屈 陽 賈 捷 張呈宇

中國聯(lián)通研究院 北京 100176

引言

我國礦業(yè)資源豐富，礦業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，伴隨著自動(dòng)化與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，礦山行業(yè)經(jīng)歷人力礦山、機(jī)械礦山、數(shù)字礦山、信息礦山四個(gè)發(fā)展階段，并逐步邁入智能化礦山、綠色礦山[1]。礦山行業(yè)智能化發(fā)展需依托高性能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐，以往傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有場景需求，而5G網(wǎng)絡(luò)具有低延時(shí)、大帶寬、高可靠的特點(diǎn)，正好適用于礦井下通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?，利?G技術(shù)使礦山行業(yè)各環(huán)節(jié)間進(jìn)行有機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的真正融合，打造礦山新型智慧生態(tài)。

截至目前5G基站建設(shè)已經(jīng)超過71萬座，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋已初步取得成果，這為礦山智能化轉(zhuǎn)型打造了良好基礎(chǔ)。未來伴隨著5G建設(shè)步伐的進(jìn)一步加快，5G或成為礦山智能化發(fā)展的核心推動(dòng)力。

本文旨在研究礦山行業(yè)如何使用5G網(wǎng)絡(luò)打造智慧礦山，以確保更快的生產(chǎn)，更高的安全和更少的污染。本文還將從礦山行業(yè)的現(xiàn)狀與演進(jìn)趨勢出發(fā)，闡述智慧礦山領(lǐng)域下5G專網(wǎng)組網(wǎng)思路與特點(diǎn)，詳細(xì)描述5G-IPRAN專網(wǎng)、礦用5G核心網(wǎng)、5G礦用基站、5G邊緣計(jì)算控制器、井下環(huán)網(wǎng)、礦用專網(wǎng)安全技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并給出5G專網(wǎng)與礦山行業(yè)融合趨勢下的創(chuàng)新應(yīng)用與分析。

1 智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)在礦山行業(yè)演進(jìn)趨勢

1.1 礦山行業(yè)現(xiàn)狀與問題

伴隨著中國制造2025、新基建等國家政策的推出，礦山行業(yè)處于 “需求增速放緩、過剩產(chǎn)能和庫存消化、環(huán)境制約強(qiáng)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整攻堅(jiān)”四期疊加的新階段，客觀要求礦山行業(yè)必須不失時(shí)機(jī)地變革，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級(jí)，并逐步形成新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)。

我國礦山智能化水平在機(jī)械裝備、管理模式、技術(shù)條件等各方面均明顯落后于礦業(yè)發(fā)達(dá)國家。受礦業(yè)發(fā)達(dá)國家礦山信息化影響，越來越多的中國礦業(yè)人員在思考如何推進(jìn)中國礦山信息化改造與發(fā)展智慧礦山技術(shù)，政府和相關(guān)部門也對(duì)礦山信息化高度重視。

1)礦山行業(yè)存在嚴(yán)重生產(chǎn)安全問題。自2009年以來，粗狂野蠻的礦山行業(yè)發(fā)展便伴隨著如影隨形的各種風(fēng)險(xiǎn)，由于生產(chǎn)環(huán)境和條件的惡劣，零星頻發(fā)礦難事故為行業(yè)敲響警鐘，這不僅阻礙了生產(chǎn)，同時(shí)也導(dǎo)致企業(yè)面臨招工難、用工難、留工難等現(xiàn)實(shí)問題。

2)傳統(tǒng)礦山行業(yè)效率低下，行業(yè)發(fā)展急需轉(zhuǎn)型升級(jí)。日常礦山巡檢、礦石的挖掘開采、裝載、運(yùn)輸、卸載自動(dòng)化程度低，整體行業(yè)存在生產(chǎn)率低下的問題。而利用5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)將驅(qū)動(dòng)行業(yè)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，為行業(yè)智能化發(fā)展提供技術(shù)、產(chǎn)品支持。

