煤礦5G 融合通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

吳文臻

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

煤礦的通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，有線/無(wú)線調(diào)度通信、視頻監(jiān)控、人員定位等系統(tǒng)建設(shè)完成后，存在系統(tǒng)獨(dú)立、缺乏聯(lián)動(dòng)互通、統(tǒng)一調(diào)度，信息“孤島”現(xiàn)象廣泛存在[1]。關(guān)于煤礦5G 融合通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究，多集中5G 技術(shù)在煤礦智能化應(yīng)用可行性與必要性[2]，以及未來(lái)展望[3]。孫繼平[4]論述了煤礦智能化建設(shè)的整體應(yīng)用的頂層設(shè)計(jì)；孟慶勇[5]從煤礦井下實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景探討并分析了多種應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案；鄭小磊等[6]提出了煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法綜合指標(biāo)法；從煤科5G 的無(wú)線通信的技術(shù)角度，張立亞[7]提出了基于5G 通信的礦山可視化智能監(jiān)控技術(shù)；顧義東[8]分析了5G 技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作面運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用；孫繼平[9]深入研究了煤礦智能化與礦用5G 和網(wǎng)絡(luò)硬切片技術(shù)；霍振龍等[10]研究了礦用5G 無(wú)線通信系統(tǒng)的組成及組網(wǎng)方式，并提出了5G 技術(shù)在煤礦的應(yīng)用場(chǎng)景。以上研究主要集中在5G 通信技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景分析等；隨著煤礦井下融合通信系統(tǒng)的應(yīng)用，研究基于5G 的煤礦融合通信系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用，對(duì)解決智能礦山建設(shè)中面臨的接口兼容、遠(yuǎn)程控制、統(tǒng)一平臺(tái)[11-12]等問(wèn)題具有重要意義。

鑒于此，從煤礦5G 融合通信系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，根據(jù)應(yīng)用需求提出煤礦5G 融合通信的技術(shù)要求，建立融合通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)、安全機(jī)制與測(cè)量動(dòng)態(tài)架構(gòu)等，并基于5G 通信性能參數(shù)測(cè)試及業(yè)務(wù)功能包括語(yǔ)音視頻通話、融合系統(tǒng)、應(yīng)用場(chǎng)景智能聯(lián)動(dòng)調(diào)度等應(yīng)用驗(yàn)證。

1 煤礦5G 融合通信技術(shù)要求

煤礦生產(chǎn)環(huán)境下存在多樣化應(yīng)用需求，煤礦融合通信平臺(tái)承載音視頻語(yǔ)音傳輸、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、巡檢機(jī)器人、巡檢無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛等業(yè)務(wù)應(yīng)用。以上應(yīng)用對(duì)煤礦融合通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的需求分為3 種類型：①以上行數(shù)據(jù)為主的信息采集類：如視頻信息、各類傳感器信息的采集，對(duì)上行帶寬和支持的連接數(shù)量要求較高；②以下行數(shù)據(jù)傳輸為主的控制類應(yīng)用：如遠(yuǎn)程操控、自動(dòng)駕駛等，控制類應(yīng)用主要對(duì)時(shí)延和可靠性要求比較高；③雙向交互類：如語(yǔ)音通信等，交互類業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、延遲要求中等，上下行流量基本對(duì)稱。

1）低時(shí)延/高可靠。煤礦5G 融合通信系統(tǒng)面向遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程（無(wú)人）駕駛等應(yīng)用的低時(shí)延和高可靠性需求[13-15]，雙向時(shí)延小于20 ms，可靠性為99.99%以上。遠(yuǎn)程駕駛應(yīng)用支持最低5 ms 時(shí)延、99.999%可靠性、上行25 Mpbs、下行1 Mbps 通信速率的需求指標(biāo)；高級(jí)自動(dòng)駕駛需要支持最低3 ms、99.999%可靠性、53 Mbps 的車(chē)車(chē)/車(chē)巷通信速率。

2）數(shù)據(jù)安全?；?G 融合通信低時(shí)延/高可靠承載的煤礦環(huán)境感知、控制信息下發(fā)、流程調(diào)度等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，自動(dòng)巡檢、自動(dòng)駕駛等運(yùn)動(dòng)機(jī)械的操控，割煤機(jī)、液壓支架、掘進(jìn)機(jī)等遠(yuǎn)程控制或基于AI 的智能控制設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求很高[15]，也需無(wú)線系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份；此類感知、控制類數(shù)據(jù)具備典型的封閉生產(chǎn)區(qū)域特點(diǎn)，數(shù)據(jù)安全需滿足不出煤礦，5G 融合通信網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)必須保證良好的隔離措施，保證數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全。

