5G煤矿专网方案研究

时间：2024-07-28

王帅，陈丹，肖羽（.联通数字科技有限公司，北京 0003；.中国联合网络通信集团有限公司，北京 00033）

0 前言

我国数量庞大的煤矿作为国民经济的重要组成部分，其经历了从传统矿山到自动化矿山，再到数字化矿山的发展历程。随着政府和企业对矿山生产的安全性、自动化、信息化和智能化程度的不断重视，5G和大数据、人工智能、数字孪生等先进数字化技术开始应用于矿山的生产和运营中，而5G专网作为重要的信息基础设施，在煤矿掘进面、综采面等少人化、无人化生产，以及配电室的无人值守中发挥着重要作用。

通过5G、切片、MEC、5G LAN 等技术打造的5G 行业专网，在网络的高安全性、高可靠性、高稳定性、超低时延、二层网络支持等方面相比其他网络技术更有优势，而根据井工煤矿特点设计的5G 煤矿专网，可以更好地助推煤矿向智能化、绿色低碳化方向转型发展。

1 智能矿山发展现状及趋势

1.1 发展现状

煤矿，尤其是井工煤矿，开采条件较差，环境复杂多变，工作环节多，作业人员数量多，瓦斯、粉尘、冒顶、透水等潜在灾害时刻威胁着矿工的生命安全。安全威胁和低舒适度的工作环境也导致了矿企招人难、用人难的问题。煤矿现有的建设、生产和经营模式已不能适应新形势下的发展需求，存在的主要问题有如下几个方面。

a）煤矿行业危险性高，生产安全形势严峻。煤矿特殊的生产环境和装备特点，导致煤矿瓦斯、透水、顶板灾害事故时有发生。2020 年，全国共发生矿山事故434起、死亡573人，生产安全形势严峻。

b）生产和管理效率低，经营成本高。目前煤矿行业平均每班入井人数在100～1 000 人，仍需大量用工以维持正常生产，但煤矿企业大多重视生产装备的投入，而在经营管理上投入较少，导致煤矿企业整体管理效率低、经营成本高。

c）从业人员断层严重，招工用工难。缺人、招工困难已经成为煤矿企业面对的主要矛盾。近年来，井下工人平均年龄已经超过45 岁，职工年龄偏大、文化程度偏低，但年轻人不愿下井，煤矿招工困难，使得煤矿企业新老接替成为难题。

d）煤矿井下系统众多，运维复杂。煤矿井下部署六大系统，各系统设备商自集成通信系统用于信号采集和传输，制式众多，运维复杂。

1.2 发展趋势

煤矿从原始的人工开采时代，到电气化机械化时代，到自动化时代，再到数字化时代，未来将逐步演进至智能化时代。传统的机械化、自动化开采方式已经不能满足矿山少人无人、高效集约、安全的发展需求，需要通过矿山新型装备和以5G 为代表的先进技术跨界融合创新，推动煤矿的智能化，最终实现煤矿产业的高质量发展。

智能矿山以控制协同化、决策在线化和智能化为特征，融合应用5G、大数据、云计算、V2X、人工智能、工业互联网等新技术，帮助矿山企业实现装备全连接、环境全感知、安全全监管，从而实现矿山采掘无人化作业、智能调度、设备主动性预防、设备预测性维护、安全预警等功能，最终帮助企业实现减人、增安、提效、环保的目标。

2 5G煤矿专网需求分析

智能矿山是煤矿未来的发展趋势，人工智能、大数据、机器人等现代信息技术与煤炭开发利用深度融合，煤矿数字化、智能化、绿色化转型全面提速。智能矿山的建设离不开5G煤矿专网提供的灵活接入、大带宽、低时延、高可靠、稳定性等服务能力。煤矿通过5G改造，能够迅速提升信息化智能化水平，保障生产安全，提高煤炭开采效率。

5G 煤矿专网通过为井工煤矿部署一张安全、可靠的高质量基础网络，接入煤矿的各类型终端设备，承载各类型业务和应用，实现设备的全量感知、远程控制、无人化和人员环境的智能安全监控，以达到煤矿安全生产、无人少人化、作业效率提升的目的，助力煤矿企业数字化高质量发展，促进产业全面转型升级。

