5G特性在智慧矿山中的应用研究

5G特性在智慧矿山中的应用研究

龙文

中国移动通信集团设计院有限公司安徽分公司  230001

摘要：我国5G技术在智慧矿山中使用越来越普遍。随着5G、物联网、互联网、大数据、云计算、边缘计算等技术的发展和逐步成熟，智慧矿山的建设开始进入快车道。先进的信息化技术是矿山实现数字化、智能化的基础，5G低时延、大带宽和广覆盖的特点，可有效解决矿山智能化过程中面临的大量传感信息回传、远程控制等问题。然而，矿山环境与公网的5G建设部署场景存在显著差异，矿井现场设备回传的上行带宽需求显著、大带宽需求与低时延高可靠需求共存，井工矿井下无线信号衰减严重、覆盖受限等，都对智慧矿山5G建设提出了更高需求。对智慧矿山建设的主要业务需求进行全面梳理，分析智慧矿山应用场景对通信网络的指标要求，结合矿山5G建设的环境特点，研究智慧矿山5G网络架构、智慧矿山5G关键技术及5G网络资源优化配置方法，确保5G网络对智慧矿山应用场景的全面支撑。

关键词：智慧矿山；矿用5G；网络切片

引言

矿山智能化建设是工业革命的重要组成部分，消除信息孤岛、全面整合矿山数据、等值统一执行标准是智能矿山建设进程中要解决的主要难题。5G网络在矿山的推广应用有效解决了矿山智能化的通信传输问题，在采煤、掘进、运输、供电、供排水、通风、机器人集群运作等多个方面，融合多种信息技术，将矿山生产安全相关的多个子系统的装备和工艺有机结合起来，构成相互联系的智能化矿山生产管控系统，为全面提高矿山智能化水平提供技术保障。

1智能矿山5G技术应用概述

数字化转型赋能了传统垂直行业、软件定义设备、大数据、云计算、区块链、网络安全、虚拟现实和增强现实等新技术，为信息产业上下游全生态链应用提供了发展空间，而这些新技术落地应用基本都是基于通信技术的发展。在矿山领域，如今采用的通信技术除了工业环网，其主要无线网络技术还是以4G、WiFi、ZigBee等为主，受制于矿山开采活动存在于较封闭的乃至地下千米以上的环境之中，传统通信技术不足以支撑矿山智能化转型所需要的数据传输与实时处理的需求。5G是第五代移动通讯系统的简称，与上一代通信技术相比，其高速率、泛在网、低时延、频谱共享、网络自组织、网络切片等特性，能够适用于矿山这一特殊工业场景。将5G技术用于矿山，满足大型移动设备的远程遥控、固定设备的数据传输、安全环保的实时监测、运营决策的实时优化等需求，使矿山逐步向无人化迈进，实现矿山的降本增效。由于矿山本身具有空间狭小、交通与通讯不发达、生产系统复杂、安全风险较大的特点，矿用5G通信技术应用必须满足以下要求:设备外观体积小，便于狭小空间部署;信道容量大，满足海量多元数据的上传及下达;定位准确，能够克服信号在井下的多径衰弱现象;抗干扰能力强，能够克服井下电磁干扰;防护性能好，能够在井下潮湿、强振环境中保持其稳定，需要本安型设备以满足矿山安全规程要求。