3）大帶寬。視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸，要求通信系統(tǒng)具有大帶寬，其中視頻監(jiān)控傳輸為主，為保證視頻畫(huà)面的清晰度和流暢性，以H.264 標(biāo)準(zhǔn)編碼時(shí)，1 路1 080 p 的攝像頭至少需要4 Mbps 帶寬，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求應(yīng)達(dá)到60 Mbps 以上，在煤礦井下配電室、水泵房、帶式輸送機(jī)巷等重要場(chǎng)所，高清攝像頭密集的環(huán)境對(duì)大帶寬的要求會(huì)更高。與傳統(tǒng)公眾電信網(wǎng)絡(luò)下行傳輸需要大帶寬不同，煤礦通信網(wǎng)絡(luò)需要上行傳輸具有更大帶寬。

2 煤礦5G 融合通信平臺(tái)架構(gòu)

煤礦融合通信平臺(tái)架構(gòu)采用NGN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、SIP 軟交換協(xié)議及開(kāi)放接口技術(shù)，承載采集類、控制類、雙向交互類等多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，滿足各類煤礦通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、功能聯(lián)動(dòng)調(diào)度、遠(yuǎn)程操控等不同業(yè)務(wù)的通信需求。煤礦5G 融合通信平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足各類業(yè)務(wù)精準(zhǔn)性、應(yīng)急性、有效性和監(jiān)察性、統(tǒng)一管理性，以及數(shù)據(jù)資產(chǎn)完整保留性。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

圖1 煤礦5G 融合通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Coal mine 5G integrated communication network topology

煤礦融合通信管理平臺(tái)NGN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)采用基于公有云或私有云的全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)，設(shè)計(jì)滿足支持有線/無(wú)線調(diào)度、視頻監(jiān)控、人車(chē)定位、遠(yuǎn)程（無(wú)人）操控等統(tǒng)一管理調(diào)度需求。架構(gòu)采用SIP 軟交換技術(shù)或IMS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)控制；采用IPv6 技術(shù)解決地址問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量；采用MPLS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)IP 層和多種鏈路層協(xié)議（ATM/FR、PPP、以太網(wǎng)或SDH、光波）的結(jié)合；采用OTN（光傳輸網(wǎng)）和光交換網(wǎng)絡(luò)滿足傳輸和高帶寬交換需求。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С种笓]決策中心、服務(wù)器、井下環(huán)網(wǎng)、各子系統(tǒng)接入組成。

2.2 網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制

煤礦融合通信平臺(tái)在NGN 運(yùn)行環(huán)境中的安全問(wèn)題包括體系結(jié)構(gòu)、QoS、網(wǎng)絡(luò)管理、移動(dòng)性等，網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制需滿足數(shù)據(jù)的安全過(guò)濾、開(kāi)放授權(quán)、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)加密、電子封條、安全審計(jì)和故障預(yù)警等，架構(gòu)設(shè)計(jì)采用的立體安全保障體系，最優(yōu)滿足遠(yuǎn)程（無(wú)人）控制數(shù)據(jù)的安全防護(hù)、安全監(jiān)測(cè)和安全恢復(fù)機(jī)制。

安全防護(hù)機(jī)制保障平臺(tái)承載的井下采掘設(shè)備遠(yuǎn)程控制類數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、安全、實(shí)時(shí)、可靠。安全防護(hù)機(jī)制保護(hù)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的各種安全漏同和安全威脅，實(shí)時(shí)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，避免非法攻擊；安全監(jiān)測(cè)機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制數(shù)據(jù)的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止對(duì)系統(tǒng)安全漏洞和潛在風(fēng)險(xiǎn)攻擊；安全恢復(fù)機(jī)制是在安全防護(hù)機(jī)制失效的情況下，應(yīng)急處理和及時(shí)恢復(fù)信息，減少攻擊破壞程度。

2.3 API 模式多層次架構(gòu)

采用標(biāo)準(zhǔn)API 接口提供高層應(yīng)用的業(yè)務(wù)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源和信息能力，建立煤礦融合通信管理平臺(tái)的獨(dú)立業(yè)務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與多個(gè)子系統(tǒng)的互聯(lián)互通。API 模式基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范直接開(kāi)發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用業(yè)務(wù)，解決平臺(tái)承載應(yīng)用的底層軟件運(yùn)行的線程控制、資源提供、可靠調(diào)用等復(fù)雜問(wèn)題，保證融合通信平臺(tái)系統(tǒng)安全性；融合通信平臺(tái)將API 封裝成具有一定功能的構(gòu)件，基于構(gòu)件建立更高抽象層次的平臺(tái)業(yè)務(wù)框架，為平臺(tái)多業(yè)務(wù)融合應(yīng)用提供最大靈活性。

