5G智慧礦山的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用

摘 要：隨著生產(chǎn)智能化的推進(jìn)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。智能化控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了極高的要求，原先的4G通信網(wǎng)絡(luò)不足以滿足產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)性、移動(dòng)性、可靠性、終端接入數(shù)量、抗干擾等方面的嚴(yán)格要求，5G通信網(wǎng)絡(luò)所具有的低延時(shí)、高移動(dòng)性、高可靠性、抗干擾強(qiáng)、支持海量終端接入的特點(diǎn)，完全可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求?；趯?shí)際項(xiàng)目的需求，深入討論了5G在鐵礦智能化升級(jí)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)性地給出了5G專網(wǎng)在鐵礦中的實(shí)施方案，實(shí)施結(jié)果證明了方案的可行性。同時(shí)，在5G專網(wǎng)下結(jié)合實(shí)際作業(yè)中的一些問(wèn)題，重點(diǎn)研究了智能化監(jiān)控、管理相關(guān)的創(chuàng)新應(yīng)用，以此來(lái)提升礦山作業(yè)的安全性和生產(chǎn)效率，推動(dòng)礦山行業(yè)的智能化發(fā)展。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：5G專網(wǎng) 智慧礦山 智能化監(jiān)控，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 移動(dòng)通信

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

作為傳統(tǒng)的重工業(yè)，礦山行業(yè)長(zhǎng)期面臨著諸多的問(wèn)題，如生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)高、生產(chǎn)效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重等。為了解決這些問(wèn)題，智能化升級(jí)改造已經(jīng)成為礦山行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向。5G技術(shù)具有大帶寬、低時(shí)延和大連接的優(yōu)點(diǎn)，靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更容易與云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)融合，能夠?yàn)橹悄艿V山提供安全、可靠、可控的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，是各個(gè)行業(yè)智能化升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

采礦行業(yè)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”工作會(huì)議明確指出采礦業(yè)要加強(qiáng)5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以生產(chǎn)機(jī)械化、設(shè)備智能化、作業(yè)無(wú)人化、管理一體化為目標(biāo)，全力打造本質(zhì)安全、綠色高效的智慧礦山。結(jié)合礦山現(xiàn)有的信息化基礎(chǔ)，針對(duì)礦山作業(yè)的實(shí)際需求和特點(diǎn)，研究智慧礦山中的5G關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)部署方案和創(chuàng)新應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。

在當(dāng)前的形勢(shì)下，針對(duì)鐵礦行業(yè)5G智能化升級(jí)改造的實(shí)際項(xiàng)目，本文從實(shí)際工程實(shí)施的角度深入研究了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)地論證了5G專網(wǎng)的實(shí)施方案，結(jié)合實(shí)地作業(yè)中的一些問(wèn)題，進(jìn)行了一些創(chuàng)新應(yīng)用的嘗試，有效地解決了這些問(wèn)題，這些研究成果對(duì)于鐵礦智能化建設(shè)具有非常有用的參考價(jià)值。

關(guān)鍵技術(shù)

金屬礦山的智能化主要體現(xiàn)在海量數(shù)據(jù)的采集、分析和決策，根據(jù)決策對(duì)海量設(shè)備進(jìn)行智能化的控制。智能化的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的寬帶化，通過(guò)大容量、低時(shí)延、海量連接的網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)、交換信息、下發(fā)指令。針對(duì)實(shí)際作業(yè)需求，本節(jié)重點(diǎn)討論金屬礦山網(wǎng)絡(luò)寬帶化中的一些關(guān)鍵技術(shù)。

5G專網(wǎng)技術(shù)

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。2015年，國(guó)際電信聯(lián)盟確定將5G命名為IMT-2020。與該組織此前為3G命名的IMT-2000和為4G命名的IMT-Advanced一脈相承。

前4代移動(dòng)通信技術(shù)主要解決了人與人之間的通信問(wèn)題，5G則在此基礎(chǔ)上涵蓋了更多的人與物以及物與物之間的通信問(wèn)題，其關(guān)鍵指標(biāo)如表1所示，比前幾代移動(dòng)通信技術(shù)更加適合行業(yè)智能化應(yīng)用，包括智慧礦山的行業(yè)應(yīng)用。

