王振華副礦長(zhǎng)：不連溝煤礦雙頻 5G 融合專網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用

隨著煤礦智能化的發(fā)展，礦用5G無(wú)線通信系統(tǒng)作為新型的信息基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)礦用各智能化系統(tǒng)的快速、可靠連接發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過(guò)不連溝煤礦雙頻5G融合專網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了融合通信、邊緣計(jì)算、無(wú)人駕駛和安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，顯著提升了不連溝煤礦的生產(chǎn)效率和安全水平，有力推動(dòng)了智能化建設(shè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學(xué)術(shù)園地”專欄

作者簡(jiǎn)介：王振華，高級(jí)工程師，現(xiàn)任內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)電副礦長(zhǎng)，主要從事機(jī)電運(yùn)輸方面的研究及管理工作。E-mail：181884457@qq.com

作者單位：內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司

引用格式：王振華，張瑞峰，段自強(qiáng)，等. 不連溝煤礦雙頻 5G 融合專網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(1)：77-81.

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煤礦行業(yè)是5G專網(wǎng)應(yīng)用重要的垂直行業(yè)之一。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)政策和規(guī)劃，推動(dòng)5G+智能采礦、5G應(yīng)用安全、5G規(guī)?；瘧?yīng)用、設(shè)備研制與升級(jí)。《5G規(guī)?；瘧?yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)升級(jí)方案》提出：到2027年全面實(shí)現(xiàn)5G規(guī)?；瘧?yīng)用，推動(dòng)5G遠(yuǎn)程掘進(jìn)、無(wú)人礦用卡車等場(chǎng)景應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)智礦山方案，加速5G安全設(shè)備研制及礦山裝備升級(jí)。

雙頻5G融合專網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)及功能組成

1.1 雙頻5G融合專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱不連溝煤礦）的5G專網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)防火墻與辦公網(wǎng)、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、4G系統(tǒng)等外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)；5G核心網(wǎng)通過(guò)5G萬(wàn)兆承載環(huán)網(wǎng)與井下的5G基站等實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，雙頻5G融合專網(wǎng)組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 雙頻5G融合專網(wǎng)組網(wǎng)拓?fù)?/p>

1.2 雙頻5G融合專網(wǎng)特點(diǎn)

礦用雙頻5G融合專網(wǎng)采用獨(dú)立方式部署，保證控制面數(shù)據(jù)和用戶面數(shù)據(jù)均不出礦區(qū)，致力于提高礦用5G系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性、安全性，滿足基于雙頻5G融合專網(wǎng)的智能化應(yīng)用需求。

（1）核心網(wǎng)針對(duì)企業(yè)級(jí)用戶定制開(kāi)發(fā)，采用通用X86硬件和軟件定制化方式，支持軟硬件解耦，支持控制面和用戶面分離，支持單機(jī)部署和云化部署，具有易部署、易操作、易維護(hù)等特點(diǎn)。對(duì)接礦上生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)，與智能礦山建設(shè)應(yīng)用無(wú)縫對(duì)接，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，數(shù)據(jù)安全可靠。

（2）滿足超低時(shí)延遠(yuǎn)程操控，MEC下沉礦井，井下控制中心應(yīng)用集成至MEC，數(shù)據(jù)在井下就地處理，保障采掘面超低時(shí)延控制類業(yè)務(wù)。

（3）滿足自主放號(hào)免流量費(fèi)用，終端使用特制白卡接入5G網(wǎng)絡(luò)，自主發(fā)卡，無(wú)流量費(fèi)用。

（4）利用CPE把井下不支持5G的生產(chǎn)設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)接入泛在互聯(lián)。

（5）基站采用異頻設(shè)計(jì)，充分利用2.6GHz大帶寬，避免同一覆蓋范圍內(nèi)同頻干擾。

（6）支持分層環(huán)型組網(wǎng)功能，滿足井下工作面等特殊環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸高可靠性、高實(shí)時(shí)性的需要。