煤矿井下物理环境比较复杂，对无线信号的传输特性产生不同的影响，各应用场景和设备对5G网络的需求各异，需要通过不同的网络技术指标满足采掘、运输、安全监控等要求。不同的综合采煤面和掘进面其长度、高度不同，同时5G 信号会受到液压支架的干扰，因此需要根据现场生产作业实际情况进行针对性的站点布设和信号覆盖设计。煤矿井下设备类型众多，不同设备对5G网络的带宽、时延要求不同，典型应用场景对5G网络指标的要求可参考表1。

表1 煤矿典型应用场景对5G专网的指标要求

3 5G煤矿专网方案设计

3.1 设计原则

5G 煤矿专网若仅用于语音通信及视频信号传输，应能满足MT/T1115要求的电磁兼容实验，对用于控制等实时性、可靠性要求较高的5G 系统，应参照执行AQ 6201-2019 中电磁兼容的相关规定。5G 系统应能实现独立组网、独立运行，在外部网络故障或断开时，系统应能安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输的可靠、稳定；满足井上井下安全隔离的相关规定。煤矿用5G基站的功率需要控制在6 W 以内，按照本安或防爆标准进行改造。

煤矿井下使用的5G专网通信设备、通信终端需要符合防爆产品的认证，即MA 煤安认证、隔爆型或本安型，煤矿井上使用的相关设备一般不需要进行煤安认证。

3.2 组网结构

煤矿5G 专网基于运营商5G 大网建设，主要包括无线接入层、工业环网汇聚层、矿山边缘计算节点（MEC）、5G核心网等。

5G 无线接入层由5G 基站设备实现井下各类移动设备和固定设备的接入，如采煤机、掘进机、胶轮车、风机、各类环境传感器、视频摄像头、防爆手机等，满足视频图像、传感信息、设备状态、控制信号等的承载。5G基站采用满足煤矿安全标准（无线发射类设备发送功率小于6 W）的低功耗小站形态，包含基带单元（BBU）、射频汇聚单元（RHUB）和微型射频拉远模块（PRRU）。

工业环网汇聚层既可以满足5G数据的承载，又可以实现工业二层控制信息的承载，避免重复投资建设。井上井下传输设备成环部署，任一段光纤故障不会影响业务正常传输，提升煤矿链路传输可靠性，同时可以通过Flex-E 切片技术为不同业务提供不同的承载通道、安全隔离以及SLA 保障。工业环网交换机需要进行防爆改造，加装防爆外壳。

矿山边缘计算节点（MEC）设备由于功率较大，防爆改造难度大，一般部署在煤矿地面数据中心，通过工业环网和井下5G 基站进行对接，根据矿山专网DNN 实现煤矿本地业务分流至矿区数据中心的业务系统和管控平台，保障数据不出矿山和控制类业务低时延需求。

矿山使用运营商集中部署在大区或省会城市的5G 核心网，满足用户开卡、身份鉴权认证、5G 信令处理等需求，并通过高可用性等方案保障矿山网络的安全可靠性。

露天煤矿5G 专网建设与井工矿类似，以5G SA 方式组网，MEC（含UPF）下沉至矿区数据中心，部署在矿坑及主干线路的5G 基站实现矿区的5G 无线信号覆盖。区别在于露天矿山只需要在储运中心部署满足煤安要求的5G 设备，其他区域对网络设备无防爆要求。

5G 煤矿专网按照“一张网”进行网络设计，即地面的工业环网及井下的工业环网、5G 无线网、NB 物联网、Wi-Fi 网络等统一规划，不重复建设同一类型的网络。工业环网实现5G信令和数据、各种类型的二层工业协议、Wi-Fi 等的统一承载；5G 无线网负责采煤机、掘进机、胶轮车等设备的接入；NB 物联网主要负责环境传感器的接入；Wi-Fi 网络负责固定类视频终端的接入；各网络通过物理纤芯的隔离、VLAN 或VPN 的隔离，并实施相应的安全策略保障各业务之间相对独立，不同类型的业务通过不同的物理或逻辑网络进行接入和传输，建设形成矿区统一的一张网络，该网络由统一的网络管理平台进行管理和运维。5G 煤矿专网组网结构如图1所示。