5G具有比4G更高的吞吐率。5G的載波帶寬比4G大，同時(shí)支持更大規(guī)模的多天線技術(shù)，吞吐率遠(yuǎn)比4G要大，能夠支撐更大容量、更高質(zhì)量的視頻傳輸。5G的子幀周期更短，因此具有更低的空口傳輸時(shí)延，能夠更好地支撐低時(shí)延應(yīng)用的需求，如設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等。

另外，5G還能更好地實(shí)現(xiàn)了CT和IT的融合，在通用平臺(tái)上能夠更好地與邊緣計(jì)算應(yīng)用，以及大數(shù)據(jù)，人工智能技術(shù)深入融合，通過(guò)切片技術(shù)更好地、更靈活地適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，相比以前的技術(shù)更加適合復(fù)雜多樣的行業(yè)應(yīng)用。5G的終端連接容量要比4G提升了很多，通過(guò)信令的優(yōu)化，能夠支持海量終端的接入和并發(fā)業(yè)務(wù)。

在國(guó)家《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》的引領(lǐng)下[2]，中國(guó)聯(lián)通針對(duì)不同客戶、不同場(chǎng)景提出了如下三種5G專網(wǎng)組網(wǎng)模式。

虛擬專網(wǎng)：利用公網(wǎng)切片技術(shù)，為行業(yè)客戶組成一個(gè)邏輯上獨(dú)立的虛擬專網(wǎng)，特點(diǎn)是部署快、成本低、運(yùn)維簡(jiǎn)單。

獨(dú)立專網(wǎng)：利用公網(wǎng)頻譜，行業(yè)客戶獨(dú)立建設(shè)5G專網(wǎng)，包括核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)，物理上與公網(wǎng)隔離，專網(wǎng)專用，特點(diǎn)是安全、可靠和可控，但是前期成本較高，企業(yè)運(yùn)維難度大。

混合專網(wǎng)：是以上兩種模式的折中，通常是數(shù)據(jù)面網(wǎng)元UPF會(huì)下沉到客戶園區(qū)就地部署，保證企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性，部署速度、建設(shè)成本和后期運(yùn)維都比較適中，但由于控制面在運(yùn)營(yíng)商機(jī)房，網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可控性仍然存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

考慮生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)需要在5G網(wǎng)絡(luò)中傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和可控性要求非常高，因此，獨(dú)立專網(wǎng)成為5G智慧礦山行業(yè)的首選組網(wǎng)方案。

獨(dú)立專網(wǎng)需要將企業(yè)級(jí)5G核心網(wǎng)和多媒體子系統(tǒng)（IMS）下沉部署在企業(yè)園區(qū)，對(duì)園區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施要求比較高，同時(shí)為了保證核心網(wǎng)的可靠性，增加了異地容災(zāi)、備份的功能。

萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)技術(shù)

5G基站部署在礦下，核心網(wǎng)等網(wǎng)元和企業(yè)綜合管理平臺(tái)部署在礦上，礦上和礦下之間的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷隨著海量終端的接入會(huì)大幅提升，因此有必要對(duì)主干環(huán)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，以適應(yīng)智慧礦山中長(zhǎng)期業(yè)務(wù)的要求。

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)升級(jí)萬(wàn)兆核心交換機(jī)，提升關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸容量和接入能力。

基于整體業(yè)務(wù)容量需求，合理規(guī)劃環(huán)網(wǎng)交換機(jī)安裝位置及數(shù)量，增加必要的網(wǎng)絡(luò)分支，便于各種工作終端的就近接入，方便施工，節(jié)約光纖資源。

考慮5G基站的同步功能需求，環(huán)網(wǎng)需要支持1588網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議。

最后在盡可能不影響生產(chǎn)的情況下，對(duì)新舊環(huán)網(wǎng)進(jìn)行無(wú)縫切換，確保環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)負(fù)載能力，提升環(huán)網(wǎng)的可靠性。

作為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)的方案設(shè)計(jì)和部署施工是整個(gè)5G專網(wǎng)成敗的關(guān)鍵，可以充分借鑒運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)中成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，確保智慧礦山萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)順利升級(jí)、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

小區(qū)合并和分裂技術(shù)

由于礦下復(fù)雜的地形環(huán)境以及礦石對(duì)無(wú)線信號(hào)的吸收，單個(gè)射頻單元的覆蓋范圍有限，因此單個(gè)基站需要連續(xù)安裝多個(gè)射頻單元，從而擴(kuò)大整體覆蓋范圍，如圖1所示。

