礦山通信的網絡信息安全問題及無線網絡構建研究

楊燕妮 孟樂

摘要：在礦山生產過程中，各種監控、控制系統需要通過網絡進行數據傳輸，因此保障網絡信息安全，對于維持礦石開采正常運作有巨大意義。當礦山通信出現網絡不安全問題時，容易影響生產安全，造成嚴重的人身傷亡和財產損失。鑒于此，將針對礦山通信中易見的網絡信息安全問題展開研究和剖析，結合這些問題提出具有更高安全性的礦山通信無線網絡構建策略，以此規避風險事故的發生。

關鍵詞：礦山通信；網絡信息安全；無線網絡

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.004

中圖分類號：TN 915.08，TN 92? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）04-00-05

Network Information Security Issues and Wireless Network Construction Research in Mine Communication

YANG Yanni， MENG Le

（China Mobile Communications Group Inner Mongolia Co.， Ltd. Ordos branch? Ordos 017000， China）

Abstract： In the process of mine production， various monitoring and control systems need to transmit data through the network， hence ensuring network information security is of great significance for maintaining the normal operation of ore extraction. When network insecurity issues arise in mine communication， it can easily affect production safety， causing severe personal injuries， casualties， and property losses. In view of this， this paper will conduct research and analysis on the prevalent network information security issues in mine communication. Combining these issues， it proposes a strategy for constructing a more secure wireless network for mine communication to avoid the occurrence of risk incidents.

Keywords： mine communication; network information security; wireless network

礦山通信主要負責礦山開采中地下和地面環境的語音通信、數據視頻傳輸等。由于礦山環境的特殊性，存在空間狹窄、爆炸危險、電磁干擾等諸多限制因素，因此礦山通信出現網絡信息安全問題的概率也更高。針對礦山通信中的信息安全問題易發生情況，需要針對性進行無線網絡的構建，以避免安全問題的影響擴大化，對礦山生產造成阻礙。

1? ?礦山通信中常見網絡信息安全問題

1.1 中斷問題造成的通信穩定性差

在礦山環境中，通信網絡的中斷是常見問題之一，該問題的發生意味著礦山內的工作人員無法實時進行信息交流和緊急呼叫，將嚴重妨礙礦山應對突發緊急情況的能力，進而導致事態的擴大和后果的加劇[1]。比如當發生事故、礦井坍塌或火災等緊急情況時，及時的溝通和通報對于救援人員的迅速響應至關重要，但通信網絡中斷將使作業地區的緊急情況無法迅速傳達，延誤了救援工作的啟動，增加了救援人員的到達時間，延緩了救援的及時性，增大了工作人員遇險的安全風險。通信網絡中斷還會造成礦山工作人員的孤立和無法獲得指導。在礦山作業中，工作人員通常需要與指揮中心或其他部門進行通信，以獲取工作指示、更新工作進展或報告異常情況。如果通信網絡中斷，工作人員將失去與外界聯系的能力，無法獲得迅速的指導和支持，讓工作人員在危險環境中的工作變得異常困難，增大事故發生概率和傷亡損失。

1.2 惡劣環境下的設備耐用性和可靠性

礦山的作業環境惡劣，通信設備的耐用性和可靠性面臨極大的挑戰，如高溫、高濕、多塵等極端條件對通信設備的電子元件和機械結構都會造成侵害，長時間在這種環境下運行，容易導致設備過熱、電路短路、機械結構磨損等問題，影響設備的正常運行和使用壽命。另外，礦山中的大型機械、高壓電纜等設備會產生強烈的電磁干擾，這對通信設備的抗干擾能力提出了更高的要求，當設備的抗干擾能力不足時，就會導致信號傳輸質量下降、數據丟失甚至通信中斷等問題[2]。

1.3 物理安全問題引發的安全隱患

在礦業生產實踐中，地殼構造活動引發多種物理性安全隱患，諸如地震以及巖層塌陷等地質災害。這些自然現象對通信基礎設施構成了顯著的威脅，具體表現為通信線路的斷裂、信號傳輸中斷以及基站結構的破壞。特別是巖層塌陷，它不僅能夠直接摧毀通信設施，還會造成設備被掩埋，進而導致通信網絡的中斷和礦山生產的停滯。因此在網絡通信建設中，對于礦山通信系統的可靠性和抗災能力提出了更高的要求，礦山通信必須能對礦山地區的物理現象有良好的適配性，才能確保在地質構造活動影響下的通信連續性和生產安全。

