由圖3可知，-190 m中段和-240 m中段兩個首采中段均構建1個獨立單環網，將核心交換機作為相切環的核心節點，采用相切環的架構實現兩個單環網整合。

2.1.3" 改進的相切雙環網

采用萬兆級工業以太網方式構建環網，所有的節點交換機應滿足工業級要求。目前，市面上各知名廠商的工業級交換機萬兆端口均不超過8個。考慮到預留2個萬兆端口經工業防火墻上傳至礦區智能化網絡平臺，核心交換機最多可實現3個獨立單環網組成的相切環。為滿足后期更多環網接入的需求，同時保證網絡穩定性，本項目對雙環網核心層進行了改進，在調度指揮中心設置2臺核心層交換機，采用冗余配置方案，其他區域設置的環網交換機、接入層交換機以及兩條主干環網的敷設路徑均和相切雙環網一致，網絡架構詳見圖4。改進后的網絡傳輸平臺可實現最多6個獨立單環網組成的相切環，足以滿足礦山需求。同時，冗余架構進一步保證核心層傳輸的可靠性，當1臺設備發生故障時能夠實時切換到另外1臺設備上運行，保證整個核心網絡不中斷。

2.2 三種網絡架構對比

針對上述單環網絡、相切雙環網絡、 改進的相切雙環網３種架構，在使用相同技術參數的交換設備前提下，從網絡結構、環網覆蓋區域、可靠性、實時性、可擴展性以及成本費用等多個方面進行比較，對比情況見表1所示。

３" "交換機選型

由網絡架構可知，網絡傳輸平臺使用地面核心交換機、環網交換機和接入交換機3種類型交換機。性能參數要求分述如下。

1）地面核心交換機。作為網絡流量的匯聚點和承載點，核心交換機負責連接各環網節點、各管理工作站群、數據存儲設備、核心管理設備和各服務器群等，同時滿足和礦區智能化網絡傳輸平臺的核心層對接要求。其應具備三層交換和網管功能（工業級，機架式），提供至少6個萬兆接口 +8個千兆光口+24個千兆以太網電口；支持VLAN、組播、QoS、快速冗余環等軟件特性，支持靜態路由、RIP、OSPF等標準化路由協議，支持基于NAT的IP轉換，支持基于SNMP的網管軟件，且環網自愈時間小于20 ms。核心交換機的供電由礦調度指揮中心的在線UPS提供。

2）環網交換機。作為網絡傳輸平臺的主干節點，同時考慮到承載業務前端設備需要的接入端口數量。環網交換機至少應具備二層交換和網管功能（工業級、機架式），提供至少4個萬兆接口 +8個千兆光口+16個千兆以太網電口；支持VLAN、組播、QoS、快速冗余環等軟件特性，支持基于SNMP的網管軟件，且環網自愈時間小于20 ms。環網交換機安裝在井下，需要放置在礦安認證的機柜內，且由在線UPS供電。

3）接入交換機。作為網絡傳輸平臺的支路節點，考慮承載業務前端設備需要的接入端口數量。接入交換機至少應具備二層交換和網管功能（工業級，導軌式），至少提供4個千兆光口+16個千兆以太網電口；支持VLAN功能和基于SNMP的網管軟件。該設備安裝在井下，可設置在礦安認證且具備2 h備用電源的機箱內。

４" "工業網絡管理平臺

為提高網絡管理效率、降低運維成本、減少網絡安全風險，為相切多環網絡設置1套工業網絡管理軟件。網管軟件部署在與井下智能化傳輸網絡相連接的地下礦山安全系統服務器上，滿足工業以太網中網絡設備的配置、監控和網絡診斷要求，可自動偵測到所有節點上的網絡和 SNMP/IP 設備，在本地或以遠程方式，通過 Web 瀏覽器管控所有節點上的網絡設備。

工業網絡管理平臺[6]具備以下主要功能：1）可視化，包括冗余網絡協議中的冗余鏈路狀態和設備角色可視化、VLAN 組圖像的可視化、顯示符合工業安全標準的網絡設備的通信安全狀態等；2）網絡診斷和事件通知，包括實時偵測問題或定期通過輪詢發現問題、可搜集帶寬利用率和數據包錯誤率等統計數字，并生成趨勢圖等；3）綜合報告，主要包括提供設備可用性報告和記錄、為網絡上的每臺設備生成庫存報告和生成網絡流量趨勢報告；4）實現帶寬分析，即將節點中所有交換機帶寬使用情況上報，根據網絡設定帶寬占用情況設置網絡告警信息；5）環網切換、網絡鏈路和設備狀態等提醒，以及界面方式呈現。

5" "結論

綜上所述，相切環網絡除成本費用更高外，在網絡結構、環網覆蓋區域、可靠性、實時性和可擴展性等方面優于單環網絡。對于構建智能化礦山的企業，選擇改進的相切環網更為合理，同時配置工業網絡管理平臺，有效減少網絡安全風險，提升網管效率。

相切環網除可以運用在多個采掘中段同時作業（每個采掘中段構建１個子環網）的礦山外，同樣適用于多個采區資源整合的礦山，每個礦區可構建一個子環網，即實現在礦調度指揮中心網絡整合，又保證每個礦區數據傳輸相互不干擾。

參考文獻

[1] 吳奶明.智慧礦山建設發展方案及趨勢的分析與研究[D]. 山西：太原理工大學，2020.

[2] 喬振峰，謝進，王占飛，等.基于“7+1+1”基礎架構的智能礦山建設[J].工礦自動化，2022，48（增刊1）：1-5.

[3] “科普中國”科學百科詞條編寫組.以太環網[EB/OL].（2022-03-22）https：//baike.baidu.com/ item/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%8E%AF%E7%BD%91/10388854？fr=ge_ala.

[4] 胡繼峰，張文濤，薛德強，等.復雜條件下礦井萬兆環網升級改造研究與應用[J].煤炭科學技術，2020，48（增刊2）：92-97.

[5] 何加. 光網絡生存性技術的理論研究和仿真分析[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.

[6] 姜玉峰. 礦用PON及其演進技術研究[J]. 中國礦業，2023，32（10）：88-94.

收稿日期：2023-10-26

基金項目：江西省重點研發計劃項目（項目編號：贛科發計字〔2021〕142號）

作者簡介：余亮（1985—），男，高級工程師，主要從事通信工程設計、實施工作。