通過(guò)小區(qū)合并技術(shù)，將多個(gè)連續(xù)部署的射頻單元合并成一個(gè)小區(qū)，當(dāng)終端在這些射頻單元之間移動(dòng)的時(shí)候，不需要進(jìn)行頻繁的切換，保證信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)多個(gè)射頻單元的接收信號(hào)進(jìn)行射頻和基帶兩級(jí)合并，增加分集接收的增益，提升整體的接收性能。

通過(guò)小區(qū)分裂技術(shù)[4]，將多個(gè)射頻單元簇劃分成多個(gè)小區(qū)，以此提升單個(gè)基站的系統(tǒng)容量。

每個(gè)基帶單元最多連接4個(gè)擴(kuò)展單元，每個(gè)擴(kuò)展單元最多連接8個(gè)射頻單元，通過(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)，可以根據(jù)需要靈活地配置小區(qū)數(shù)量和對(duì)應(yīng)的射頻單元簇，以適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求。

通過(guò)5G核心網(wǎng)網(wǎng)元在企業(yè)的下沉式部署，實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)的全業(yè)務(wù)本地處理，數(shù)據(jù)和控制面信令均不出園區(qū)，確保了數(shù)據(jù)的安全性。5G專網(wǎng)多級(jí)可靠性保障，達(dá)到5個(gè)9高可用。數(shù)據(jù)配置本地化處理，快速響應(yīng)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的定制化需求。通過(guò)專用網(wǎng)管的部署，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)自主管理，本地用戶數(shù)據(jù)自主可控，可以實(shí)現(xiàn)廠區(qū)的網(wǎng)元狀態(tài)、告警、話統(tǒng)、跟蹤、升級(jí)等維護(hù)功能。設(shè)備狀態(tài)全部具有可視化運(yùn)維手段，實(shí)時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維簡(jiǎn)易輕松。

實(shí)施方案和結(jié)果

基于上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，針對(duì)安徽某5G智慧鐵礦項(xiàng)目，本節(jié)重點(diǎn)論證5G智慧鐵礦系統(tǒng)的實(shí)施方案。

系統(tǒng)方案

5G智慧鐵礦系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，由應(yīng)用層、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)（萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)）、5G接入網(wǎng)和終端組成，采用標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議，具有較強(qiáng)的靈活性、開放性和擴(kuò)展性[5]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

應(yīng)用層：包括企業(yè)級(jí)對(duì)講平臺(tái)（POC）、視頻監(jiān)控平臺(tái)、GIS定位/地圖平臺(tái)以及MES管理平臺(tái)等，通過(guò)融合通信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)、多平臺(tái)的互聯(lián)互通。

核心網(wǎng)：包括企業(yè)級(jí)5G核心網(wǎng)，負(fù)責(zé)接入控制、移動(dòng)性管理、無(wú)線資源管理、用戶及安全管理以及數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)；企業(yè)級(jí)多媒體子系統(tǒng)IMS，負(fù)責(zé)提供VoNR語(yǔ)音業(yè)務(wù)；融合網(wǎng)管平臺(tái)，負(fù)責(zé)核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)網(wǎng)元的配置、告警和性能管理。

傳輸網(wǎng)：升級(jí)后的萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)，負(fù)責(zé)核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和同步信號(hào)交換。

接入網(wǎng)：采用三級(jí)組網(wǎng)架構(gòu)的擴(kuò)展性5G基站設(shè)備，即基帶單元（BBU）、擴(kuò)展單元（HUB）和微功率射頻單元（pRU）；通過(guò)復(fù)合電纜和光纖，單個(gè)基帶單元最多可以連接32個(gè)射頻單元，線性部署可以覆蓋距離可以達(dá)到6 km；按照礦安要求，這些網(wǎng)元設(shè)備都會(huì)部署在防爆殼中。

終端：主要包括5G工業(yè)路由器、專業(yè)防爆智能終端，根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求，也可以利用5G模組定制專用終端。

5G專網(wǎng)建設(shè)方案

5G專網(wǎng)是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求，核心網(wǎng)、IMS和融合網(wǎng)管部署在礦區(qū)中央機(jī)房中，5G基站則部署在礦下，二者通過(guò)萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示[6]。

