矿山企业5G 及万兆工业环网建设实践

李砚博， 姚丽英

（山西仲煤工程设计有限公司， 山西 太原 030027）

0 引言

大阳煤矿积极贯彻落实“一个目标、三型五化、七个一流”的新发展战略，以《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》为引领，以“五个提升”总目标为宗旨，以实现“5 个百分百”为建设目标，按照公司“统筹规划、一矿一策、切实可行”的原则，高起点、高标准扎实推进智能化体系建设，同时承担起建设“5G＋”智能化矿山应用矿井的重任。

1 大阳煤矿概况

大阳煤矿地处山西省晋城市大阳镇，井田面积为17.2 km2，可采煤层有3 号、9 号和15 号，核定年生产能力180 万t，主产优质无烟煤，矿井储量丰富，煤质优良，是一家集采煤、洗选和煤矸石制砖于一体的现代化企业[1]。但是，煤矿智能化设备使用率较低，很大程度受限于现场的工作环境和装备的可靠性，不能建立合理可靠的通信机制，设备各自独立运行，无法实现各个系统的可靠信息交互[2]。为了应对井下复杂情况，在恶劣条件下按时完成开采工作，全面实现达到智能化开采的目标，必须及时革新技术手段，提升技术水平。而智能开采对矿井釆煤工作面设备自动化的要求较高，设备间存在复杂的无线网络问题。部分问题可以依靠微波通信的方式实现，既能节约成本，又能避免了工作面布置电缆太多而出现破损等情况。

2 基于5G 和云平台的智能化建设探索

在智能化矿山云平台基础上部署一体化监管平台、大数据分析平台和手机APP 平台，井下所有覆盖的区域都能通过5G、4G 或Wi-Fi 基站与地面实现数据传输，做到井上井下互通互联[3]。实现井上下三维一张图可视化监测、综合自动化全景管控、多系统融合联动以及手机APP 移动查看各项数据，通过分析大数据得到所需报表及安全态势，确保煤矿安全生产。

2.1 建设内容及设计方案

大阳煤矿原有和即将建设的使用工业环网传输的业务系统，均能通过本次建设的环网正常、稳定、可靠地传输，实现数据和视频分别通过各自环网传输。在机房部署万兆核心交换机、井下部署万兆交换机，组成双万兆环网。地面5G 网络与井下5G 网络通过MEC 边缘计算实现低延时、大带宽的井上井下一张5G 融合网，主要组成部分如图1 所示。

图1 5G 融合网建设

5G 通信系统的核心网位于本矿地上建筑，并保证矿内所有5G 通信系统所产生的数据不出矿，不受承建商核心站控制。即使矿端和承建商网络之间出现网络中断等情况，也可以保障煤矿4G 语音和5G 数据传输的正常使用。5G 无线系统网可以支持多端口的号码互拨，并可实现文字留言的功能。

2.2 5G 网络整体架构示意图

为根本性解决井下恶劣环境所造成的数据传输效率低、信号不稳定的问题，达到持续提升煤矿综采工作面的技术水平，大阳煤矿针对控制系统的现状，提出了5G 网络的部署规划。具体分为地面部分和井下部分两方面，架构示意如图2 所示。

图2 5G 网络整体架构

地面部分包括核心网与SPN 地面部分。其中，核心网为矿用5G 移动通信网络，由地面的核心网MEC、SPN 环网系统构成。核心网的功能主要是提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权以及语音和数据的交换等功能。SPN 地面部分建设有1 台PTN设备（PTN980），并组成50GE 环一进一出2 个50GE口。

井下部分包括SPN 与基站两个部分。由3 台PTN井下设备和地面设备组成SPN 工业环网，用于实现无线通信系统中设备的接入和承载，通过建设加密虚拟网络构架业务等级保护模型，建立业务物理或逻辑区域隔离，可根据实际需要引入，直至符合业务安全标准。运用4G、5G 双模基站，主要是基带控制单元（BBU）、微型射频拉远单元（PRRU）和远端数据汇聚单元（RHUB），为井下提供5G 无线信号覆盖。5G 基站可承载不同业务系统的终端，针对5G 基站接入的流量，可匹配基站的切片规划，在SPN 上规划不同的切片。

3 井下建设实践

3.1 设备的选择

由于环境、设备姿态等相关数据的匮乏，无法得知设备在环境中的位置和状态，就无法精准进行下一步决策。本次建设系统的核心部件采用华为公司的技术和产品，华为公司的5G 产品在全球处于领先地位，其产品具有极强的生命力，能够保证长期的零部件的供应及系统的升级要求。

