矿用F5G架构的智能化煤矿建设方案研究

温 良，吴文臻，李起伟

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

0 引 言

智能化是煤矿技术发展的最高形式，也是第4次煤炭技术革命[1]；智能化煤矿建设，开启煤矿行业全面创新和技术变革。智能化煤矿建设是基于现代智慧理念，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联、机器人技术及装备应用到现代化煤矿开采；深度融合煤矿“人-机-环-管”多源异构信息，建立一个库、一张网、一个平台和一张图设计理念[2]，智能化煤矿建设平台总体架构从顶层规划实现统一数据、统一模型、统一平台、统一方案，完成矿山企业全要素数据的精准实时采集、统一规范集成、多维可视化展现和智能决策分析，实现矿山安全生产的透明化、自动化、智能化管理[3-4]，达到真正实现智能化减人的目标，践行倡导的煤炭资源开采的“安全、高效、智能、绿色”理念。

2019年6月，首次由中国提出F5G（第五代固定网络，The 5th generation Fixed networks），ETSI欧洲电信标准协会接纳，业界广泛参与。F5G与5G是协同关系，有线网络和无线网络互相补全，提升网络应用和感知。ETSI定义F5G与5G一起共同开启万物互联时代。

F5G全光工业网契合煤炭行业对高安全的需求，采用全预连无源光器件，具有大幅减少隔爆箱使用，避免井下熔接高温隐患，提高运维工作效率等特点。F5G智能化煤矿应用，促进F5G技术与煤矿智能化的深度融合，共建可持续发展的智能矿山产业生态； F5G架构的智能化煤矿建设，可实现设备和安全数据的实时可靠传输；为矿山生产安全保驾护航，提高事故预警和防控能力。笔者着重探讨了适合煤矿井下应用的F5G智能化煤矿的建设方案、优势特点、典型应用场景等，以期为F5G架构的智能化煤矿建设提供技术思路及方法。

1 矿用 F5G工业光网功能

矿用F5G工业光网架构是基于PON技术的新型工业局域网组网方案，继承了PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点，同时组网上考虑工业网络高可靠要求，支持TypeC 双归属保护，实现ONU手拉手保护，保证网络每个环节都做到冗余保护。终端侧部署的ONU按照工业级产品设计，满足工业上耐高温、抗振动等苛刻环境要求。为了满足工业终端多种网络接口的需求，ONU侧同时支持GE电口以及RS485/RS232串口；接入设备侧采用ODN预链接方案，免熔接多级分光扩展，esight作为网管运维管理工具，可智能、简便地进行业务发放及日常运维管理。F5G可承载煤矿井下智能开采、掘进、运输、安全监控等系统的各类以太信号回传，主接头盒与接入设备侧采用ODN预链接方案，免熔接多级分光扩展。F5G工业光网具有以下特性满足煤矿井下多系统融合、多元异构数据的通信传输要求[5-7]。

1） VLAN业务隔离规划。F5G工业光网采用二层数据承载技术，使用VLAN技术来对不同业务划分不同的VLAN，满足不同业务网络相互隔离。井下多个生产、智能化子系统使用不同的VLAN进行业务隔离，多个系统互不影响。

2）QoS功能。F5G服务质量QoS可实时评估井下各类数据服务需求，高可靠面向业务提供端到端的服务质量保证。全光POL网管平台统一对OLT、ONU设备集中管理，实现业务高带宽、低时延、防抖动等指标的灵活部署、资源统一管理、集中故障监测。

3）高可靠安全保障。F5G全光网ONU支持802.1X认证，支持对接入终端的认证，防止非法终端接入；XGS-PON网络支持上下行双向AES加密传输；工业光网支持防DDOS攻击、防DHCP snooping等网络安全措施。

4）运维管理功能。F5G工业光网网络系统满足井下环境的监控和运维管理，采用融合运维管理平台esight，支持服务器虚拟化，交换机、路由器、WLAN、防火墙、PON、eLTE、统一通信、传真、视频监控等设备以及应用系统和机房设施的统一管理。