3)傳統(tǒng)礦山行業(yè)IT系統(tǒng)建設(shè)混亂，存在“煙囪化”“信息孤島”現(xiàn)象。企業(yè)缺乏總體規(guī)劃與建設(shè)，導(dǎo)致大部分系統(tǒng)功能缺失、可操作性差，低水平重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重。數(shù)據(jù)資源和系統(tǒng)之間存在很多“閉環(huán)”的數(shù)據(jù)壟斷，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息橫向流動(dòng)，導(dǎo)致無法最大化利用數(shù)據(jù)的價(jià)值。

4)傳統(tǒng)礦山行業(yè)環(huán)保問題嚴(yán)重。礦山在不同生產(chǎn)階段勘探、開采、加工、關(guān)閉，勢必對(duì)自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境都有一定的危害，如礦用廢水、冶煉廢渣、酸性溶液等等；同時(shí)，由于有些礦山企業(yè)的自動(dòng)化與智能化水平較低，亂采濫挖、掠奪式開發(fā)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)礦產(chǎn)資源造成極大的破壞和浪費(fèi)。

1.2 礦山行業(yè)演進(jìn)趨勢

基于我國礦山行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，為全面提高行業(yè)作業(yè)水平，推動(dòng)智慧礦山建設(shè)將是行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。其中，5G通信技術(shù)為智慧礦山提供了重要技術(shù)依托。礦用5G技術(shù)不同常用的傳統(tǒng)5G技術(shù)，由于井下環(huán)境復(fù)雜，進(jìn)而對(duì)礦用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性要求更為苛刻。伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)與礦山領(lǐng)域場景深度融合，未來我國礦山領(lǐng)域發(fā)展趨勢具體如下。

1)智慧礦山。智慧礦山是基于5G、云、大、物、智等技術(shù)，集成各類SCADA、PLC控制器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、組件式軟件等，形成一套智慧體系，能夠主動(dòng)感知、自動(dòng)分析，依據(jù)深度學(xué)習(xí)的知識(shí)庫，形成最優(yōu)決策模型并對(duì)各環(huán)節(jié)實(shí)施自動(dòng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)安全高效。

2)“無人”礦山?！盁o人”是智慧礦山的最高形式。全流程作業(yè)的“無人”化操作，所有工作通過機(jī)器人及智能設(shè)備完成。例如數(shù)據(jù)采集、視頻回傳、機(jī)器視覺、AR/VR、AI、企業(yè)上云、遠(yuǎn)程控制等方面應(yīng)用。

3)綠色礦山。伴隨著國家對(duì)于綠色環(huán)保、資源可持續(xù)發(fā)展的重視，在礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程中，實(shí)施礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源利用高效化、礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化、開采方式科學(xué)化、行業(yè)管理數(shù)字化的綠色礦山最終目標(biāo)。

2 智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與組網(wǎng)思路

智能可重構(gòu)礦用5G專網(wǎng)把5G通信技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用在礦山行業(yè)的管理和生產(chǎn)活動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山安全開采、無人化智能生產(chǎn)、生產(chǎn)過程的狀態(tài)可控的全生命周期管理。

智能可重構(gòu)5G礦用專網(wǎng)，主要包括5G-IPRAN專網(wǎng)、5G礦用核心網(wǎng)、5G礦用基站、井下環(huán)網(wǎng)5G礦用邊緣計(jì)算、礦用專網(wǎng)安全五大技術(shù)創(chuàng)新，可廣泛適用于極端嚴(yán)苛的礦山業(yè)務(wù)場景，目前已順利得到國家礦用5G系統(tǒng)“安全標(biāo)志證”，并在某些煤礦進(jìn)行了部署，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)組網(wǎng)