大阳煤矿井下的基站设备和相关配套设备全部通过认证，一切用于井下的5G 通信设备以及手机必须拥有防爆合格证及安全标志准用证双重认证，按照新产品审核发放模式Ⅱ发放两年有效期安全标志。这些设备主要有矿用隔爆型数据传输分站、矿用隔爆兼本安型无线基站等。

3.2 井下基站布置

经过多次、多场景测试证实，井下5G 网络上行速率可达到350 m，时延低于20 ms，在主要巷道等地理环境较好的区域，5G 网络覆盖半径可以达到400～500 m，在环境好的区域尽量增加基站覆盖半径，减少基站投入量，提升经济性。在工作面等区域，按照200～300 m 半径建设基站，通过增加信号强度提高应用稳定性，井下基站共布置45 个设备，其中，皮基站设备（P-RRU）27 个，主要集中布置在皮带运输大巷和轨道运输大巷，集线器（HUB）11 个，其余见表1。

表1 大阳煤矿5G 网络整体覆盖设备列表

在皮带、振动筛和除尘器等设备上配套安装PLC控制柜、保护传感器、摄像头和改造开关柜。将中央变电所和西风井底变电所高开更换为具有标准通讯协议和防越级跳闸功能的设备，在变电所安装电力监控分站等设备。

3.3 专网与公网互通

大阳煤矿专网的核心网与属地的晋城移动公网的核心网实现信令完整对接，进而实现专网与公网的无缝连接，断开原井下工业环网，可通过5G 专用网络控制试验生产。5G 作为主要通信链路，原有工业环网作为备份，为大阳煤矿的5G 专网用户提供语音通信和数据通信业务的无缝漫游，地面控制室可通过平台软件快速切换实现设备连接，从而保证智能工作面系统永远在线，运行稳定、可靠。大阳煤矿建设了本地核心网后，即具备了语音通信的本地交换功能，专网内部通信在本地实现自交换,与公网通信通过公网语音通信业务实现。位于地面调度室的5G 专网链路可全天远程操控，实现智能化开采，在专网内部部署多接入边缘计算服务器（MEC），实现井下数据通信业务在大阳矿的地面核心机房落地处理，而不需要传输到公网再返回本地，这是5G 长时间连续服务于煤矿生产的历史性进步，综采工作从需要多人转变为单人远程操控和单人巡视，智能化水平显著提升。

4 建设成果

大阳煤矿在本次工业环网改造过程中，实现井上井下的5G 网络覆盖率达到95%以上，井下建设了2个可以承载5G 传输的工业以太环网，主干带宽不低于50 GE，每个环网井下分别配置不少于4 台主干环网交换机，三盘区变电所、中央变电所、避难硐室和集中变电所各1 台，用于视频和数据的传输。

井下所部署的2 台互为热冗余的环网地面核心交换机，每台背板带宽最低为640 Gbit/s，上行速度＞1 000 Mbit/s，下行速度＞100 Mbit/s。在此基础上，可自由调换上行、下行速度，在带宽上满足了视频、大数据和大业务的回传要求，支持各种有线网络信号与5G 互转，保障5G 通信系统所有数据（除需拨打外线语音外）安全与稳定[4-5]。

在智能化矿山云平台基础上部署一体化监管平台、大数据分析平台和手机APP 平台。实现井上井下三维一张图可视化监测、综合自动化全景管控、多系统融合联动和手机APP 移动查看各项数据。架空人车巷道的机头、机尾上车点以及上、下变坡点等关键点安装摄像头和控制软件，使用效果如图3 所示。

图3 设备使用效果

5 结语

“5G+”工业互联网在煤矿应用的帷幕刚刚拉开，煤矿生产进入了智能化加速建设的新阶段。近年来，大阳煤矿为实现煤炭产业升级进行了大量探索，在主斜井皮带以及主运皮带安装PLC 控制柜、摄像头等设备，在主斜井皮带安装巡检机器人，对主运皮带四部带进行变频改造以及增加煤量检测传感器。实现“逆煤流启动，顺煤流停车”，一键启动、一键停机，自动调速，防止皮带发生火灾等功能，有效提高了生产效率，为煤矿由劳动密集型向人才密集型转变作出了积极的贡献，取得了良好的经济效益和社会效益。