（7）支持統(tǒng)一網(wǎng)管功能，支持設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障實(shí)時(shí)告警、業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)配置、用戶和角色管理、操作日志管理等功能。

1.3 雙頻5G融合專網(wǎng)的組成

（1）雙頻5G核心網(wǎng)及相關(guān)系統(tǒng)

在礦井地面機(jī)房安裝1套核心網(wǎng)、時(shí)鐘服務(wù)器、萬(wàn)兆工業(yè)以太網(wǎng)核心交換機(jī)（支持1588V2）及移動(dòng)終端管理平臺(tái)等軟硬件。

核心網(wǎng)的功能主要是提供井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)和控制、業(yè)務(wù)鑒權(quán)、數(shù)據(jù)交換等功能。核心網(wǎng)為輕量化核心網(wǎng)，針對(duì)企業(yè)級(jí)用戶定制開(kāi)發(fā)，同時(shí)預(yù)留煤礦綜合自動(dòng)化、智能輔助運(yùn)輸?shù)葮I(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，提高煤礦業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成能力和傳輸效率。采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持核心網(wǎng)和接入網(wǎng)解耦、控制面和用戶面分離、網(wǎng)絡(luò)性能動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，具有易部署、易操作、易維護(hù)等特點(diǎn)。

（2）雙頻5G承載網(wǎng)

采用支持高精度時(shí)鐘的地面萬(wàn)兆交換機(jī)、礦用隔爆型萬(wàn)兆交換機(jī)組成礦用雙頻5G萬(wàn)兆承載傳輸網(wǎng)。根據(jù)實(shí)際需求，敷設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)承載網(wǎng)專用光纜，獨(dú)立建設(shè)礦用5G承載網(wǎng)，地面5G核心網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)，通過(guò)礦用5G萬(wàn)兆承載網(wǎng)與井下礦用隔爆型數(shù)據(jù)傳輸分站（BBU）、礦用隔爆型控制器（MEC）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

（3）雙頻5G接入網(wǎng)

礦用隔爆兼本安型無(wú)線基站（RRU）通過(guò)光纜連接至礦用隔爆型數(shù)據(jù)傳輸分站（BBU），然后通過(guò)礦用隔爆型萬(wàn)兆交換機(jī)連接至地面雙頻5G核心網(wǎng)。

按照間隔280m部署1臺(tái)礦用隔爆兼本安型無(wú)線基站（RRU），根據(jù)井下巷道實(shí)際條件，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行部署測(cè)試，確保重點(diǎn)區(qū)域的覆蓋效果和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

（4）本安型無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器（CPE)

配備本安型無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器，對(duì)接井下不支持雙頻5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)。在井下部署攝像機(jī)等有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可通過(guò)礦用本安型無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器將以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為5G信號(hào)，接入礦用5G無(wú)線通信系統(tǒng)，并上傳地面調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)高清視頻圖像和數(shù)據(jù)的無(wú)線高速實(shí)時(shí)傳輸。

（5）工業(yè)安全網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)管系統(tǒng)

雙頻5G核心網(wǎng)配置安全隔離防火墻，用于礦用5G無(wú)線通信系統(tǒng)與礦辦公網(wǎng)、工控網(wǎng)和視頻網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行安全連接。地面部署1套礦用5G網(wǎng)管系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一遠(yuǎn)程管理和維護(hù)，運(yùn)輸大巷及工作面雙頻5G基站安裝場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸大巷及工作面雙頻5G基站安裝場(chǎng)景

雙頻5G融合專網(wǎng)的應(yīng)用需求

2.1 煤礦獨(dú)立組網(wǎng)的行業(yè)需求

根據(jù)礦山智能化建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的具體要求，定制化的礦用雙頻5G專網(wǎng)，采用SA獨(dú)立組網(wǎng)，接入網(wǎng)采用2級(jí)架構(gòu)，基站支持鏈形、星形、環(huán)形組網(wǎng)。礦山企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)自主管理，重要數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，滿足《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》的要求。