2? ?網絡信息安全問題的發生原因

2.1 通信環境的制約

礦山通常位于偏遠或地形復雜的地區，這些地區的信號覆蓋不足，導致通信網絡不穩定或中斷，比如因為礦山的巖層、礦井深度等因素對通信信號產生屏蔽或衰減作用，導致信號弱或中斷，礦山的巖層中含有各種礦物質，這些礦物質對通信信號具有一定的屏蔽作用。當通信信號穿過巖層時，信號會被部分吸收和反射，導致信號強度減弱。特別是在礦井深處，信號屏蔽作用更加明顯，通信信號在傳播過程中會隨著距離的增加而逐漸衰減。在礦井環境中，信號需要在復雜的巖層中傳播，信號衰減速度會更快。礦井深度越大，信號傳播的距離就越長，衰減程度也越嚴重[3]。這會導致信號在到達目的地時變得非常微弱，且會遇到多個障礙物，如巖層、礦井支架等。這些障礙物會使信號發生反射、折射和散射，產生多條傳播路徑。當這些路徑的信號到達接收端時，會出現相位差異，導致信號相互干涉，影響通信質量，這種現象稱為多徑效應。此外，還有通信設備出現故障或損壞問題，如天線、饋線、通信基站等，導致通信信號無法正常傳輸。同時，通信設備的運行需要穩定的電力供應，如果供電系統出現故障或中斷，通信設備也將無法正常工作。

2.2 作業條件的限制

礦山開采過程中，爆破、機械挖掘、運輸等活動會產生大量的塵埃和碎屑。這些塵埃會在空氣中懸浮，造成空氣污染，形成多塵的環境，并且，某些礦物在開采和加工過程中會產生細小的粉塵，這些粉塵在空氣中彌漫，增加了礦山地區的塵埃含量，灰塵粒子吸收或散射無線信號，影響無線通信的傳輸距離和質量，導致網絡節點失效，影響整個網絡的穩定性和連通性。這對于依賴穩定網絡連接的礦山自動化系統和監控系統來說是嚴重的問題[4]。

地下礦山的環境通常比地表更加穩定，不受季節性氣候變化的影響，但由于缺乏自然通風，地下礦山中的熱量和濕氣很難散發出去，導致溫度和濕度的升高，高溫導致電子設備的溫度升高，超過其正常工作溫度范圍，加速電子元件老化，降低其性能和可靠性。高濕導致電路板和連接器內部的腐蝕，影響電氣連接的穩定性。多塵環境導致灰塵進入設備內部，堵塞散熱孔和風扇，影響散熱效果，也導致電路短路。在礦山開采和礦物加工過程中，需要使用大量的水進行冷卻、抑塵等，這些水分會在環境中蒸發，增加空氣中的濕度，影響電纜和天線等傳輸介質的性能，導致信號衰減或傳輸錯誤。

2.3 生產空間的影響

礦藏通常位于地下深處，地下的地質環境比地表更為復雜。地震波在地下傳播時，會遇到更多的障礙物和不同的巖層，這導致地震波能量的聚焦或分散，放大或改變地震的影響。這種復雜性使得地震在礦山中的影響更為不確定和難以預測。礦山中的通信線路和設施通常是為了支持礦山的生產和管理而設計和部署的，這些線路和設施往往密集分布于礦井內部和周邊地區，在開采過程中，巖層的原始應力狀態被改變，導致巖層的穩定性下降。當地震發生時，原本就脆弱的巖層更容易發生斷裂和塌陷，這些地質活動會直接破壞通信線路和設施，當地震發生時，礦山內部的通道會被堵塞，通信設施被破壞或掩埋，這給災后的救援和恢復工作帶來了極大的困難。由于通信中斷，礦山內部和外部的聯系暫時喪失，使得救援工作難以迅速有效地展開。

3? ?無線網絡對網絡通信安全問題的應對優勢

3.1 針對通信故障的有效克服

在礦山環境中，通信網絡的中斷是一個常見且嚴重的問題。由于地形的特殊性、環境的復雜性和設備的老化，通信網絡的中斷時有發生。無線網絡作為一種靈活、可靠的通信技術，在解決礦山通信中斷問題方面具有顯著優勢。無線網絡的拓撲結構具有較高的自愈能力。當某個節點或路徑發生故障時，無線信號可以自動尋找其他可用路徑進行傳輸，減少通信中斷的可能性。這是因為無線網絡采用了動態路由選擇技術，當檢測到某個節點或路徑不可用時，網絡會自動選擇其他可用路徑進行數據傳輸，保證通信的連續性和穩定性?，F代無線通信技術還采用了多種抗干擾技術，如頻率跳變、編碼技術和多輸入多輸出（MIMO）等，能夠在復雜多變的礦山環境中保持通信的穩定性[5]。頻率跳變技術可以使無線信號在不同頻率之間快速切換，避免長時間停留在某個受干擾的頻率上。編碼技術可以提高信號的抗干擾能力，使得即使信號受到一定程度的干擾，仍然可以恢復出原始信息。MIMO技術可以通過多個天線同時發送和接收信號，提高信號的質量和穩定性。

