5G智慧矿山的关键技术和创新应用

摘 要：随着生产智能化的推进，5G网络技术在智慧矿山中的应用成为行业内的研究热点。智能化控制对通信网络提出了极高的要求，原先的4G通信网络不足以满足产业智能化升级对通信网络的延时性、移动性、可靠性、终端接入数量、抗干扰等方面的严格要求，5G通信网络所具有的低延时、高移动性、高可靠性、抗干扰强、支持海量终端接入的特点，完全可满足工业互联网智能化产业升级对通信网络的需求。基于实际项目的需求，深入讨论了5G在铁矿智能化升级中的一些关键技术，系统性地给出了5G专网在铁矿中的实施方案，实施结果证明了方案的可行性。同时，在5G专网下结合实际作业中的一些问题，重点研究了智能化监控、管理相关的创新应用，以此来提升矿山作业的安全性和生产效率，推动矿山行业的智能化发展。研究结果对进一步推进我国5G+工业互联网建设具有重要的参考价值。

关键词：5G专网 智慧矿山 智能化监控，工业互联网 移动通信

中图分类号：TN92 文献标识码：A

Key Technologies and Innovation Applications of 5G Smart Mines

WANG Fabao

Huainan Branch， China United Network Communications Corporation， Huainan， Anhui Province， 232000 China

Abstract：With the advancement of intelligent production， the application of 5G network technology in smart mines has become a research hotspot in the industry. Intelligent control puts forward extremely high requirements on communication networks. The original 4G communication network is not enough to meet the strict requirements of industrial intelligent upgrading on communication network delay， mobility， reliability， terminal access number， anti-interference and other aspects. The 5G communication network has the characteristics of low delay， high mobility， high reliability， strong anti-interference， and support for mass terminal access. It can fully meet the needs of communication networks for industrial Internet intelligent industry upgrading. Based on the needs of actual projects， this paper deeply discusses some key technologies of 5G in the intelligent upgrading of iron mines， systematically presents the implementation scheme of 5G private network in iron mines， and the implementation results prove the feasibility of the scheme. At the same time， in combination with some problems in practical operations under the 5G private network， the innovative applications related to intelligent monitoring and management are focused on， so as to improve the safety and production efficiency of mining operations and promote the intelligent development of the mining industry. The research results have important reference value for further promoting the construction of 5G+ industrial Internet in China.

Key Words： 5G private network;Smart mines; Intelligent monitoring;Industrial Internet; Mobile communication

作为传统的重工业，矿山行业长期面临着诸多的问题，如生产安全风险高、生产效率低、环境污染严重等。为了解决这些问题，智能化升级改造已经成为矿山行业重点发展的方向。5G技术具有大带宽、低时延和大连接的优点，灵活的网络架构更容易与云平台、大数据和人工智能等新技术融合，能够为智能矿山提供安全、可靠、可控的数据通信网络，是各个行业智能化升级的关键技术[1]。

采矿行业“5G+工业互联网”工作会议明确指出采矿业要加强5G基础设施建设，以生产机械化、设备智能化、作业无人化、管理一体化为目标，全力打造本质安全、绿色高效的智慧矿山。结合矿山现有的信息化基础，针对矿山作业的实际需求和特点，研究智慧矿山中的5G关键技术、网络部署方案和创新应用具有非常重要的指导意义。

在当前的形势下，针对铁矿行业5G智能化升级改造的实际项目，本文从实际工程实施的角度深入研究了相关的关键技术，系统地论证了5G专网的实施方案，结合实地作业中的一些问题，进行了一些创新应用的尝试，有效地解决了这些问题，这些研究成果对于铁矿智能化建设具有非常有用的参考价值。

关键技术

金属矿山的智能化主要体现在海量数据的采集、分析和决策，根据决策对海量设备进行智能化的控制。智能化的基础是数据传输网络的宽带化，通过大容量、低时延、海量连接的网络采集数据、交换信息、下发指令。针对实际作业需求，本节重点讨论金属矿山网络宽带化中的一些关键技术。