智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)組網(wǎng)思路：網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)是核心、應(yīng)用是關(guān)鍵三點(diǎn)為基石來構(gòu)造，其建設(shè)目標(biāo)為一張網(wǎng)、二中心(網(wǎng)絡(luò)中心、數(shù)據(jù)中心)、三平臺(tái)、四應(yīng)用。礦用5G專網(wǎng)按照“一張網(wǎng)”的要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，將礦區(qū)所有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃(如圖1所示)，不重復(fù)建設(shè)同一類型的網(wǎng)絡(luò)，各種類型的網(wǎng)絡(luò)通過相應(yīng)的安全策略實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，形成礦區(qū)的一張網(wǎng)。三平臺(tái)為將現(xiàn)在5G+MEC+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，包括現(xiàn)場級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一感知信息的采集，采用統(tǒng)一的監(jiān)測監(jiān)控分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的全面分析，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、報(bào)警，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一展現(xiàn)、信息查詢，滿足安全管理的需要。MEC實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的本地分流卸載、對(duì)業(yè)務(wù)近端處理，在滿足礦區(qū)數(shù)據(jù)的安全隱私性需求的同時(shí)，也進(jìn)一步降低了業(yè)務(wù)時(shí)延，提升了諸如遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程協(xié)作等業(yè)務(wù)的體驗(yàn)。四應(yīng)用包括全面感知類應(yīng)用、生產(chǎn)控制類應(yīng)用、經(jīng)營管理類應(yīng)用和匯聚了“指揮救援”和“安全保障”系統(tǒng)的安全救援類應(yīng)用。

圖1 礦用網(wǎng)絡(luò)通信圖

智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)解決礦用網(wǎng)絡(luò)中主要問題，具體如下：一是安全問題，采用公網(wǎng)專網(wǎng)混合組網(wǎng)，保障信息安全性；二是容災(zāi)問題，分層環(huán)形組網(wǎng)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性；三是易用性問題，多元參數(shù)平衡，專注系統(tǒng)實(shí)用性；四是網(wǎng)絡(luò)容量問題，控制面功能下沉，關(guān)鍵場景獨(dú)立運(yùn)行。

根據(jù)礦山行業(yè)需求，礦山通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)目前比較分散、獨(dú)立，通過最新5G進(jìn)行融合，對(duì)已有網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行兼容，把多個(gè)井下系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。在基站側(cè)進(jìn)行集中的邊緣計(jì)算處理，結(jié)合井下3/4/5G無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT等技術(shù)，融合現(xiàn)有IT、CT、OT網(wǎng)絡(luò)建成井上井下一體、全覆蓋、韌性抗毀、全貫通的通信網(wǎng)絡(luò)，打通礦企所有系統(tǒng)之間信息傳輸通道，打造建設(shè)5G+智慧礦山一張網(wǎng)概念，實(shí)現(xiàn)井上井下基于一套標(biāo)準(zhǔn)、一張網(wǎng)絡(luò)、一條通道，實(shí)現(xiàn)地面井下安全監(jiān)測、全面感知平臺(tái)。如圖2所示，智能可重構(gòu)5G礦用專網(wǎng)主要包括以下幾部分。

圖2 智能可重構(gòu)5G組網(wǎng)圖

1)5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)。通過與公網(wǎng)、核心網(wǎng)對(duì)接，可滿足專網(wǎng)內(nèi)用戶訪問公網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，打造針對(duì)礦區(qū)全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。

2)礦用MEC平臺(tái)建設(shè)。機(jī)房建設(shè)MEC邊緣云，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)流特征，將訪問本地網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流分流到本地業(yè)務(wù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量的本地卸載，避免流量迂回，降低用戶訪問時(shí)延。

3)建設(shè)具備抗災(zāi)害能力的工業(yè)IPRAN通訊主干網(wǎng)絡(luò)。對(duì)新建的環(huán)網(wǎng)，建議建設(shè)IPRAN工業(yè)環(huán)網(wǎng)，對(duì)已有的工業(yè)環(huán)網(wǎng)建議替換IPRAN交換機(jī)。實(shí)現(xiàn)提升智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)絡(luò)兼容性和穩(wěn)定性。

