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(guī)模的擴大以及安全生產(chǎn)要求的提高，井下的環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、遠程控制、避險救災等各類系統(tǒng)在不斷增加，對井下通信系統(tǒng)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(shù)字廣播等多個通信系統(tǒng)，各個系統(tǒng)獨立工作，數(shù)據(jù)閉環(huán)管理，缺乏系統(tǒng)之間的功能聯(lián)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(fā)揮重要作用，促進煤炭工業(yè)的高質量發(fā)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(diào)度、數(shù)字廣播、視頻監(jiān)控、人車定位等系統(tǒng)相融合，建立集生產(chǎn)、安全、信息、設備等于一體的綜合管控機制，實現(xiàn)煤礦日常生產(chǎn)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(yè)的中心機房部署融合通信管理平臺服務器、4G/5G系統(tǒng)核心網(wǎng)、程控調(diào)度語音網(wǎng)關、視頻監(jiān)控管理服務器、數(shù)字廣播服務器、人車定位系統(tǒng)服務器及GIS地圖服務器等核心設備，利用SIP軟件換協(xié)議、高速路由/交換技術和開放的業(yè)務應用程序接口等關鍵技術，打破系統(tǒng)之間的壁壘，形成統(tǒng)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(jiān)聽、代接、轉接、錄音、禁止通話等多種調(diào)度功能、系統(tǒng)控制功能、軟件管理功能和關鍵數(shù)據(jù)的收集、存儲、整理、統(tǒng)計等功能。中間傳輸部分利用光纖環(huán)網(wǎng)和綜合分站等傳輸設備，對接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行傳送與交換，包括語音視頻數(shù)據(jù)的切片傳輸、本地和邊緣數(shù)據(jù)的集群業(yè)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(shù)據(jù)，保障工作人員的生產(chǎn)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(tǒng)一的調(diào)度管理

平臺提供標準的數(shù)據(jù)通訊接口，能夠實現(xiàn)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(diào)度臺實現(xiàn)有線、無線、廣播、監(jiān)控、定位的立體化綜合調(diào)度，井下使用本安型綜合分站實現(xiàn)千兆傳輸、4G/5G通信、WiFi數(shù)傳的一體化管控。融合通信管理平臺調(diào)度服務器、4G/5G核心網(wǎng)、語音數(shù)字網(wǎng)關和廣播服務器之間通過有線連接到核心交換機，實現(xiàn)物理上互聯(lián)互通，采用SIP協(xié)議作為控制協(xié)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(diào)度服務器，調(diào)度服務器會周期性向終端發(fā)送OPTION消息，終端收到消息后回復OK信息，表示心跳響應，調(diào)度臺上顯示用戶在線，若服務器連續(xù)下發(fā)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(diào)度系統(tǒng)使用訂閱等方式獲得呼叫、強插、強拆、監(jiān)聽標識，實現(xiàn)語音通話、視頻通話、強插、強拆、監(jiān)聽等業(yè)務操作，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對4G/5G通信系統(tǒng)、數(shù)字廣播的統(tǒng)一管理及系統(tǒng)間的融合互通。調(diào)度系統(tǒng)與GIS地圖對接采用頁面嵌入式方式，系統(tǒng)之間通過接口調(diào)用完成交互式調(diào)用，頁面嵌入時，調(diào)度系統(tǒng)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(diào)用后臺接口獲取人員列表、設備列表、報警等信息，調(diào)度系統(tǒng)頁面可以直接調(diào)用子系統(tǒng)提供的接口，網(wǎng)頁使用message方式監(jiān)聽GIS地圖發(fā)送過來的消息，進而實現(xiàn)GIS地圖上放大、縮小、平移、對目標區(qū)域內(nèi)人員定位、音視頻通話、下發(fā)廣播、調(diào)取視頻流等各種互操作功能。平臺使用hls.js開源庫來實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能，開源的hls.js是一個基于HTML5和MSE技術的JavaScript庫，實現(xiàn)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(tǒng)一的調(diào)度管理，不但可以解決井下各類設備的橫向集中，系統(tǒng)相互獨立而造成的問題，還可以滿足統(tǒng)一指揮、快速反應、協(xié)同運作、動態(tài)管理和科學決策的需要，智能化聯(lián)動各子系統(tǒng)，對井下“人、機、物、環(huán)”監(jiān)測信息的全面感知、分析和調(diào)度，做到事前預防，事中控制，事后分析。

