基于多频融合5G专网的智慧矿山安全管理研究

李 强，钟仕军，赖亚寒*，宋仕斌,2

（1. 四川公众项目咨询管理有限公司，成都 610058；2. 四川大学锦江学院，眉山 620860）

0 引言

矿山生产条件艰苦、工作环境恶劣、地质变化复杂，面临地质灾害、坍塌、冒顶片帮、水灾、爆炸、高处坠落、物体打击、中毒和窒息、机械伤害、车辆伤害、火灾、粉尘、噪声和振动伤害等多种危险有害因素和安全事故风险。煤矿安全生产的关注重点是井下工人作业场所具有高度危险性以及不确定变化。传统工人工作方式需要靠人眼判断状态，重复启停操作井下大量生产设备，面对井下作业场所多、设备多、操作枯燥重复繁重的特质，作业人员极易思想懈怠、操作失误［1］。传统矿山自动化信息系统仍然存在设备移动性受限、光电缆易损毁、视野盲区、信息孤岛、缺乏智能感知能力等不足，难以对矿山作业场所环境危险因素、人的违规行为、设备的异常状态做出及时、精准的判断，容易导致生产安全事故发生。本文以煤矿安全生产为例，提出基于5G 专网的智慧矿山解决方案，是矿山数字化、智能化、自动化转型升级的发展趋势。

1 智慧矿山5G通信网络需求分析

5G 移动通信具有大宽带、高可靠、低时延、移动性和海量接入等优点。随着5G+工业互联网的持续深入推进和行业广泛应用，5G 网络与矿山作业流程、安全深度融合，赋能5G+智能采掘、5G+4K 高清视频、5G+无人驾驶、5G+无人安全机巡检等智慧矿山典型应用场景［2］。智慧矿山对5G 无线通信网络需求见表1。安全管理工作人员在煤矿调度集控中心通过综合自动化系统、安全生产智慧云平台能够实时检查、监控、调度煤矿作业现场安全生产，实现煤矿高危作业场景少人化、无人化、自动化、标准化运行，在助力矿山企业降本、提质、增效经营管理目标的同时实现作业现场“本质安全”，提升煤矿安全管理能力。

表1 智慧矿山典型应用场景网络应用需求

智慧矿山依托5G 无线网络技术，“5G+无人驾驶”技术利用5G、物联网、大数据和云平台算力实现煤矿运输卡车的无人驾驶，实现井下“以物换人”。采用“5G+无人机巡检”方式实现对煤矿井上和洗煤厂进行远程无人机安全巡检，降低人工巡检频次，提升安全巡检效率。“5G+高清摄像头”，将矿山地面及井下作业现场危险区域的4K 超高清视频海量数据通过5G 无线基站高速回传，在矿区中心机房LED 大屏同步展现，实现矿山高危作业场景安全管理透明化、可视化。“5G+井下信息矿灯”实现可视通话、移动广播、群组对讲和一键调度等功能。激光瓦斯报警仪、智能手环等智能传感器采集感知数据。通过5G 无线网络实现移动环境监测、生命体征数据的实时传输，实现人、物与环境的智能互联及动态感知，为远程掘进、智能综采提供数据采集功能。

2 智慧矿山5G专网方案设计

本文为解决传统矿山安全生产的痛点、难点问题，结合智慧矿山典型应用场景需求和中兴通讯［3］面向能源行业推出的专用轻量级核心网产品提出基于“700M+2.6G/3.5G”多频融合的5G专网智慧矿山解决方案，如图1所示。

图1 多频融合的5G专网智慧矿山解决方案

700MHz 低频段覆盖远、时延低、穿透力强、抖动小，可完成井上井下基础语音、数据和物联的低成本组网。700MHz 频段覆盖效果优异，实测巷道覆盖半径可达到800～900 米。因此，覆盖同样长度的巷道，采用700M 频段建网需要部署的基站数大约为2.6GHz/3.5GHz 频所须的1/4～1/3 左右，大大降低了矿山井下5G 无线网络的建设投资。2.6G/3.5GHz 大带宽的优势可提升系统容量，同时结合1D3U 灵活帧结构，大幅增强上行的边缘速率。700M“黄金频段”和2.6G/3.5G 在频率和制式的差异可以在智慧矿山通信建设中实现优势互补。服务煤矿的所有5G网元采取专享模式与电信运营商5G核心网互联互通。“700MHz+2.6G/3.5G”多频融合5G 专网创新方案，较传统单频组网覆盖距离提高了4～6 倍、时延降低35%［4］。为矿山地面及井下安全生产提供信息化综合管理平台。