4)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)作業(yè)區(qū)無線綜合接入。4G承載業(yè)務(wù)：移動(dòng)語音業(yè)務(wù)，融合調(diào)度業(yè)務(wù)，“采、掘、運(yùn)、提、排、通”等各種生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，采掘面無線視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，自動(dòng)巡檢系統(tǒng)等其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳輸。5G承載業(yè)務(wù)：整個(gè)礦山的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶類(高清工業(yè)視頻監(jiān)控及智能識(shí)別、VR/AR等)，高可靠低時(shí)延類(煤礦各類工業(yè)智能控制、采煤機(jī)器人、無人駕駛等)，萬物智能互聯(lián)類(礦山各類感知終端智能互聯(lián)及其智能聯(lián)動(dòng))。物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT承載業(yè)務(wù)：覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，適用井下在本質(zhì)安全防爆條件下，大于2.4 GHz時(shí)，礦井下無線通信距離小于800m。礦井無線傳輸衰減大，受巷道斷面、分支、彎曲、支護(hù)、電纜等影響，無線電傳輸衰減模型復(fù)雜多變。無線工作頻段越高，傳輸衰減越大，傳輸距離越近，繞射能力越差[2]。

智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)在礦山行業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐，從根本上解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在礦用網(wǎng)絡(luò)上技術(shù)難點(diǎn)，如井下高危環(huán)境、電磁干擾大、設(shè)備及傳感器數(shù)量龐大、用人多、頻段與無線信道衰減等問題，為構(gòu)建礦山本質(zhì)安全提供可靠的網(wǎng)絡(luò)支撐。目前，在某礦區(qū)實(shí)測傳輸時(shí)延最低達(dá)到10ms，網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到50G以上。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 IPRAN專網(wǎng)技術(shù)

建設(shè)礦山全覆蓋的萬兆高速傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合井下NBIoT/3/4/5G網(wǎng)絡(luò)，建成井上井下統(tǒng)一全覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)，打通所有子系統(tǒng)信息傳輸通道，如圖3所示。

圖3 5G-IPRAN圖

IPRAN承載網(wǎng)是面向多業(yè)務(wù)的，可以快速部署業(yè)務(wù)，具備靈活的擴(kuò)展能力，可以滿足不斷更新的業(yè)務(wù)部署需求。目前該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，且經(jīng)過了大規(guī)模的市場運(yùn)營考驗(yàn)。IPRAN承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了，包括：網(wǎng)絡(luò)滿足移動(dòng)化、大寬帶的需求；具備帶寬容量彈性擴(kuò)展能力；滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)的端到端可管理具備差異化QoS承載能力要求。

2.2.2 5G礦用基站

在5G時(shí)代，宏基站＋小基站的組網(wǎng)方式是礦用網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升的主要途徑。主要是5G時(shí)期采用3.5G及以上的頻段，在室外場景下覆蓋范圍減小，加上由于宏基站布設(shè)成本較高，因此，需要小基站配合組網(wǎng)[3]。

在礦山行業(yè)5G業(yè)務(wù)場景里存在很多是井下室內(nèi)應(yīng)用，5G小基站主要是解決宏基站的難題。小基站體積小，部署靈活，不用局限于宏基站的站址問題，可以有針對(duì)性的補(bǔ)充宏基站信號(hào)弱覆蓋區(qū)域、覆蓋盲點(diǎn)，保證信號(hào)質(zhì)量；在熱點(diǎn)區(qū)域，小基站由于功率小，可以在更小的范圍內(nèi)實(shí)行頻率復(fù)用，提升容量，幫助宏基站分流[3]。未來，5G小基站通過虛擬化和云化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的融合，以及對(duì)智能運(yùn)維的支撐，將能更好地提供性能確定的滿足5G三大應(yīng)用場景的專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦用垂直行業(yè)的應(yīng)用[4]。