2 矿井F5G工业光网络架构

2.1 矿用F5G网络设备构成

矿用F5G在煤矿应用主要包含3个产品，分别为：光环网头端设备 （Optical Ring Head，ORH）、光环网终端设备（Optical Ring End，ORE）及无源光环网设备 （Optical Ring Passive ，ORP）[8]。

1）ORH。ORH是工业光环网头端设备。ORH设备的主要功能为汇聚井下各种业务数据流，并上传到数据中心，同时把数据中心控制数据下发到井下各设备；管理井下ORE设备。ORH设备网络侧通过千兆、万兆等以太网接口与核心交换机通信，用户侧提供工业光接口接入井下网络。

2）ORE。ORE设备是工业光环网终端设备，安装在井下，必须支持防爆；也可以使用本安型ORE使井下网络更加简化。ORE网络侧通过ORP分光器与ORH的工业光接口连接，用户侧通过以太网口、工业串口（RS485）连接井下各终端设备， ORE把井下各终端的数据，通过ORP上传到ORH设备，同时把ORH设备下来的数据传送给各终端设备。ORE可以通过ORP来实现远程业务发放、远程配置、远程升级，尽量减少井下操作。上行接口最少为万兆，以满足煤矿智能化建设需求。用户侧接口一般为以太网光口或电口，同时根据业务需求提供串口等工业接口。

3）ORP。ORP设备用于连接ORH和ORE，实现1个ORH工业光接口连接到多个ORE设备。ORP包含光纤光缆和分光器，支持矿井巷道和作业面链型的应用场景。ORP支持级联，满足矿井网络的灵活扩展。ORP所有部件均为无源设备，无需供电，ORP按照煤矿的安全规范满足阻燃、防静电设计，满足本安认证，满足井下粉尘和潮湿环境。

2.2 矿用F5G+5G融合组网架构

矿用F5G+5G的网络架构如图1所示，采用环形结构提升网络可靠性；ORH一般在井上，ORE在井下，通过ORP（光缆和分光器）连接。ORE对外出标准的以太网光口和电口，井下设备可直接接到ORE上。F5G作为煤矿井下主干网络，将井下安全监控网、视频监控网、人员定位、5G网络统一接入。（按照安规要求，安全监控网需要和其他网络接入到不同光纤芯上，实现分芯传输）。

图1 矿用F5G+5G网络架构Fig.1 Mine F5G+5G network architecture

F5G作为5G承载网，F5G本身可实现微秒级低时延，并为5G承载专门提供高精度时钟同步、业务隔离功能，5G 的BBU可直接接入到ORE（5G承载ORE一般为10GE光口），实现井下F5G+5G一张网传输。具有以下优势：

1）整个井下网络结构极大简化，井下多网统一部署。解决井下原来多张环网、网络重复建设、难以运维的问题。F5G网络井下有源设备只有ORE，井下设备更加安全、简单。

2）F5G+5G井下一张网改变原来井下分散网络，让多条“小路”融合成一条网络“高速公路”，使网络最终实现统一、融合、智能，为煤矿智能化提供高可靠性保障。

2.3 矿用F5G智能化方案优势

F5G全光工业网契合煤炭行业对高安全的需求，采用无源光器件具有大幅减少隔爆箱使用、避免井下熔接高温隐患、提高运维工作效率等特点，F5G智能化煤矿应用方案可以为智慧矿山建设提供有力的技术支撑。

1）无源光网络满足煤矿井下防爆要求。矿用F5G全光工业网采用两层网络架构和无源光环网，无需防爆认证，可减少40%的防爆箱使用，降低井下电火花风险，提升矿井下的电气安全性；F5G全光架构设计，逐级汇聚到集中管理，减少汇聚层，带电设备大幅简化，使井下设备更加简单便捷。