2智慧矿山5G应用

2.1网络切片及QoS机制

网络切片技术及QoS机制是5G承载网关键技术，共同实现在同一网络中不同业务数据需求。QoS机制为不同业务定义具体的传输参数指标。网络切片技术是将同一物理网络系统划分为不同的逻辑单元，多个逻辑单元独立组成虚拟网络，即网络切片。每个网络切片都可被视为一个独立的网络，能够承载对应的QoS指标。当传输具体业务时，网络切片按照传输业务的QoS指标，将业务数据映射到不同的切片资源上进行传输，按照不同业务需求进行资源配置。根据对矿山业务的需求分析，将矿山5G网络划分为传感器切片、视频回传类切片、实时控制类切片、远程控制类切片4种。传感器切片对应瓦斯、温度、湿度等环境传感器，属于小带宽、广覆盖通用切片。视频回传类切片对应矿区、园区、巷道、工作面等视频监控信息回传场景，属于大带宽通用切片。实时控制类切片对应通风、排水、机电控制及其他实时控制类场景，属于低时延、小带宽切片。远程控制类切片对应自动驾驶、远程驾驶、远程控制类场景，属于大带宽、低时延切片。其中，低时延切片的数据必须通过下沉UPF，从而保障信息传送和控制时延。对于非低时延类切片，可通过公网回传至园区数据中心。对于各类切片的具体实现，需要在承载网中设计网络切片和QoS指标管理模块，实现切片资源与QoS指标映射，保障业务传输性能。

2.2综采工作面全景视频

对综采工作面全景视频拼接，形成一副长的“画卷”无死角覆盖，消除视觉盲区，实现工作面全景可视可控，采煤机工作区部署全视角视频，为采煤机司机提供“身临其境”的驾驶感受，精确指导远程操控作业。综采面全景视频拼接+煤机局部全视角视频拼接+视频AI辅助分析，实现远程监控、辅助操控、提前预警和实时联动，支撑综采工作面全景可视、安全可控，实现井下作业少人化。

2.35G+数据采集

数据采集服务由工业物联网平台提供多种协议的接口驱动，同时支持ERP（企业资源计划）、MES（制造执行系统）等信息系统的数据接入。接入侧，可采用设备通过工业网关连接至5G%CPE，建立5G连接通道。打破以前只能在局域网内通信的限制，满足通过公网对网关设备进行接入认证、接口数据枚举访问、子系统接口状态等信息的查询，极大方便项目的工程实施，提高工程实施效率和质量。总体来讲，设备数据采集有四种方式：直接联网通信采集，通过加装智能网关、协议转换器采集，通过远程I%/%O（输入/输出）进行采集、内嵌客户端采集。

2.4智能采矿管控平台

智能采矿管控平台主要包括三维数字采矿基础平台、生产计划管控系统及智能配矿系统。利用三维数字采矿基础平台可以建立准确的矿山资源模型、生产模型、实测模型等,为开采设计、计划与配矿提供安全生产指导。三维数字采矿基础平台是指矿山地质、工程与采矿生产的三维数据信息平台,是实现资源模型可视化、资源评价数字化、开采设计合理化、配矿精细化的基础和载体。生产计划管控系统主要实现生产计划编制和审批功能,可以开展人机交互三维编制矿山日常采剥计划,模拟计划开采过程,从中长期角度实现计划内合理配矿,有利于提高资源利用率和计划可执行性,指导矿山安全生产。计划编制完成后,在数字采矿软件中将其提交到生产执行系统中进行流程审批。

2.5独立专网

5G独立专网采用专有无线设备和核心网，具有gNB、接入和移动性管理功能、会话管理功能（SessionManagementFunction，SMF）、UPF、MEC等5G系统的所有网元功能。从无线基站到核心网用户面、控制面，端到端为行业用户单独建设，提供物理独享的5G专用网络，满足行业用户高带宽、低时延、高安全、高可靠的数据传输需求。这种高度定制化的网络，控制和数据全部在本地，可最大程度地发挥5G网络性能，方便实现覆盖无死角、数据不出园区、生产不中断、上下行带宽优化、超低时延和超高可靠性。独立专网方案中，由于核心网为自由专网，5G系统的管理、维护、放号等均自主可控，灵活性较好；5G系统与运营商公网物理隔离，安全性高；对移动语音调度等行业应用支持度高。

结束语

5G专网是新一代信息技术在工业的融合集成应用，以机器、原材料、信息系统、产品、人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和建模分析，实现生产组织方式变革和智能化生产等。

参考文献

[1]孟庆勇.5G技术在矿山井下应用架构探讨[J].工矿自动化，2020，46（7）：28-33.