3.2 針對惡劣環境的良好適應

無線網絡的維護成本較低，這在礦山環境中尤為重要。有線網絡在礦山環境中面臨著機械損傷、腐蝕以及連接點老化等問題，這些問題往往導致高昂的維護成本。例如，礦山的重型機械作業可能導致電纜被意外切斷，或者在潮濕環境中，電纜的絕緣材料可能因腐蝕而失效。而無線網絡通過無線電波傳輸數據，無需物理線路連接，避免了這些潛在的物理損害。無線網絡的故障診斷和修復也更為簡便，因為無線網絡的設備通常具有自我診斷功能，維護人員可以通過遠程監控來識別和解決問題，減少了現場檢查的需求[6]。

無線網絡的擴展性是其在礦山環境中應用的另一個關鍵優勢。隨著礦山生產規模的擴大或生產需求的變化，通信網絡需要能夠快速適應這些變化。無線網絡的部署和調整相對靈活，可以根據礦山的實際需求進行網絡節點的增加或移動，而不需要對物理基礎設施進行大規模的改動。當礦山需要擴展到新的區域時，無線網絡可以通過簡單的配置更新和新增接入點來實現網絡的覆蓋擴展。這種靈活性使得無線網絡能夠以較低的成本和較短的時間來適應礦山的生產變化，提高整個礦山的運營效率。

3.3 降低物理安全問題對硬件影響

在地震等自然災害中，有線通信系統可能會因為物理線路的斷裂而遭受嚴重破壞，導致通信中斷。而無線網絡由于不依賴物理線路，其受到的物理損害可能性較小。即使部分無線接入點（AP）或通信設備遭到破壞，其他未受影響的設備仍能維持通信網絡的基本運作，保障關鍵信息的傳輸。這種抗破壞能力使得無線網絡在地震等災害發生時，能夠提供更加穩定和可靠的通信服務。并且在地震等災害發生時，無線網絡的即時連接能力使得礦工和地面指揮中心可以迅速獲取災情信息，進行有效的應急決策和資源調度，礦工和地面指揮中心可以迅速建立聯系，并立即進行緊急疏散和救援指導，無線網絡還可以支持實時視頻傳輸，使得地面指揮中心得以迅速、直觀地了解災情，為救援工作提供更加準確的信息支持，最大限度減少事故損失。

4? ?礦山通信中的無線網絡架構策略

4.1 通信服務化架構搭建

在礦山無線通信網絡設計中，服務化架構（SBA）是構建網絡控制面的關鍵組成部分。與傳統的基于拓撲的網絡設計相比，SBA架構通過接口的升級和擴展，確保了網絡功能的靈活性和可擴展性，并保持了網絡功能提供的一致性。這種架構特別強調網絡功能故障管理的智能化特點。SBA技術能夠通過軟件服務重新構建礦山無線通信網絡的核心網，并自動化地完成不同網絡功能的組網，實現即插即用的目標。在設計SBA架構時，主要遵循3GPP規范TS23.501中與SBA理念相關的要求。在SBA架構中，傳統的網絡元素被網絡功能（NF）所替代，服務間的操作取代了傳統網絡元素間的接口，提高了組件的重用效率。通過使用各種功能體間的參考點，如N1、N2、N3、N4、N6、N9等，調用獨立的功能模塊變得更加靈活，并且可以重用微服務模塊。此外，基于HTTP的服務化接口（SBI）支持同步滿足“請求—響應—訂閱—發布”的通信需求，同時在外部展示中采用API形式，能夠構建智能化和自動化的服務管理框架。