2.4 策略動(dòng)態(tài)架構(gòu)

針對(duì)煤礦井下5G 遠(yuǎn)程（無(wú)人）控制高可靠性的質(zhì)量管理，對(duì)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)提出新要求，管理重點(diǎn)向數(shù)據(jù)層和實(shí)時(shí)層轉(zhuǎn)移，解決網(wǎng)管系統(tǒng)的綜合化和智能化要求；采用基于策略的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，把傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備為中心的管理模式轉(zhuǎn)化為以控制為中心的管理模式，網(wǎng)絡(luò)管理根據(jù)控制指令動(dòng)態(tài)制定策略，策略自動(dòng)轉(zhuǎn)換成設(shè)備指令，使平臺(tái)的數(shù)據(jù)控制指令管理與設(shè)備遠(yuǎn)程操控配置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制和可靠性管理，滿足復(fù)雜分層服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和配置需求，增加對(duì)應(yīng)用需求量的控制能力，提高平臺(tái)的管理可靠性和實(shí)時(shí)性。

3 煤礦5G 融合通信系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 通信接口

煤礦5G 融合通信系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信接口，支持?jǐn)?shù)字中繼網(wǎng)關(guān)、環(huán)路中繼網(wǎng)關(guān)2 種方式出局，通過(guò)局向?qū)訉?shí)現(xiàn)語(yǔ)音/視頻互通；支持全種類中繼信令，SS7、NO.1、PRI、SIP、H.248、H.323、MGCP信令協(xié)議，根據(jù)應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)安全隔離后，保證平臺(tái)與各類公網(wǎng)、專網(wǎng)對(duì)接，解決各類煤礦通信系統(tǒng)孤立、數(shù)據(jù)不同、功能不能聯(lián)動(dòng)調(diào)度的問(wèn)題，以及數(shù)據(jù)互通的不同管理需求。5G 無(wú)線通信承載接口滿足井下/井下數(shù)據(jù)交換，在5G 承載網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流、井下/井下就地判識(shí)的數(shù)據(jù)安全隔離，滿足應(yīng)用共存需求的分類/兼容接口。

3.2 業(yè)務(wù)需求

煤礦融合通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯采用多級(jí)分布，滿足跨系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)用，業(yè)務(wù)主要分為：聯(lián)合調(diào)度、業(yè)務(wù)層管理、地圖定位、移動(dòng)應(yīng)急、綜合自動(dòng)化、遠(yuǎn)程操控等。

“我?guī)銈冏叩恼亲詈米叩穆?起碼在這一帶是這樣。這里本沒(méi)路,拖拉機(jī)一過(guò),路就出現(xiàn)了。”說(shuō)完,便又扛起行李往前走。

1）多業(yè)務(wù)融合。不同通信無(wú)縫融合，消除資源與信息孤島，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種通信系統(tǒng)語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的交互融合和綜合調(diào)用。

2）資源集中管理。通信、數(shù)據(jù)、物資、人員、車(chē)輛等資源集中調(diào)控，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化配置。

3）統(tǒng)一指揮調(diào)度。融合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)指揮調(diào)度，便于整個(gè)通信系統(tǒng)的集中管理、統(tǒng)一指揮、整體顯示、信息共享。

4）高效操作。提供基于GIS 的友好操作界面，支持各接入系統(tǒng)的智能化聯(lián)動(dòng)，支持應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)一鍵式觸控調(diào)度整個(gè)通信系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)建設(shè)

煤礦融合通信平臺(tái)如圖2。

圖2 煤礦融合通信平臺(tái)Fig.2 Coal mine integrated communication platform

基于5G 的煤礦融合通信系統(tǒng)的建設(shè)，采用SA架構(gòu)和BBU+RHUB+pRRU 無(wú)線覆蓋，煤礦井下本地化部署5G 核心網(wǎng)及基站等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)井下5G 信號(hào)分區(qū)、按需覆蓋，5G 無(wú)線專網(wǎng)與公網(wǎng)物理隔離，保證煤礦5G 專網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的本地安全。