由于井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，有大量的瓦斯可燃爆炸氣體，礦山行業(yè)5G基站與傳統(tǒng)一般行業(yè)最大區(qū)別為安全防爆。礦用5G基站必須采用本質(zhì)安全型，本質(zhì)安全型防爆性能最好，可適用在礦井下所有場所或者瓦斯超限等各種場景，具有防爆性能好、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 礦用5G核心網(wǎng)

礦用5G核心網(wǎng)不僅設(shè)備體積小、重量輕、組網(wǎng)簡單，還能夠準(zhǔn)確快速清晰地實(shí)現(xiàn)井上井下各種安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)流暢傳輸，為礦用生產(chǎn)遠(yuǎn)程操作等提供了可靠網(wǎng)絡(luò)保障。

動(dòng)態(tài)智能網(wǎng)絡(luò)切片是礦用5G核心網(wǎng)的重要能力，通過在同一個(gè)物理基礎(chǔ)設(shè)施上劃分不同的虛擬專網(wǎng)，來保證確定性差異化的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。通過動(dòng)態(tài)智能網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的動(dòng)態(tài)編排、租戶隔離，為行業(yè)應(yīng)用提供穩(wěn)定個(gè)性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，改變礦區(qū)核心業(yè)務(wù)的運(yùn)營方式和作業(yè)模式，提升礦區(qū)作業(yè)運(yùn)營效率和智能化決策水平。

2.2.4 井下環(huán)網(wǎng)

井下環(huán)網(wǎng)創(chuàng)新性采用了環(huán)形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。目前為其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所不具備的專網(wǎng)高可靠特性的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，可以實(shí)現(xiàn)冗余的環(huán)形組網(wǎng)。由于井下光纜和電纜易干擾、易損壞的特性，解決井下組網(wǎng)結(jié)構(gòu)一旦單個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞或者故障，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題，如圖4所示。

圖4 井下環(huán)圖

2.2.5 5G邊緣計(jì)算

5G時(shí)代核心網(wǎng)集中式部署不能滿足新業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)隨業(yè)務(wù)流向邊緣遷移是產(chǎn)業(yè)趨勢，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用本地化、內(nèi)容分布化和計(jì)算邊緣化[5]。邊緣計(jì)算(MEC)服務(wù)接近終端，使得整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理能力。由于大量的視頻、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理放在邊緣側(cè)多個(gè)站點(diǎn)處理，具有數(shù)據(jù)計(jì)算處理快、網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力小、成本更低等優(yōu)勢。依據(jù)礦山行業(yè)的行業(yè)特征打造云—邊—端協(xié)同的礦用邊緣云，如圖5所示。邊緣側(cè)可就近提供用戶所需服務(wù)和云端計(jì)算功能，提供一個(gè)具備大寬帶、高性能、低時(shí)延的服務(wù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)人、機(jī)、物、料、環(huán)等全生產(chǎn)要素的智能互聯(lián)，通過物聯(lián)網(wǎng)，將設(shè)備互聯(lián)，建立邊緣云數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)、計(jì)算、分析各類傳感器和攝像頭采集的數(shù)據(jù)。

圖5 邊緣云圖

通過將邊緣計(jì)算技術(shù)引入了礦井下，推進(jìn)到井下生產(chǎn)的最前端。實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的本地分流卸載，推動(dòng)業(yè)務(wù)近端處理，不僅能夠滿足安全隱私性需求，同時(shí)降低了業(yè)務(wù)時(shí)延，也提升了諸如遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程協(xié)作等大寬帶業(yè)務(wù)的體驗(yàn)。MEC平臺(tái)通過集成應(yīng)用生態(tài)，通過5G+智能處理單元建立設(shè)備連接生態(tài)，打通各子系統(tǒng)之間橫縱關(guān)聯(lián)，形成包含安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的邊緣云平臺(tái)。MEC平臺(tái)與子系統(tǒng)之間獨(dú)立部署，平臺(tái)發(fā)生故障不影響子系統(tǒng)運(yùn)行，子系統(tǒng)發(fā)生故障不影響平臺(tái)運(yùn)行，如圖6所示。