在中央機(jī)房部署兩套核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)本地?zé)醾浞?，確保關(guān)鍵網(wǎng)元的可靠性。對(duì)于萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)的改造，礦山采用4臺(tái)10G交換機(jī)，兩兩熱備份、雙鏈路冗余，切換時(shí)間不超過(guò)50 ms，礦下采用5臺(tái)25G萬(wàn)兆設(shè)備；環(huán)網(wǎng)設(shè)備支持1588V2協(xié)議和以太網(wǎng)同步協(xié)議，時(shí)鐘服務(wù)器通過(guò)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦下5G基站的同步和授時(shí)功能。根據(jù)需要礦下部署2臺(tái)BBU，10套HUB和44個(gè)PRU，BBU通過(guò)光纖連接HUB，HUB通過(guò)復(fù)合電纜連接PRU，根據(jù)礦安標(biāo)準(zhǔn)要求，基站設(shè)備都裝在防爆殼中。

雙向鑒權(quán)機(jī)制保證終端接入的安全性，空口加密和IPSec功能保證數(shù)據(jù)端到端傳輸?shù)陌踩?，本地化的融合網(wǎng)管保證了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可控性，專網(wǎng)專用、重要網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)熱備保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

5G專網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

具備超大容量

系統(tǒng)支持海量用戶接入，其中單基站單小區(qū)最大支持1 200接入用戶，最大支持400激活用戶，可根據(jù)客戶需要擴(kuò)容進(jìn)一步增加用戶容量。5G核心網(wǎng)設(shè)備一次性投入可多個(gè)區(qū)域復(fù)用，以2臺(tái)服務(wù)器搭建私有集群網(wǎng)絡(luò)為例，最大可以支持10萬(wàn)用戶，20 G吞吐量[7]。

具備超大帶寬

系統(tǒng)典型端到端時(shí)延達(dá)到10 ms級(jí)別，結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)，可達(dá)到更低的時(shí)延效果，可以滿足高精度機(jī)械控制，自動(dòng)駕駛，XR/VR類業(yè)務(wù)等精密應(yīng)用。另外，基站2T2R DDDSU典型單小區(qū)吞吐率最大值DL為840 Mbps，UL為180 Mbps。支持DSUUU超級(jí)上行，超級(jí)上行小區(qū)吞吐量最大值DL為300 Mbps，UL為700 Mbps?？蓾M足多路高清視頻回傳，海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)却髷?shù)據(jù)應(yīng)用。最后，基于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G網(wǎng)絡(luò)支持高速移動(dòng)切換，保證數(shù)據(jù)在移動(dòng)中傳輸不中斷，可以滿足車載移動(dòng)監(jiān)控視頻應(yīng)用需求。

具備高安全性

整系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）、網(wǎng)關(guān)、輕量化核心網(wǎng)、應(yīng)用服務(wù)器均部署在本地專用區(qū)域由企業(yè)直接管理，企業(yè)礦井可發(fā)行用于私網(wǎng)訪問(wèn)的SIM卡。在此環(huán)境下，私網(wǎng)用戶接入5GC核心網(wǎng)，支持AKA鑒權(quán)流程，以及完整性保護(hù)、加密流程，用戶在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)與網(wǎng)絡(luò)側(cè)完成雙向認(rèn)證，保證用戶和網(wǎng)絡(luò)的合法性。用戶傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，系統(tǒng)支持通過(guò)完整性保護(hù)和加密流程，保證用戶信令在傳輸過(guò)程中的正確性和私密性。

具備高可靠性

核心網(wǎng)采用異地?zé)崛轂?zāi)備份，礦區(qū)部署5G核心網(wǎng)。通過(guò)構(gòu)建以DC為中心的網(wǎng)絡(luò)云化平臺(tái)，部署基于云化架構(gòu)的VNF。首先，引入跨DC部署，各個(gè)NF的冗余實(shí)例分散在不同的DC中；其次，各個(gè)NF的冗余實(shí)例分散在不同的資源池中。通過(guò)云化平臺(tái)和NFV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的異地?zé)崛轂?zāi)備份，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。而且，5G核心網(wǎng)的各網(wǎng)元也可以實(shí)現(xiàn)分布式部署，各網(wǎng)元也可以實(shí)現(xiàn)主從備份。網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能（Network Repository Function，NRF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（Unified Data Management，UDM）/鑒權(quán)服務(wù)功能（Authentication Server Function，AUSF）等網(wǎng)元采用1+1方式進(jìn)行異地?zé)崛轂?zāi)，策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、接入和移動(dòng)性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會(huì)話管理功能（Session Management Function，SMF）、用戶面功能（User Plane Function，UPF）等網(wǎng)元采用組POOL方式進(jìn)行異地?zé)崛轂?zāi)[8]。