煤礦5G 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)完成之后，根據(jù)具體業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)合理上/下行時(shí)隙配比、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)切片、云-邊-端聯(lián)合調(diào)試滿足控制需求的最大時(shí)延/最低帶寬；通過(guò)5G 靈活空口調(diào)度特性，確定基站與終端的無(wú)線空中接口參數(shù)；通過(guò)載波聚合提升上行傳輸能力，解決5G 特定的上行大帶寬需求，確保上行大帶寬與下行低時(shí)延高可靠性；滿足數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的遠(yuǎn)程（無(wú)人）操控需求。

4 煤礦5G 融合通信系統(tǒng)承載應(yīng)用

4.1 聯(lián)動(dòng)應(yīng)用

煤礦5G 融合通信系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)應(yīng)用如圖3。

圖3 煤礦5G 融合通信系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)應(yīng)用Fig.3 Linkage application of 5G fusion communication system in coal mine

1）聯(lián)動(dòng)調(diào)度。通過(guò)有線IP 網(wǎng)絡(luò)對(duì)有線/無(wú)線調(diào)度話機(jī)語(yǔ)音、監(jiān)控采集/可視電話/視頻調(diào)度；4G/5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程音視頻調(diào)度；將視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字廣播系統(tǒng)、UWB 定位系統(tǒng)、應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)等融入到煤礦5G 融合通信管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度聯(lián)動(dòng)管理。

2）遠(yuǎn)程（無(wú)人）操控。綜采工作面機(jī)頭、中部、機(jī)尾、進(jìn)風(fēng)巷監(jiān)控中心分別部署5G 基站，實(shí)現(xiàn)工作面5G 信號(hào)全覆蓋；采煤機(jī)、電液控、運(yùn)輸三機(jī)等關(guān)鍵綜采裝備均通過(guò)CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)；手持終端等設(shè)備直接接入5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備互聯(lián)、遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)采集和智能監(jiān)控的功能。

3）巡檢機(jī)器人。采用CPE 連接巡檢機(jī)器人的控制器，通過(guò)5G 通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的巡檢機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，測(cè)試巡檢機(jī)器人的巡檢狀態(tài)。

4.2 應(yīng)用結(jié)論

1）音視頻通話、融合通信系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等功能信令過(guò)程正確、完整，接通率100%，畫(huà)面清晰，視頻未見(jiàn)卡頓情況；調(diào)度融合管控平臺(tái)能夠有效實(shí)現(xiàn)有線調(diào)度、無(wú)線調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等的功能調(diào)用和數(shù)據(jù)互通。

2）三機(jī)遠(yuǎn)程操控加載控制數(shù)據(jù)后終端設(shè)備之間速率不低于20 Mbps、單個(gè)CPE 上傳速率可達(dá)200 Mbps，時(shí)延性能穩(wěn)定，終端設(shè)備遠(yuǎn)程操控穩(wěn)定，滿足煤礦5G 融合通信系統(tǒng)及場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)應(yīng)用。

3）巡檢機(jī)器人控制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確控制，控制指令的端到端時(shí)延經(jīng)測(cè)試在10 ms 左右，實(shí)時(shí)控制指令能夠穩(wěn)定、精確順暢地控制巡檢機(jī)器人的移動(dòng)。通過(guò)測(cè)試單個(gè)CPE 上傳速率可達(dá)285.2 Mbps。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）根據(jù)煤礦生產(chǎn)多樣化應(yīng)用需求，分析聯(lián)動(dòng)調(diào)度、遠(yuǎn)程（無(wú)人）操控、巡檢機(jī)器人3 種典型應(yīng)用類型，提出煤礦5G 融合通信系統(tǒng)的低時(shí)延/高可靠、數(shù)據(jù)安全、大帶寬承載的技術(shù)要求。

2）針對(duì)煤礦5G 融合通信平臺(tái)承載采集類、控制類、雙向交互類等多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，分析了NGN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓結(jié)構(gòu)、安全運(yùn)行機(jī)制、API 多層次架構(gòu)，以及策略網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制策略，以滿足平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度管理各類業(yè)務(wù)精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性、有效性。

3）以典型應(yīng)用業(yè)務(wù)為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于5G 的煤礦融合通信系統(tǒng)的兼容接口，分析業(yè)務(wù)需求的功能架構(gòu)，建設(shè)煤礦井下本地化不是的5G 系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)設(shè)定與典型業(yè)務(wù)匹配的時(shí)隙配比、網(wǎng)絡(luò)切片、空中接口參數(shù)。

4）分析了煤礦井下聯(lián)動(dòng)調(diào)度、遠(yuǎn)程（無(wú)人）操控、巡檢機(jī)器人3 種典型融合通信的聯(lián)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景，并給出系統(tǒng)延時(shí)、可靠性等主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，以及應(yīng)用結(jié)論，為煤礦5G 融合通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。