5G专网技术

5G是第五代移动通信技术的简称，是新一代蜂窝移动通信技术。2015年，国际电信联盟确定将5G命名为IMT-2020。与该组织此前为3G命名的IMT-2000和为4G命名的IMT-Advanced一脉相承。

前4代移动通信技术主要解决了人与人之间的通信问题，5G则在此基础上涵盖了更多的人与物以及物与物之间的通信问题，其关键指标如表1所示，比前几代移动通信技术更加适合行业智能化应用，包括智慧矿山的行业应用。

5G具有比4G更高的吞吐率。5G的载波带宽比4G大，同时支持更大规模的多天线技术，吞吐率远比4G要大，能够支撑更大容量、更高质量的视频传输。5G的子帧周期更短，因此具有更低的空口传输时延，能够更好地支撑低时延应用的需求，如设备的远程实时控制等。

另外，5G还能更好地实现了CT和IT的融合，在通用平台上能够更好地与边缘计算应用，以及大数据，人工智能技术深入融合，通过切片技术更好地、更灵活地适应不同应用场景的需求，相比以前的技术更加适合复杂多样的行业应用。5G的终端连接容量要比4G提升了很多，通过信令的优化，能够支持海量终端的接入和并发业务。

在国家《“5G+工业互联网”512工程推进方案》的引领下[2]，中国联通针对不同客户、不同场景提出了如下三种5G专网组网模式。

虚拟专网：利用公网切片技术，为行业客户组成一个逻辑上独立的虚拟专网，特点是部署快、成本低、运维简单。

独立专网：利用公网频谱，行业客户独立建设5G专网，包括核心网、传输网和接入网，物理上与公网隔离，专网专用，特点是安全、可靠和可控，但是前期成本较高，企业运维难度大。

混合专网：是以上两种模式的折中，通常是数据面网元UPF会下沉到客户园区就地部署，保证企业数据的安全性，部署速度、建设成本和后期运维都比较适中，但由于控制面在运营商机房，网络的可靠性、可控性仍然存在潜在的风险。

考虑生产和运营的数据需要在5G网络中传输，对网络的安全性、可靠性和可控性要求非常高，因此，独立专网成为5G智慧矿山行业的首选组网方案。

独立专网需要将企业级5G核心网和多媒体子系统（IMS）下沉部署在企业园区，对园区的基础设施要求比较高，同时为了保证核心网的可靠性，增加了异地容灾、备份的功能。

万兆环网技术

5G基站部署在矿下，核心网等网元和企业综合管理平台部署在矿上，矿上和矿下之间的主干传输网络的负荷随着海量终端的接入会大幅提升，因此有必要对主干环网进行升级改造，以适应智慧矿山中长期业务的要求。

关键节点升级万兆核心交换机，提升关键节点的网络传输容量和接入能力。

基于整体业务容量需求，合理规划环网交换机安装位置及数量，增加必要的网络分支，便于各种工作终端的就近接入，方便施工，节约光纤资源。

考虑5G基站的同步功能需求，环网需要支持1588网络同步协议。

最后在尽可能不影响生产的情况下，对新旧环网进行无缝切换，确保环网的数据负载能力，提升环网的可靠性。

作为主干传输网络，万兆环网的方案设计和部署施工是整个5G专网成败的关键，可以充分借鉴运营商公网中成熟的技术和经验，确保智慧矿山万兆环网顺利升级、稳定运行[3]。

小区合并和分裂技术

由于矿下复杂的地形环境以及矿石对无线信号的吸收，单个射频单元的覆盖范围有限，因此单个基站需要连续安装多个射频单元，从而扩大整体覆盖范围，如图1所示。

通过小区合并技术，将多个连续部署的射频单元合并成一个小区，当终端在这些射频单元之间移动的时候，不需要进行频繁的切换，保证信号的稳定性。同时，对多个射频单元的接收信号进行射频和基带两级合并，增加分集接收的增益，提升整体的接收性能。