2.2 多系統(tǒng)應急聯(lián)動技術

當監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)檢測到井下工作場所的異常數(shù)據(jù)時，通過4G/5G和光纖環(huán)網(wǎng)將異常數(shù)據(jù)上報到地面控制機房，觸發(fā)調(diào)度臺上的聲光報警系統(tǒng)，調(diào)度人員可以通過精準定位系統(tǒng)快速定位當前處于危險區(qū)域的工作人員，通過定位卡下發(fā)報警信息，應急廣播系統(tǒng)播放特定的音頻或喊話，視頻監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)取危險區(qū)域的實時視頻，調(diào)度臺可通過強拆、強插、監(jiān)聽等操作管理危險區(qū)域內(nèi)任何通話，通過語音或短信等方式下發(fā)危險通知，信息引導發(fā)布系統(tǒng)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(lián)動框圖如圖2所示。

圖2 應急聯(lián)動框圖

2.3 支持5G SA

數(shù)字化礦山的5G網(wǎng)絡建設，應當能夠滿足獨立組網(wǎng)、獨立運行的需求，保障通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽縖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(wǎng)和公網(wǎng)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(wǎng)絡設備、定制化一體機、智能網(wǎng)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(shù)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(qū)場景的專用網(wǎng)絡切片，保障“5G+智能監(jiān)控”“5G+無人礦車”“5G+無人機”和“5G+智能傳感”等不同業(yè)務場景的低時延、大帶寬、高可靠性的網(wǎng)絡需求，滿足礦區(qū)通信網(wǎng)絡云化部署的先進性和未來演進要求。

圖3 5G專網(wǎng)網(wǎng)絡架構

2.4 多種方式出局

根據(jù)煤礦建設的需求，平臺還應滿足與運營商公網(wǎng)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(xié)議，支持數(shù)字中繼網(wǎng)關、環(huán)路中繼網(wǎng)關兩種方式出局，通過局向對接可以實現(xiàn)與各類專網(wǎng)或運營商公網(wǎng)語音互通，實現(xiàn)井上井下“一網(wǎng)一號”，有效降低調(diào)度管理的難度、提高調(diào)度管理效率[11]。

通過運營商部署在煤礦企業(yè)的互通網(wǎng)關和SIP中繼，可以實現(xiàn)5G專網(wǎng)與公網(wǎng)的語音互通，如圖4所示。當公網(wǎng)用戶呼叫公網(wǎng)用戶時，執(zhí)行公網(wǎng)標準呼叫流程；當公網(wǎng)用戶作為主叫，呼叫專網(wǎng)覆蓋井下的用戶時，公網(wǎng)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(jù)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(wǎng)網(wǎng)絡，煤礦專網(wǎng)收到呼叫號碼，根據(jù)預先約定的號碼轉換規(guī)則將呼叫轉接至指定用戶；當專網(wǎng)用戶作為主叫，呼叫公網(wǎng)用戶時，專網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)絡，由運營商完成后續(xù)轉接呼叫；當專網(wǎng)用戶呼叫專網(wǎng)用戶時，由專網(wǎng)網(wǎng)絡內(nèi)部進行處理。煤礦專網(wǎng)與運營商網(wǎng)絡通過內(nèi)部專線互通，不經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)對接，雙方網(wǎng)絡相對獨立，對接網(wǎng)元少、鏈路少、故障點少，具有較好的網(wǎng)絡安全保障，能夠將專網(wǎng)對運營商公網(wǎng)影響降到最小。