圖6 礦用專網(wǎng)MEC平臺(tái)圖

2.2.6 礦用網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

在礦井下建設(shè)5G專網(wǎng)，設(shè)備防爆與安全是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，必須攻克5G設(shè)備功率大、設(shè)備及傳感器數(shù)量龐大、天線多等井下防爆安全技術(shù)難點(diǎn)。礦用專網(wǎng)安全技術(shù)包括：基站性能、基站兼容性、多路天線設(shè)計(jì)和井下安全性等重點(diǎn)內(nèi)容，針對(duì)以上內(nèi)容通過井下5G設(shè)備改造，打造專用5G礦用井下設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)數(shù)據(jù)信號(hào)的獨(dú)立運(yùn)行，并具有防爆、防潮、防塵、抗電磁干擾等特點(diǎn)。

2.3 智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)組網(wǎng)特點(diǎn)

智能可重構(gòu)5G礦山專網(wǎng)系統(tǒng)具有以下幾大特點(diǎn)。

1)智能化網(wǎng)絡(luò)。由于礦山行業(yè)安全性需求對(duì)于QoS和SLA要求極為苛刻，為了匹配這個(gè)需求，5G專網(wǎng)需提供端到端、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)的端到端各個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路之間質(zhì)量保障；5G專網(wǎng)多元參數(shù)平衡，即充分考慮網(wǎng)絡(luò)安全、傳輸速度、系統(tǒng)延時(shí)、覆蓋面距離等因素，提高了專網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)用性，最好能夠?qū)崿F(xiàn)專網(wǎng)可重構(gòu)。

2)專用礦用5G專網(wǎng)。滿足獨(dú)立運(yùn)維管理的需求，礦區(qū)可以對(duì)資源應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)切片資源情況做到可視化管理，專網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，即礦用5G核心網(wǎng)直接部署在礦井地面機(jī)房，不受運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)影響，與井下礦用設(shè)備共同組成了一套完整的、可獨(dú)立運(yùn)行的專用網(wǎng)，保證了信息安全性。

3)地面與井下組成環(huán)形組網(wǎng)。即地面礦用5G核心網(wǎng)與井下基站控制器之間、地面礦用5G核心網(wǎng)與井下礦網(wǎng)5G基站控制器之間、井下基站控制器與井下礦網(wǎng)5G基站控制器之間均使用環(huán)形組網(wǎng)，提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，不影響其業(yè)務(wù)運(yùn)行。

4)是控制面與用戶面下沉。即將5G核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元下沉至井下，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵場景獨(dú)立運(yùn)行，并將5G核心網(wǎng)用戶網(wǎng)獨(dú)立拆分至井下，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)即時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。

5)部署簡單，自主可控。該套礦用5G專網(wǎng)具有設(shè)備體積小、重量輕，可在礦井下各重點(diǎn)場景輕松部署的優(yōu)勢，而且均采用了國產(chǎn)零部件，減少了國外零部件的依存度，提高了設(shè)備自主可控程度。

3 智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)如何應(yīng)用礦山行業(yè)

結(jié)合礦區(qū)實(shí)際需求，智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)與礦山行業(yè)創(chuàng)新場景主要在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶類、高可靠低時(shí)延類、萬物智能互聯(lián)類等三個(gè)方面。

1)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶類，應(yīng)用于高清工業(yè)視頻監(jiān)控及智能識(shí)別、VR/AR等。通過5G連接巡檢機(jī)器人或無人機(jī)，能夠把巡檢數(shù)據(jù)、視頻、音頻信號(hào)傳送到監(jiān)控指揮中心，低延時(shí)、高速率、大容量的特征保障了巡檢傳輸?shù)姆€(wěn)定性、高效性和全面性，從而減少巡檢人力依賴，增強(qiáng)礦山巡檢效率，保障作業(yè)安全。如5G巡檢機(jī)器人、5G掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制、5G井上井下AR/VR通話等。