图1 5G煤矿专网组网结构示意图

3.3 无线覆盖方案

煤矿井下环境较为复杂，综采面、掘进面、巷道、硐室等空间差异较大，设备类型各异，所需带宽、时延不同，对5G无线信号传输、覆盖要求不同，需要分别针对各场景进行5G无线覆盖方案设计。

3.3.1 综采面无线覆盖方案

综采面是煤矿的核心工作面，也是5G重点应用场景之一，需要对综采面的特点和可能存在的问题进行针对性方案设计。综采面的覆盖面临着如下诸多挑战。

a）综采面巷道长160～320 m，由于采煤机、液压支架等大型设备的遮挡，通常pRRU 与终端接收天线间为非视距环境，单站覆盖距离受较大影响。

b）综采面巷道高2～5 m，但液压支架的顶板支撑距离地面一般3 m 左右，无线信号在巷道传播会受到空间压制。

c）液压支架一般粗30～60 cm，工作时其前进间距不等，导致液压支架顶部的天线会被左/右液压支架遮挡，影响无线信号质量。

d）采煤机在巷道中来回移动，线槽中的电缆/供液缆都比较粗，光缆来回容易折损，更换一次至少影响2个班次的工作。

e）采煤机远程控制需要稳定的低时延，一般单向时延小于20 ms，Wi-Fi无法满足该场景需求。

采煤工作面长度小于100 m 场景应采取如下措施。

a）pRRU 放置于液压支架头端3～5 m 处，出2路平板天线，75°和45°覆盖综采面。

b）平板天线增益为8～15 dBi，挂顶0.5 m处。

c）采煤机采用2面CPE天线，挂头尾侧面。

d）pRRU1 与pRRU2 开通小区合并或分布式MIMO，避免切换，保障时延的稳定。

e）pRRU1 与pRRU2 开通分布式MIMO，提升上行速率。

f）基站开通2∶3时隙配比，提高上行容量，以满足液压支架高密度摄像头视频流上传需求。

采煤工作面长度大于100 m 场景应采取如下措施。

a）相比采煤面长度小于100 m 的场景，增加1～2路pRRU放置于综采面液压支架中段（相对于100 m长度，每增加100 m 增加1 路pRRU）；单天线的覆盖距离基于视距（line-of-sight，LOS）考虑，一般在50 m内。

b）综采面偏矮（2 m 上下）巷道，不建议选择较高悬挂的基站平板天线，可以选择全向吸顶天线，避免人员和采煤机碰撞。

c）综采面高度大于2.5 m 的巷道，基站天线采用平板天线。

d）采煤机采用2 面CPE 天线，挂头尾侧面，推荐全向鞭状天线×2或平板广角双极化天线×2。

e）多个pRRU开通小区合并或分布式MIMO，避免切换，保障时延稳定，提高上行速率。

f）基站开通2∶3时隙配比，提高上行容量。

3.3.2 掘进面无线覆盖方案

一般情况下，掘进机每日可掘进3～8 m，每月可掘进约200 m。因此，对掘进面的覆盖需要尽可能远，以避免频繁调整5G覆盖范围。

掘进机一般配备6～8 路1 080P 摄像头、若干设备传感器和控制设备，需要的数据传输带宽约为30 Mbit/s，RTT 时延小于100 ms。基于连接可靠性考虑，建议在掘进机上安装2 套CPE、2 面天线。掘进面的5G无线网络规划如下。