圖4 融合通信平臺與運營商公網(wǎng)對接

2.5 VoNR高清音視頻通話

音視頻通話功能在煤礦企業(yè)的日常通信管理調(diào)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(shù)據(jù)同時常駐5G網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡下使用音視頻通話時不再需要回落4G網(wǎng)絡，整體穩(wěn)定性體驗比4G網(wǎng)絡更強。5G核心網(wǎng)通過IMS與語音調(diào)度系統(tǒng)等相結合，實現(xiàn)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(fā)起注冊，CSCF查詢HSS(home subscriber server)獲取用戶AS(application server)，CSCF先向SSS發(fā)起注冊，再向調(diào)度服務器發(fā)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(diào)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(fā)到SSS，完成SSS的業(yè)務觸發(fā)后，再將呼叫送到調(diào)度服務器，與調(diào)度服務器建立呼叫，如圖5所示。

圖5 調(diào)度服務器做被叫流程

3) 調(diào)度服務器做主叫流程調(diào)度服務器發(fā)送invite到CSCF，CSCF查詢HSS后，返回SSS信息，將invite送到SSS，觸發(fā)完SSS相關業(yè)務后，CSCF將呼叫送到被叫UE，如圖6所示。

圖6 調(diào)度服務器做主叫流程

2.6 基于三維GIS的動態(tài)管控

根據(jù)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(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)識別數(shù)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(tài)。監(jiān)控人員可以在GIS地圖界面進行放大、縮小、平移等操作，調(diào)取對應區(qū)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(jù)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(xiàn)可視化調(diào)度。當攜帶定位卡的人員/車輛/物品進入井下網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)，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(fā)的信號，并經(jīng)過井下環(huán)網(wǎng)把定位數(shù)據(jù)上傳到信息工作站，經(jīng)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(shù)據(jù)實時動態(tài)顯示在監(jiān)控中心的大屏幕或電腦上，并儲存?zhèn)浞?，調(diào)取對應區(qū)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(diào)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(qū)的井工礦井下開展了煤礦5G融合通信管理平臺的現(xiàn)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(wǎng)絡，實現(xiàn)5G高清音視頻通話，還可以實現(xiàn)機器人智能巡檢、4K/8K高清視頻采集(圖7)、智能單兵及監(jiān)控設備采集數(shù)據(jù)實時回傳等數(shù)據(jù)傳輸功能，將5G通信系統(tǒng)與煤礦井下各子系統(tǒng)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(jiān)控。

圖7 高清視頻監(jiān)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(diào)度中心發(fā)起通話時，調(diào)度中心的調(diào)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(huán)境情況，當電話掛斷后，圖像信息立即消失。當調(diào)度中心調(diào)度人員需要了解井下的實時動態(tài)信息，通過多媒體調(diào)度臺向井下融合通信基站或礦用本安型電話發(fā)起通話時，平臺會自動調(diào)取視頻圖像供調(diào)度人員查看，電話掛斷后視頻圖像自動消失。礦井發(fā)生突發(fā)險情時，平臺可以智能聯(lián)通各子系統(tǒng)，在GIS地圖上快速定位到險情發(fā)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(fā)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(qū)域進行數(shù)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(qū)域進行監(jiān)控，當有工作人員進入目標區(qū)域、工作人員在目標區(qū)域內(nèi)長時間滯留或者進入目標區(qū)域的人員數(shù)量超過閾值，調(diào)度臺上會立刻進行聲光報警并播放現(xiàn)場實時視頻信息，根據(jù)設置的預案，發(fā)送短信息或者語音呼叫區(qū)域負責人和違規(guī)人員，如圖9所示，對目標區(qū)域進行告警廣播，提醒工作人員注意事項，避免事故的發(fā)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(tǒng)優(yōu)勢將程控調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)字廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人車定位系統(tǒng)進行有機結合，使井上井下統(tǒng)一通信，智能聯(lián)動，加強了多系統(tǒng)協(xié)同合作能力，提高了井下安全保障、企業(yè)風險管控能力，實現(xiàn)了設備、運行、生產(chǎn)、經(jīng)營管理的互聯(lián)，整體提升煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和靈活性。