通过小区分裂技术[4]，将多个射频单元簇划分成多个小区，以此提升单个基站的系统容量。

每个基带单元最多连接4个扩展单元，每个扩展单元最多连接8个射频单元，通过网管系统，可以根据需要灵活地配置小区数量和对应的射频单元簇，以适应不同的业务需求。

通过5G核心网网元在企业的下沉式部署，实现了厂区的全业务本地处理，数据和控制面信令均不出园区，确保了数据的安全性。5G专网多级可靠性保障，达到5个9高可用。数据配置本地化处理，快速响应业务对网络的定制化需求。通过专用网管的部署，实现了业务自主管理，本地用户数据自主可控，可以实现厂区的网元状态、告警、话统、跟踪、升级等维护功能。设备状态全部具有可视化运维手段，实时了解设备状态，网络运维简易轻松。

实施方案和结果

基于上述关键技术的研究，针对安徽某5G智慧铁矿项目，本节重点论证5G智慧铁矿系统的实施方案。

系统方案

5G智慧铁矿系统采用分层架构，由应用层、核心网、传输网（万兆环网）、5G接入网和终端组成，采用标准的接口协议，具有较强的灵活性、开放性和扩展性[5]，系统架构如图2所示。

应用层：包括企业级对讲平台（POC）、视频监控平台、GIS定位/地图平台以及MES管理平台等，通过融合通信平台实现多网络、多平台的互联互通。

核心网：包括企业级5G核心网，负责接入控制、移动性管理、无线资源管理、用户及安全管理以及数据路由和转发；企业级多媒体子系统IMS，负责提供VoNR语音业务；融合网管平台，负责核心网、传输网和接入网网元的配置、告警和性能管理。

传输网：升级后的万兆环网，负责核心网和接入网之间的数据传输和同步信号交换。

接入网：采用三级组网架构的扩展性5G基站设备，即基带单元（BBU）、扩展单元（HUB）和微功率射频单元（pRU）；通过复合电缆和光纤，单个基带单元最多可以连接32个射频单元，线性部署可以覆盖距离可以达到6 km；按照矿安要求，这些网元设备都会部署在防爆壳中。

终端：主要包括5G工业路由器、专业防爆智能终端，根据作业现场的需求，也可以利用5G模组定制专用终端。

5G专网建设方案

5G专网是整个系统中最关键的部分，根据现场作业的要求，核心网、IMS和融合网管部署在矿区中央机房中，5G基站则部署在矿下，二者通过万兆环网实现互联互通，网络架构如图3所示[6]。

在中央机房部署两套核心网，实现本地热备份，确保关键网元的可靠性。对于万兆环网的改造，矿山采用4台10G交换机，两两热备份、双链路冗余，切换时间不超过50 ms，矿下采用5台25G万兆设备；环网设备支持1588V2协议和以太网同步协议，时钟服务器通过环网实现对矿下5G基站的同步和授时功能。根据需要矿下部署2台BBU，10套HUB和44个PRU，BBU通过光纤连接HUB，HUB通过复合电缆连接PRU，根据矿安标准要求，基站设备都装在防爆壳中。

双向鉴权机制保证终端接入的安全性，空口加密和IPSec功能保证数据端到端传输的安全性，本地化的融合网管保证了网络设备的可控性，专网专用、重要网元实现热备保证了网络的可靠性。

5G专网技术优势

具备超大容量

系统支持海量用户接入，其中单基站单小区最大支持1 200接入用户，最大支持400激活用户，可根据客户需要扩容进一步增加用户容量。5G核心网设备一次性投入可多个区域复用，以2台服务器搭建私有集群网络为例，最大可以支持10万用户，20 G吞吐量[7]。

具备超大带宽

系统典型端到端时延达到10 ms级别，结合边缘计算技术，可达到更低的时延效果，可以满足高精度机械控制，自动驾驶，XR/VR类业务等精密应用。另外，基站2T2R DDDSU典型单小区吞吐率最大值DL为840 Mbps，UL为180 Mbps。支持DSUUU超级上行，超级上行小区吞吐量最大值DL为300 Mbps，UL为700 Mbps。可满足多路高清视频回传，海量数据传输等大数据应用。最后，基于5G网络架构，5G网络支持高速移动切换，保证数据在移动中传输不中断，可以满足车载移动监控视频应用需求。