驗(yàn)收結(jié)果

經(jīng)過(guò)3個(gè)月的試運(yùn)行，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，沒(méi)有出現(xiàn)重大的事故。其中，在各種場(chǎng)景下，環(huán)網(wǎng)單向延時(shí)小于20 ms，環(huán)網(wǎng)整體的可靠性達(dá)到99.99%；5G信號(hào)覆蓋好點(diǎn)比例達(dá)到96%，重點(diǎn)區(qū)域的RSRP不低于-90 dBm，上行吞吐率大于150 Mbps，端到端時(shí)延小于40 ms，視頻傳輸流暢無(wú)卡頓，滿足巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、電機(jī)車無(wú)人駕駛等業(yè)務(wù)要求。

創(chuàng)新應(yīng)用

5G專網(wǎng)的建設(shè)和萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)的升級(jí)，加快推進(jìn)了礦山企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了少人、無(wú)人生產(chǎn)，降本增效的同時(shí)，也降低了事故風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的損失。在5G智慧礦山系統(tǒng)下，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛、采掘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、4K視頻遠(yuǎn)程診斷等創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)5G技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用及“智慧礦山”建設(shè)具有引領(lǐng)作用和示范效應(yīng)。

無(wú)人駕駛應(yīng)用

礦下空間狹窄、環(huán)境復(fù)雜，人員長(zhǎng)期在運(yùn)輸?shù)V物的火車上工作容易產(chǎn)生事故。利用5G專網(wǎng)的大帶寬和低時(shí)延的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地下采礦機(jī)車的無(wú)人駕駛，減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，縮短換班時(shí)間，提升采礦生產(chǎn)效率，提升礦山安全水平[9]。

在無(wú)人電車上安裝5G工業(yè)路由器，向上接入5G專網(wǎng)，向下通過(guò)車載PLC網(wǎng)絡(luò)連接電車的控制系統(tǒng)，以及車上的攝像頭。電車的狀態(tài)信號(hào)和實(shí)時(shí)視頻通過(guò)5G專網(wǎng)回傳到礦上的控制平臺(tái)，控制平臺(tái)通過(guò)5G專網(wǎng)下發(fā)指令到電車，從而實(shí)現(xiàn)電車的遠(yuǎn)程控制和無(wú)人駕駛。

采礦機(jī)器人遠(yuǎn)程控制

相比人工采掘，礦山機(jī)器人的采掘效率大幅提升，工作時(shí)間也大幅延長(zhǎng)，而且可以大幅降低事故造成的人員損失。目前，無(wú)論是軌道機(jī)器人，還是輪式機(jī)器人，都有著較大的作業(yè)活動(dòng)范圍，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的連續(xù)性要求較高，同時(shí)安裝在機(jī)器人上的傳感設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量要求也是越來(lái)越高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延越來(lái)越敏感[10]。

4G和Wi-Fi已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前采掘機(jī)器人控制的要求，通過(guò)在機(jī)器人上安裝5G終端模組，通過(guò)5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果良好，如圖5所示。

5. 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)礦山向智能化發(fā)展成為當(dāng)前行業(yè)趨勢(shì)，5G獨(dú)立專網(wǎng)能夠?yàn)橹腔鄣V山提供安全、可靠、可控的高容量、低延時(shí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)海量終端的接入和海量數(shù)據(jù)的傳輸，是智能化決策的基礎(chǔ)。

基于智慧鐵礦改造升級(jí)項(xiàng)目，本文論述了5G獨(dú)立專網(wǎng)的必要性，給出了系統(tǒng)的實(shí)施方案，并且在5G專網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新應(yīng)用探索，為智慧鐵礦的建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

未來(lái)，5G網(wǎng)絡(luò)需要和其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度融合，統(tǒng)一的管理和運(yùn)維是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。5G專網(wǎng)的目的是增效，因此，當(dāng)海量數(shù)據(jù)采集上來(lái)之后，需要和AI技術(shù)加強(qiáng)融合，進(jìn)一步提升企業(yè)的智能化管理和運(yùn)營(yíng)。

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