礦山無線通信網絡設計采用以下關鍵技術。①基于消息交互的服務提供。為了簡化網絡功能（NF）之間的交互，該架構采用了Subscribe-Notify與Request-Response兩種主要的交互模式。在這種模式下，網絡功能服務用戶可以向后臺方請求所需的服務，后臺一旦有新的數據或狀態變化，會主動通知用戶。用戶也可以主動請求特定的服務，后臺根據請求內容返回相應的結果；②自動化服務注冊與發現。在礦山無線通信網絡中，各種設備和服務都應以服務化的方式呈現，并能在網絡中自動注冊和發現。這使得其他設備或服務能夠方便地找到并復用這些功能。注冊與發現機制依賴于核心網絡中的NRF功能，它可以接收并維護其他NF的服務注冊信息，支持服務的自動發現；③統一的服務化接口協議。在考慮了IT化、微服務化和虛擬化的需求后，架構應定義了一套統一的接口協議棧，比如傳輸層的TCP、應用層的HTTP/2.0以及序列化協議的JSON。

4.2 在通信系統中加入邊緣計算

在礦山無線通信網絡設計中，邊緣計算（Edge Computing，EC）的應用對于提升網絡性能和效率具有重大意義。通過在UE（用戶設備）附近部署邊緣計算節點，可以有效地降低端到端的傳輸時延，減輕網絡負載，并促進業務的高效交付，邊緣計算在礦山通信網絡中的支持能力包括：①本地路由。通過在核心網中使用用戶平面功能（UPF），引導用戶流量至本地數據網絡，減少遠程數據中心的訪問需求。②流量加速。核心網引導應用功能至本地數據網絡，優化業務流量，提高傳輸效率。③EC服務兼容移動性限制。支持移動設備的無縫切換，同時保證業務的連續性。④支持QoS和計費。確保服務質量（QoS）滿足需求，并支持靈活的計費策略。⑤用戶面選擇及重選?；趹霉δ艿男枨螅瑒討B選擇或重選UPF，以優化數據流路徑。⑥連續性的會話與業務。即使在設備移動或網絡切換時，也能保持會話和業務的連續性。

通過MEC（多訪問邊緣計算）的應用，不僅能夠降低端到端（E2E）的時延，為礦工提供更優質的通信體驗，還能在本地處理數據，減少回傳網絡的流量，降低網絡成本。在MEC的支持下，移動網絡與互聯網的融合程度將得到加強，為礦山通信帶來新的業務機會。對于設備供應商和運營商而言，邊緣計算的戰略意義顯著。引入MEC后，網絡架構中的用戶面可能會面臨一些挑戰，如UPF的選擇和重選、業務分流和連續性保障等，同時也會影響QoS、計費和能力開放等方面。在PDU會話管理方面，SMF（會話管理功能）控制數據路徑，確保PDU會話與N6接口同步。在同一個PDU會話中，多個LUPF可以支持相同的DN服務。會話建立時，與分配的UPF和PDU會話相關聯，而分配給同一PDU會話的附加UPF則是與PDU會話分離的SSC模式，可以選擇性地將業務路由到更接近UE的DN。

4.3 通過面層分離提高通信及時性

在礦山無線通信網絡設計中，面層分離技術是一項至關重要的基礎技術，它涉及用戶面和控制面之間的有效區分。在礦業生產中，信息傳遞的實時性對于保障作業安全、提升生產效率具有顯著影響。若通信網絡存在延遲，會導致指令傳達不暢，影響生產流程的連續性和效率，嚴重時甚至可能帶來安全隱患。例如，在智能采礦作業中，各種自動化采礦設備需要實時準確地接收控制指令，并快速響應以驅動執行裝置進行作業。采用低延遲的通信網絡技術，特別是面層分離技術，能夠確保控制指令的實時傳輸，提高采礦作業的效率和安全性。通過在礦山通信網絡中應用面層分離技術，可以實現控制面與用戶面的獨立部署，構建分布式網絡架構。該技術能夠根據礦工的位置信息，自動接入最近的無線接入點，確保網絡連接的穩定性和速度，避免由于控制層面與用戶層面的干擾而影響通信質量。此外，面層分離技術還使得網絡通信系統能夠獨立擴展容量，提高了網絡設計的靈活性。在礦業生產環境中，這種靈活性對于應對不斷變化的生產需求和應對緊急情況尤為重要。通過優化網絡架構，可以更好地支持礦業生產的自動化、智能化發展，提高生產效率和安全性，促進礦山行業的可持續發展。

4.4 無線通信的網絡切片設計

無線通信網絡中，網絡切片這項技術至關重要，是以業務場景為基礎按需完成網絡定制得以實現的基礎之一，各網絡切片支持隔離或共享資源，端（源端點）至端（目標端點）邏輯子網的網絡切片由控制與用戶平面核心網絡、無線接入網、承載網、IP傳送網組成，多領域協同配合至關重要。核心網切片標準現階段發展迅速，通信網絡核心網基本實現終端與網絡的功能及流程，但在切片管理方面仍有待進一步優化。無線網切片技術難度較大，業界仍在持續研究相關技術方案。承載網切片表現出較獨立的發展情況，與移動網間的專業聯動/打通匱乏。切片管理是定制通信網絡切片及自動化部署的必要前提。