具备高安全性

整系统无线接入网（Radio Access Network，RAN）、网关、轻量化核心网、应用服务器均部署在本地专用区域由企业直接管理，企业矿井可发行用于私网访问的SIM卡。在此环境下，私网用户接入5GC核心网，支持AKA鉴权流程，以及完整性保护、加密流程，用户在接入网络时与网络侧完成双向认证，保证用户和网络的合法性。用户传输数据过程中，系统支持通过完整性保护和加密流程，保证用户信令在传输过程中的正确性和私密性。

具备高可靠性

核心网采用异地热容灾备份，矿区部署5G核心网。通过构建以DC为中心的网络云化平台，部署基于云化架构的VNF。首先，引入跨DC部署，各个NF的冗余实例分散在不同的DC中；其次，各个NF的冗余实例分散在不同的资源池中。通过云化平台和NFV技术，实现核心网的异地热容灾备份，显著提升了系统的可靠性。而且，5G核心网的各网元也可以实现分布式部署，各网元也可以实现主从备份。网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、网络存储功能（Network Repository Function，NRF）、统一数据管理（Unified Data Management，UDM）/鉴权服务功能（Authentication Server Function，AUSF）等网元采用1+1方式进行异地热容灾，策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）、用户面功能（User Plane Function，UPF）等网元采用组POOL方式进行异地热容灾[8]。

验收结果

经过3个月的试运行，整个网络运行稳定、可靠，没有出现重大的事故。其中，在各种场景下，环网单向延时小于20 ms，环网整体的可靠性达到99.99%；5G信号覆盖好点比例达到96%，重点区域的RSRP不低于-90 dBm，上行吞吐率大于150 Mbps，端到端时延小于40 ms，视频传输流畅无卡顿，满足巡检机器人远程控制、电机车无人驾驶等业务要求。

创新应用

5G专网的建设和万兆环网的升级，加快推进了矿山企业的数字化、智能化转型，实现了少人、无人生产，降本增效的同时，也降低了事故风险产生的损失。在5G智慧矿山系统下，目前已经实现了自动驾驶、采掘机器人远程控制、4K视频远程诊断等创新应用，对5G技术的工业化应用及“智慧矿山”建设具有引领作用和示范效应。

无人驾驶应用

矿下空间狭窄、环境复杂，人员长期在运输矿物的火车上工作容易产生事故。利用5G专网的大带宽和低时延的优点，实现地下采矿机车的无人驾驶，减轻驾驶员劳动强度，改善作业环境，缩短换班时间，提升采矿生产效率，提升矿山安全水平[9]。

在无人电车上安装5G工业路由器，向上接入5G专网，向下通过车载PLC网络连接电车的控制系统，以及车上的摄像头。电车的状态信号和实时视频通过5G专网回传到矿上的控制平台，控制平台通过5G专网下发指令到电车，从而实现电车的远程控制和无人驾驶。

采矿机器人远程控制

相比人工采掘，矿山机器人的采掘效率大幅提升，工作时间也大幅延长，而且可以大幅降低事故造成的人员损失。目前，无论是轨道机器人，还是轮式机器人，都有着较大的作业活动范围，对网络覆盖的连续性要求较高，同时安装在机器人上的传感设备越来越多，对网络的吞吐量要求也是越来越高，对网络的时延越来越敏感[10]。

4G和Wi-Fi已经无法满足当前采掘机器人控制的要求，通过在机器人上安装5G终端模组，通过5G专网实现对机器人的远程控制，实际运行结果良好，如图5所示。

5. 结语

传统矿山向智能化发展成为当前行业趋势，5G独立专网能够为智慧矿山提供安全、可靠、可控的高容量、低延时的无线网络，实现海量终端的接入和海量数据的传输，是智能化决策的基础。

基于智慧铁矿改造升级项目，本文论述了5G独立专网的必要性，给出了系统的实施方案，并且在5G专网基础上进行了创新应用探索，为智慧铁矿的建设积累了宝贵的经验。

未来，5G网络需要和其他网络进行深度融合，统一的管理和运维是确保系统正常运行的关键。5G专网的目的是增效，因此，当海量数据采集上来之后，需要和AI技术加强融合，进一步提升企业的智能化管理和运营。

参考文献

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