2)高可靠低時(shí)延類，應(yīng)用于礦區(qū)各類工業(yè)智能控制、采煤機(jī)器人、無人駕駛等。傳統(tǒng)人工在利用采礦機(jī)械作業(yè)時(shí)，必須親身上陣，人身安全沒法保障。而應(yīng)用5G之后，無人化遠(yuǎn)程操作將成為現(xiàn)實(shí)，利用5G網(wǎng)絡(luò)高可靠、低延時(shí)的特點(diǎn)，人們?cè)谑覂?nèi)就能遠(yuǎn)程操控設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，不僅保障生產(chǎn)安全，而且減少了崗位需求。如5G巡檢機(jī)器人、5G綜采機(jī)遠(yuǎn)程控制、5G掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制等。

3)萬物智能互聯(lián)類，應(yīng)用于礦山各類感知終端智能互聯(lián)及其智能聯(lián)動(dòng)。礦山智能化轉(zhuǎn)型，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)采集。借助礦用物聯(lián)網(wǎng)，搭配上5G網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)水文、瓦斯等采集信息的無線回傳，減少傳輸施工和維護(hù)難度。在保障安全性的同時(shí)降低作業(yè)壓力和難度，促進(jìn)作業(yè)效率與質(zhì)量的提升，如5G-NB物聯(lián)網(wǎng)傳感器。

我國5G+智能礦山融合應(yīng)用未來發(fā)展建議聚焦以下三方面。

首先，定制礦用5G基站。畢竟對(duì)于礦業(yè)中的5G應(yīng)用來說，與普通消費(fèi)用5G網(wǎng)絡(luò)不同，需要特別建設(shè)專網(wǎng)才能保障效果?；诖?，我國還需要在礦區(qū)加速專用基站建設(shè)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)覆蓋。

其次，要推出礦用5G終端。聯(lián)合行業(yè)伙伴快速推出基于5G網(wǎng)絡(luò)的井下4K攝像頭、手機(jī)終端、5G通用模組、邊緣網(wǎng)關(guān)、傳感器等，也是發(fā)展重中之中。因?yàn)橹挥芯W(wǎng)絡(luò)還不夠，還需要專門的終端設(shè)備予以配套。

最后，要保障5G可靠性。井下作業(yè)具有復(fù)雜性和不可預(yù)測性，一旦5G通信出現(xiàn)故障，不僅會(huì)造成巨大損失，還可能引發(fā)事故，因此其穩(wěn)定性和可靠性十分重要。這需要我國加強(qiáng)5G技術(shù)研究和應(yīng)用維護(hù)，兩者缺一不可。

4 結(jié)語

智能可重構(gòu)5G專網(wǎng)與礦山行業(yè)融合之后，逐步成為打造智慧礦山的必要基礎(chǔ)條件。5G專網(wǎng)的低時(shí)延、大帶寬等特性，使得礦山產(chǎn)業(yè)上下游的交互變得前所未有的高效而通暢，信息不對(duì)稱造成的風(fēng)險(xiǎn)將被大大弱化。同時(shí)，5G專網(wǎng)技術(shù)深度強(qiáng)化與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的融合，已經(jīng)形成了較為成熟的5G技術(shù)生態(tài)，有力推動(dòng)了包括礦產(chǎn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和智能化發(fā)展。

在可以預(yù)見的未來，隨著5G專網(wǎng)成熟度越高，以及更多礦山行業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)，基于礦山行業(yè)的5G專網(wǎng)將會(huì)覆蓋更多潛在行業(yè)，支持的應(yīng)用將會(huì)不斷演進(jìn)，該領(lǐng)域必將取得更大發(fā)展。