a）推荐4T4R配置，劈裂2面平板天线同向覆盖。

b）基于掘进路径的可视性（路径坡度是否直线），可视覆盖最大为400 m，最少为50 m（针对非可视路径）。

c）掘进机两侧配置天线防撞盒，内置平板天线。

d）采用2套CPE接入或设备内嵌5G模组接入。

e）负责掘进机通信的pRRU 配置成单小区（仅覆盖掘进机方向），随着掘进巷道的拓展，逐步增加pRRU，可采取主巷道模式覆盖。

f）基站可开通2∶3时隙配比，提高上行容量。

3.3.3 巷道无线覆盖方案

在矿山的主井、副井、人车场、运输大巷、皮带大巷、变电所、采/掘工作面等重要场所安装矿用隔爆型5G 基站。BBU 和RHUB 一般部署于巷道旁的硐室内，pRRU 挂墙安装在巷道壁上，通过电缆取电，RHUB 与多个pRRU 通过光缆星型连接。通常1 个BBU 连接3 个RHUB，每个RHUB挂接6 个pRRU。按站间距400 m 计算，1 个BBU 能够覆盖约7.2 km 长的平直巷道。对于有一定坡度的巷道，需要根据现场情况勘测确定需要部署的pRRU位置和数量。

3.4 环网承载方案

煤矿井上和井下业务数据的传输方案需要统筹考虑，在组网方式上，为了提高传输的可靠稳定性，建议井下的传输设备与井上的传输设备成环组网，任一段光纤故障不会影响业务正常传输。为了避免传输设备重复建设，降低投资和运维成本，建议煤矿工业环网和5G业务承载网络融合组网，一张传输网络既可以承载工业数据，又可以承载5G信令和业务数据。对于大中型煤矿，根据井下物理位置和业务承载需求的不同，可以部署多个井下传输环网，并与地面传输设备成环组网。煤矿井上传输设备可与运营商的5G 承载网接入设备组成汇聚环。

BBU 与井下传输设备的互连接口为10GE 光口，井下传输环可以是10GE 环网或50GE 环网，取决于无线基站数量和业务传输需求。建议MEC（一般通过MEC 节点组网交换机）与地面传输设备之间的接口带宽不低于10GE。

基站时钟同步优先采用1588v2 时间同步技术，提供多个BBU 之间的同步。若矿山网络与时钟源之间的传输发生中断，矿山业务会受到影响，因此建议5G煤矿专网配备1台时钟服务器+GPS或北斗，保障在5G专网与公网之间的传输中断情况下，不影响网络设备之间的时钟同步。

IPRAN 新技术点也较好匹配了未来业务需求的不确定性，因此目前全球主流运营商都计划基于当前IPRAN网络做平滑演进。

3.5 MEC方案

为了满足矿山业务数据不出矿区、控制类业务低时延的要求，需要在煤矿井上数据中心建设MEC（含UPF），MEC 设备通过节点交换机双上联至传输设备。运营商需要为煤矿分配专网特定DNN，运营商网络针对特定DNN 设置专用UPF（煤矿UPF），5GC 在为业务选择UPF 时即可根据DNN 来选择。煤矿各类物联网终端签约特定DNN，由SMF根据特定DNN为物联网终端选择煤矿UPF 进行承载建立，实现物联网终端数据在煤矿本地的分流，由UPF分流后的业务数据经N6接口送至MEP 平台或煤矿数据中心的相关业务系统。煤矿5G专网MEC组网如图2所示。

图2 煤矿5G专网MEC组网示意图

为了保障煤矿5G专网在与运营商大网之间的传输链路故障情况下，煤矿5G专网仍能够继续进行业务的承载，需要专网部署1套UPF 和应急AMF/SMF/UDM 控制面功能。正常情况，通过运营商大网5GC控制面提供专网5G用户接入和移动信令处理，应急控制面定时从大网UDM 同步专网用户签约数据；专网与大网失联后，专网gNB和UPF对处于连接态且不发生移动性切换的业务可提供保活功能，且故障恢复后业务继续，不会中断。而空闲态、连接态发生移动性切换的用户通过本地应急控制面重新接入，数据面由专网UPF转发。

煤矿部署的无人电机车、安全生产监管、综采面远程控制、掘进面远程控制、环境监测等应用可以基于MEP 平台进行部署，MEP 平台可以灵活分配应用所需的CPU/vCPU、内存、硬盘、GPU等资源。