2.1 智慧矿山5G专网软硬件配置

“700 MHz+2.6G/3.5G”多频融合5G专网软硬件一体化设计，最简配置仅需一台服务器。i5GC 可以量体裁衣，灵活组合NF，满足智慧矿山不同高危作业场景下的无线网络通信功能需求。支持矿区内各种终端的泛在接入，满足高速、中速、低速等多种网络连接需求。核心网的AMF+SMF+UDM+PCF+UPF+IMS 网络功能单元下沉矿区机房，提供融合数据语音接入；核心网AMF+SMF+UDM+UPF 下沉矿区机房，提供数据接入；核心网的AMF+SMF+UPF 网络功能单元下沉矿区机房，复用大区UDM，其它网元下沉部署，电信运营商统一开卡放号；核心网仅下沉部署极简UPF，为智慧矿山提供高性价比的分布式数据传输服务。

2.2 独立专网

5G 独立专网（SA）通过5G 网络切片功能为智慧矿山用户提供无线接入、承载网及核心网的全程端到端、物理隔离、自主运维的5G 网络系统。等同于矿山业主单位自主建设专用5G 网络，专网专用，重要控制数据不出矿区，保障矿山数据高度安全，为智慧矿山提供确定性的端到端网络服务保障［5］。

2.3 用户面功能（UPF）下沉

智慧矿山用户面功能（UPF）下沉方案可以最大程度共享5G 专网无线网络资源，包括无线网RRU（AAU）、SPN 承载网、i5GC 核心网。通过共享电信运营商的公网5G 宏站网络建设，将UPF 网元下沉矿区，实现公网专用，满足智慧矿山高带宽、低时延、移动性和广连接的通信需求，同时通过电信运营商统一提供专业运维服务，提升矿山企业的生产效率。

2.4 应急备份核心网

智慧矿山i5GC 核心网CPF 信令功能利用电信运营商公网实现，叠加i5GC 轻量化的应急控制面网元，当在智慧矿区和电信运营商公网之间的传输链路异常或者发生故障时，由应急备份核心网接管矿区业务，提供极致容灾备份和双网传输可靠性，实现“网断业不断”。当传输链路恢复时，可自动切换回电信运营商公网运行。矿山地质灾害等危险环境监测、生产作业装备大都是在移动中持续推进，传输光纤容易出现中断故障导致断网。本方案进行设备和链路级的冗余保护设计外，提出了L1 和L2 级网络容灾解决方案，确保危险作业环“断纤不断网”。这种高可靠组网方案不仅可以复用5G 成熟商用电信运营商公网，让矿山生产企业快速建网，同时提供极致可靠保障，满足矿山不间断的业务作业和安全生产管理需求。

2.5 智慧矿山5G专网语音方案

在智慧矿山5G 专网建设中，本方案建议采用中兴i5GC 叠加部署轻量化iIMS 语音系统，提供智慧矿山5G 专网语音解决方案。支持与现网中矿山语音调度系统实现对接，满足矿山地面、井下的应急广播、指挥调度、对讲通话等语音和视频通话需求，为智慧矿山井下工人及安全管理人员提供成本低、功能全、体验佳的语音通信能力。

2.6 井下5G无线覆盖方案

矿井下5G 无线网络信息覆盖使用皮基站设备，经防爆设计改造后，具备隔爆功能，功率低、安装灵活。皮基站采用BBU-PB-pRRU 三级的星型组网架构，矿井下巷道里每个点位设计一个5G 皮基站并外接两面定向天线覆盖两个方向。皮基站挂墙安装在隧道侧壁或者顶部，本地取电，最大拉远可到10 公里。井下5G 网络规划分为三种场景：①在井下较直、坡度较小的巷道，5G 皮基站天线向左右方向覆盖，覆盖半径按300 米设计；②在巷道弯度较大的转弯处布置5G 皮基站；③在巷道弯道较多的地方布设5G 皮基站，天线向左右方向覆盖，覆盖半径建议按100～150 米设计。网络设计还需考虑矿井巷道起伏坡度，为实现信号全覆盖，对各个重要区域进行基站安装位置设计，具体位置及数量根据实际工勘进行调整。

2.7 5G防爆“本安基站”