2）无源网络自生长满足煤矿井下定期移动需求。基于工作面定期移动的需求，井下设备需要高可靠、易扩展、易拆装，易维护等特点，F5G无源全光网络可以实现末端自生长、光电分离、模块化，预连接、免熔纤、新增节点不影响已有设备的正常运行，米级故障定位，拓扑可视，充分适合煤矿作业面变化。

3）业务安全。无源光网络ONU支持802.1X认证，支持对接入终端的认证，防止非法终端接入；XGS-PON网络支持上下行双向AES加密传输；工业光网支持防DDOS攻击、防DHCP snooping等网络安全措施；高可靠环网设备级、链路级的“1+1”冗余保护，并且支持30 ms保护倒换，可应对井下多重设备和链路失效，保障业务零中断。

图2 传统工业交换机环网与F5G工业光环网组网对比Fig.2 Comparison between traditional industrial switch ring network and F5G industrial optical ring network

3 矿用F5G典型应用场景

F5G工业光网可以接入井下感知控制层的各种设备，包括智能采掘、智能运输、智能供电、智能通风、机器人等接入设备[12]，也可以接入环境感知、位置感知、视频感知、调度感知、通信感知、灾害感知等感知设备，成为煤矿井下基础设施层的主干网络[13-15]。

以下分析4种矿用F5G典型应用场景[16-20]。

1）视频监控+边缘分析。F5G工业光网接入在井下重要场所、工作面等区域视频监控；能够满足实时传输、灵活部署、超大带宽、运维方便的需求，实现输送带异物、人员违章、钻场等重要场景视频智能识别。

图3 视频监控+边缘分析Fig.3 Video surveillance+edge analysis

2）远程控制网。F5G工业光网是井下的远程控制网，因其实时性好，远程控制低延时，可靠性、抗干扰、业务零中断等特点；可以接入工作面、变电所、输送带、水泵、压风机、机器人等系统，实现运行环境及工况远程监测，采煤机、掘进机、水泵、压风机、开关等设备远程控制。

图4 远程控制网Fig.4 Remote control network

3）监测监控传输网。F5G工业光网承载全矿井监测监控传输网，承载安全监控系统、精确定位系统（人员、车辆、井下智能交通）的大量数据接入，满足监测监控多系统的异构网络架构、传输节点多、实时性和稳定性高[16]。

图5 监测监控传输网Fig.5 Monitoring transmission network

4）矿用5G+融合通信系统承载网。F5G工业光网可承载井下5G通信、4G通信、WiFi6、广播通信等融合通信统一承载及传输，接入顶板、地压、水文、粉尘等矿井灾害监测；也可以接入机电设备故障诊断、光纤测温等感知监测，满足智能化煤矿建设要求。

图6 矿用5G+融合通信系统承载网Fig.6 Bearing network of mine 5G+ integrated communication system

4 结 论

1）论述了矿用 F5G工业光网功能、F5G+5G融合组网设备及架构、矿用井下F5G+5G一张网应用优势特点；分析了矿用F5G智能化建设方案的3个优势：无源光网络满足煤矿井下防爆要求、无源网络自生长满足煤矿井下定期移动需求、无源光网络ONU支持802.1X认证业务安全需求。

2）针对智能化煤矿建设的业务需求，重点探讨了矿用F5G架构的智能化煤矿建设的4种典型应用场景：视频监控+边缘分析、远程控制网低延时实时传输、监测监控传输网、矿用5G+融合通信系统承载网，为F5G架构的智能化煤矿建设提供技术思路及方法。

3）矿用F5G全光工业网架构具备PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点，契合煤炭行业对高安全的需求；但是矿用F5G架构的智能化煤矿建设方案尚处于探索阶段，目前没有成熟案例可供研究参考，建设方案的可行性及实用性尚需进一步验证分析。

4）煤矿F5G的深入推广应用，需要煤矿生产企业，集成商，网络设备供应商等协力合作，构建创新、协同、开放、合作的煤矿F5G应用生态；同时也包括F5G防爆认证、研发适合矿用的F5G通讯产品、整合优化F5G煤矿井下的解决方案，提升矿用F5G系统可用性技术层面的应用生态环境等。