基于智能煤矿井下网络需求的5G 解决方案初探

朱 永

中国联合网络通信集团有限公司徐州分公司

0 引言

2020 年2 月25 日，发改委、能源局等8 部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，以便形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行。

当前大部分煤矿井下智能化的网络载体仍然采用的是4G+WIFI 的部署。然而，4G 及WIFI 网络具有一定的局限性网络速度慢、抗干扰性差、不安全、时延大。近年来，国家加大了“机械化减人，自动化换人”的政策推广力度。随着煤炭产业相关新技术的成熟和示范矿井的成功运行，工作一线“减人”已是行业内的共识，“煤黑子”将成为历史，“穿西装的采煤技术工人”将成为当代煤矿工人的象征。目前，煤矿作业整体正处于后机械化时代，逐步走向自动化，这对通信提出了更高要求。

矿区采用骨干网络+MEC+5G 边缘网络的融合，可以有效解决矿区最为关心的网络可靠性、抗干扰及专有性问题。因此，井下智能化的发展必须尽快进行网络的优化调整，以适应煤矿智能化的需求。

1 煤矿智能化需求分析

1.1 智能化对于网络的需求分析

煤炭作业现场总线连接大量的检测传感器、执行器和工业控制器，通信速率在数kbps 到数十kbps。近年来，虽然已有部分支持工业以太网通信接口的现场设备，但仍有大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制器的方式连接。即使部分使用无线通信，往往也是采用安全性低、抗干扰性差、速度低的WIFI 网络，远远达不到井下智能化连接的需求。如图1、图2 所示，传统的网络已经无法满足井下对移动性、低时延的各项应用需求。

图1 井下煤矿对于网络的需求分析1

图2 井下煤矿对于网络的需求分析2

1.2 智能化对于网络的需求分类

不同的煤炭作业现场有着不同的网络需求，而煤矿面临的最大智能化问题包括全面感知、智能控制、智能采掘等，解决这些问题是实现智能煤矿、无人煤矿最根本的要求。首要需求就是高质量的无线网络。

总体来说，满足煤矿井下安全基础的高质量网络需求可以分为三类无线网络的需求、低时延的需求、高带宽的需求。3G/4G 或者WIFI 网络难以满足这样的需求。如表1 所示，可以看出传统的无线方式已经满足不了煤炭智能化的需求。

表1 井下煤矿不同网络能力分析

2 煤矿智能化需求解决方案

2.1 安全保障

按GB3836.1-2000 标准生产，专供煤矿井下使用的防爆电器设备分为隔爆型、增安型、本质安全型等，如图3 所示，其中本质安全型电器设备的特征是其全部电路均为本质安全电路，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。也就是说，该类电器不是靠外壳和填充物防爆，而是其电路在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量于0.28 mJ，即瓦斯浓度为8.5%（最易爆炸的浓度）最点燃能量。隔爆型设备是把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一个外壳内，其外壳能够承受外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸气形成的爆炸性环境的点燃（参见GB 3836 2 标准）。依据煤矿的井下安全，首选网络部署的设备应该支持本质安全型，其次为隔爆型。

图3 井下煤矿安全需求

2.2 井下网络的解决方案

5G+MEC 等新技术的发展为井下需求的低时延、高带宽、高安全、高可靠的网络提供了解决方案。

5G 弥补了4G 和WiFi 技术的不足，在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升了系统性能。5G 相较于4G的优势实现单位面积移动数据流量增长1000 倍；在传输速率方面，典型用户数据速率提升10 到100 倍，峰值传输速率可达10Gbps（4G 为100Mbps）；端到端时延缩短5-10 倍，频谱效率提升5-10 倍，网络综合能效提升1000 倍。

MEC（Multi-access Edge Computing）多接入边缘计算，将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移，使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署，从而在一定程度上解决了5G eMBB、URLLC 以及mMTC 等技术场景的业务需求。

2.2.1 全面感知的5G 解决方案

传统的有线传输方式难以适应井下移动作业战线长、监测范围广的要求。井下建设5G 网络后，同步开通NB 物联网，可以实现传感器的无线连接（无数据线、无电源线，类似于地面的三表行业）。

以有线感知为辅、无线感知为主的5G 建设思路，可以简化网络结构，降低建设成本，提高检测监控系统的可靠性，满足智能矿山建设的要求。网络架构依照图4 方式部署。

图4 基于5G 的煤矿网络感知系统架构

2.2.2 智能控制/采掘的解决方案

目前多数矿井智能控制都是基于有线网络开展的。在移动环境下，有线网络运维麻烦，而且经常断线，所以在移动环境下，有线网络的稳定性并不能保证，往往是有人维护就可以使用，没人维护就不能使用。4G 无线网络由于带宽和时延不能满足工业控制的要求，所以不适合作为煤矿控制网络。5G 的技术特点，使得5G 更适用于实时互联和工业控制。由于当前井下设备多不具备5G 模块，前期可以通过CPE 实现通信方式的转变，比如行程传感器、倾角传感器等设备通过有线连接到就近的CPE 设备，再由CPE 设备通过5G 无线网络连接到5G基站，后期由携带5G 模组的控制器直接与5G 基站井下无线通信。

3 案例分析

图5 基于5G 的煤矿智能掘进方案

某煤矿原网络结构采用万兆环网+WiFi 的方式组网，工业环网带宽有限、带宽利用率低、缺乏隔离手段，必须专线传输，重复建设并增加维护成本。而WiFi 网络传输带宽局限于16M以下，业务承载能力有限，Qos 技术容易受到干扰导致稳定性差、时延大。无法支撑井下智能化、数字化的开采。

部署5G 网络后，运用5G 切片技术实现多业务一网承载、隔离传输、节省投资和降低维护量直至达到“减人增效”，在带宽能力、时延能力、稳定性等方面得到了极大提升。结合5G 高清摄像头、巡检机器人、人/设备/环境采集器等多种接入应用的部署，实现了井下智能开采、智能掘进、数据感知等智能化应用，极大提升了井下的安全性。

4 结束语

本方案利用5G 技术让煤炭企业快速提高生产力，破解5G 在垂直行业应用发展的难题。目前各方都致力于工业互联网平台建设，开展工业及能源领域平台及端到端解决方案的研究，目标是5G+边缘计算，实现云计算本地化部署，做到数据不出矿区。利用5G+边缘计算设备，实现设备端到控制端、端到端的网络切片，建立高可靠、高安全的煤矿无线局域网。