本方案建议采用中兴通讯等厂家推出的隔爆型防爆5G“本安基站”，通信设备厂商对低功率皮基站的结构、散热、前传、授时、耐压隔离等方面进行优化和节能改造，“本安基站”在电磁兼容性、5G 设备散热及ERIP 功率限制等方面具有优异特性，体积小、重量轻、功耗低、安全性高，特别适用煤矿井下部署。

3 5G+智慧矿山安全管理应用案例及功能验证

陕西隆德煤矿联合华电煤业［6］、中国移动和中兴通讯推动“5G+智慧矿山”建设，成为国家首批智能化示范煤矿，如图2所示。本应用案例基于“井下部署一站、井下部署一柜、综合管理一平台”的创新理念架构设计，矿区中心机房部署i5GCEPC、iIMS和统一网管系统，形成“井上、井下一张网”。通过“700M+2.6G/3.5G”多频融合的5G 专网构建具有大带宽、低时延、高可靠和安全隔离的新型智慧矿山。采用5G 本安基站的无线网络承载矿区地面、井下传感器数据采集、信息传输业务，对井下高危作业场景视频监控数据大带宽上行回传。实现“降本增效”产业升级和作业现场“本质安全”，提升矿区安全生产能力。

物联感知、人工智能、自动控制与5G 无线通信技术的深度融合，掘进机、采煤机、锚杆台车、矿卡无人驾驶、机器人安全巡检实现精准控制和全天候监控，贯穿煤矿企业全流程、智能化安全管理。在建设智慧矿山的过程中，5G 专网为矿山提供可靠高效的基础网络，支撑视频监控、远程控制、信息采集、人员通讯等业务在矿山的应用。

3.1 智能采煤

综采工作面大型设备多，作业空间狭小、视觉环境差，潜在安全事故风险高，给综采面的日常运维带来巨大困难。在井下综采面部署5G 无线专网，通过把高清摄像视频流回传集控中心，实现对综采面环境的实时立体感知。在综采面的大型机械由厂家完成对控制系统改造再接入5G 专网系统，实现设备的状态数据采集和远程自动控制。在综采面大量、密集部署高清摄像头，利用5G 专网大宽带上行回传能力实现对作业环境全面感知与安全监控。

3.2 智能掘进

井下煤矿掘进工作面地质条件复杂并处于动态变化之中，掘进操作过程中可能存在片帮、冒顶、瓦斯突出、粉尘爆炸等事故风险。掘进工作面通过部署5G 专网，破碎机、锚杆机、皮带机作业现场4K 高清监控视频回传，实现对掘进设备的远程智能操控、指挥调度，实现了对综掘工作面智能化升级改造，逐步实现“机械化换人、自动化少人、智能化无人”智慧矿山安全管理目标［7］。

3.3 巷道智能巡检

煤矿巷道和硐室都有定期巡检的要求。特别是巷道内的皮带运输系统，有的长度超过20公里，巡检难度大，效率低；如异物容易导致皮带损伤，皮带跑偏导致火灾。通过井巷道和硐室的5G 覆盖，采用5G 安全巡检机器人对危险作业环境进行定期安全巡检，将环境安全监测信息及高清视频数据通过5G 专网实时回传至智慧矿山综合监管平台，通过大数据分析、研判，及时对井下安全隐患发出告警。

3.4 案例成效

陕西隆德煤矿“5G+智慧矿山”方案的推广应用，单就采煤机一类设备就实现连续生产，开机率提升约20%，实现绿色、高效、智能及安全生产。陕西隆德煤矿产品为低硫、低灰、高发热量的优质化工及动力用煤，目前煤炭生产规模约为800 万吨/年，“5G+智慧矿山”建设大幅提升矿井生产能力，已达到同地区同产能矿井先进水平，经济效益良好。

4 结语

本文通过对矿山危险作业场景安全风险进行分析，根据矿山智能化升级改造对5G 无线通信网络需求展开研究和梳理，结合中兴通讯5G通信技术及“本安基站”设备，提出基于“700M+2.6G/3.5G”多频融合的5G 专网智慧矿山解决方案，详细阐述5G 专网、井下语音通信及信号覆盖系统部署。陕西隆德煤矿“5G+智慧矿山”解决方案的成功应用，实现了煤矿高产高效、安全生产、可持续高质量发展目标。我国“5G+智慧矿山”应用仍处于从标杆示范向模型化商用过渡阶段［8］。未来，通信设备供应商将持续开展技术创新，从自动化、智能感知、大数据应用、生态合作、安全高效等方向拓展赋能［9］。不断迭代升级“5G+智慧矿山”解决方案，助力矿山等能源行业转型升级与创新发展。