網絡切片管理架構主要由網絡切片管理（NSMF）、通信業務管理（CSMF）和網絡切片子網管理（NSSMMF）三部分組成。網絡切片管理支持切片的編排管理，并將整個網絡切片中SLA分解為無線網切片子網、核心網切片子網及承載網切片子網等諸多切片子網SLA；通信業務管理主要負責向網絡切片映射業務需求；網絡切片子網管理主要承擔將SLA映射成網絡服務配置要求及實例的職責，并傳達指令至MANO，在MANO的基礎上編排網絡資源。在調度承載網絡的資源時，協同承載網絡管理系統是不可或缺的前提條件。

基于NFV/SDN的切片業務中，切片運維是由NFV/SDN技術成熟度決定難易程度，因此需要提高對NFV/SDN技術落地及運營的重視程度。通信網絡現階段在端到端切片方面的成熟度有待提升，所以需要繼續深入研究網絡切片設計、管理和編排等內容，如無線網、承載網及核心網跨專業協同、OSS/BSS與切片管理融合、MANO與網絡切片子網管理協同等。使用通信網絡的過程中，不同UE都需要建立在網絡切片框架的基礎上，簡單eMBB核心網切片是初期提供的主要內容，在逐步熟練掌握通信網絡運營方面的基本能力后，通過對切片逐一細化分解，聚焦垂直市場進行行業切片的打造，通過差異化網絡服務的提供，旨在促進商業價值的充分挖掘與體現。

4.5 新型移動性管理和會話管理

在獲取在線數據時，傳統的通信狀態經常面臨頻繁切換，導致信令消耗嚴重。然而，在專門設計的礦山無線通信網絡中，物聯網終端的運行損耗可以顯著降低，達成永久在線的目標，通過網絡支持移動特性，來實現控制面和用戶面服務的優化，以及接入網的預定，大幅提升移動狀態的管理效率。

基于條件變化的趨勢，網絡管理終端能夠為特殊工作區域，如礦井深部，提供更高級別的移動管理服務。這降低了業務中斷的風險，提高了響應速度。當礦工跨越不同區域時，網絡會動態調整以適應終端的移動，并將標準調整至最低，以利于能效的提升。

在LTE技術時期，其最顯著的特點是支持永久在線，這為智能終端與移動互聯網的融合提供了必要的基礎，促進了雙向發展。中后期，NB-IoT技術的應用進一步降低了網絡資源的耗損，并在設計會話及移動性管理時，基于解耦方法進行了優化。

在解耦方法的支持下，通信網絡控制面的移動性和連接操作管理功能部署變得更加靈活，有效避免了網絡間高度耦合的形成。LTE系統允許提前建立連接，實現數據的快速傳輸。雖然在物聯網的數據傳輸中存在一些信令資源的浪費，但專門為礦山設計的通信網絡在數據發送時無需會話支持，可以基于用戶面和控制面直接發送用戶數據，實現了無隧道的數據傳輸，以此提高通信的效率和安全性。

5? ?結束語

礦山通信網絡采用無線通信技術的原因在于其在惡劣環境中的適應性、靈活性和移動性支持。在礦山這樣極端的環境中，有線通信設施容易受損，而無線通信設備則設計有更強的耐用性和抗干擾能力，更適合礦山環境。并且，無線通信網絡的部署和擴展更為靈活和經濟，能夠快速適應礦山不斷變化的工作環境和擴展需求。在緊急情況下，如礦井坍塌或火災，有線通信設施可能會受損，而無線通信可以快速建立，確保救援人員和工作人員之間的通信不中斷，因此，無線通信網絡在礦山環境中提供了必要的通信能力，確保了礦山作業的安全、高效和連續性。隨著技術的不斷進步，無線通信將繼續在礦山通信網絡中發揮關鍵作用，礦山通信網絡的信息安全問題不容忽視，其中中斷問題、設備耐用性、物理安全、無線網絡構建策略等方面都存在一定的安全隱患。為了解決這些問題，提出采用服務化架構、邊緣計算、面層分離技術、無線通信網絡切片設計以及新型移動性管理和會話管理等措施。這些措施能夠有效提高礦山通信網絡的穩定性和可靠性，提高礦山作業的效率和安全性，為礦山行業的可持續發展提供有力的支持?！?/p>

參考文獻

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