2.2 煤礦井下無(wú)線通信的特殊性需求

雙頻5G融合專網(wǎng)的BBU實(shí)現(xiàn)1個(gè)基帶板同時(shí)處理700MHz+2.6GHz的TDD制式5G信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同頻段、不同小區(qū)間移動(dòng)性管理；700MHz+2.6GHz雙頻融合無(wú)線基站，配套雙頻雙向天線同時(shí)發(fā)射2個(gè)頻段信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低頻和高頻互補(bǔ)，兼顧各場(chǎng)景大帶寬和遠(yuǎn)距離覆蓋需求。

2.3 煤礦高可靠組網(wǎng)的需求

輕量化核心網(wǎng)及井下防爆核心網(wǎng)雙核心網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，在地面網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，井下防爆核心網(wǎng)仍能保障網(wǎng)絡(luò)正常不中斷。

2.4 煤礦應(yīng)用場(chǎng)景低時(shí)延的需求

將防爆型MEC邊緣計(jì)算應(yīng)用于接入網(wǎng)側(cè)，下沉至采掘工作面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)就地分流處理，降低控制時(shí)延；將5GLAN技術(shù)應(yīng)用采掘控制，遠(yuǎn)程控制端到端時(shí)延<10ms。

2.5 礦用5G產(chǎn)品本安化的需求

研發(fā)了700MHz、2.6GHz、3.5GHz的3種5G本安基站、雙頻本安CPE等均采用本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，整機(jī)功耗<18W，天線發(fā)射總功率<6W，本安設(shè)備的體積、質(zhì)量較防爆設(shè)備大幅減少，信號(hào)覆蓋距離增加1倍，提高了礦井無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性、可靠性、易安裝維護(hù)性等。

2.6 礦用5G穩(wěn)定運(yùn)行的需求

后備電源支撐礦井通信系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)的3款大容量鋰離子電源采用3腔設(shè)計(jì)、智能BMS管理，具備控溫、除濕、聯(lián)鎖控制、云化數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程充放電維護(hù)等功能，在保證電池壽命的同時(shí)增強(qiáng)礦用電源的安全性。

雙頻5G融合專網(wǎng)的應(yīng)用效果

3.1 基于5G的融合通信

雙頻5G融合通信實(shí)現(xiàn)了5G專網(wǎng)內(nèi)VONR語(yǔ)音通話、5G專網(wǎng)與工業(yè)網(wǎng)專網(wǎng)互通、5G與4G語(yǔ)音互通、數(shù)據(jù)互通、5G語(yǔ)音VONR與調(diào)度電話互通、5G專網(wǎng)與辦公網(wǎng)互通、5G語(yǔ)音VONR與行政辦公電話互通，基于5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的融合通信如圖3所示。

圖3 基于5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的融合通信

將4G專網(wǎng)的SIM卡更換為5G專網(wǎng)的SIM卡，同時(shí)將4G專網(wǎng)PLMN改為與5G專網(wǎng)PLMN一致，4GEPC修改PLMN，SIM卡需要在EPC重新開(kāi)戶，同時(shí)SIM也需要在5GCVMS開(kāi)戶，4G基站修改PLMN，需要重新激活小區(qū)。

4G專網(wǎng)與5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一卡通后，5G終端優(yōu)先駐留到5G；在非5G覆蓋區(qū)域，駐留4G；非5G終端只駐留4G；在5G覆蓋區(qū)域，采用VONR直接撥號(hào)通話，在非5G覆蓋區(qū)域用原有4G通話，基于5G專網(wǎng)內(nèi)4G專網(wǎng)一卡通的連接方式如圖4所示。

圖4 基于5G專網(wǎng)內(nèi)4G專網(wǎng)一卡通的連接方式

3.2 基于雙頻5G的邊緣計(jì)算

雙頻5G的MEC平臺(tái)可管理第三方應(yīng)用、配置分流規(guī)則、虛擬化資源等功能的軟件應(yīng)用程序，為用戶提供數(shù)據(jù)展示、操作、后臺(tái)數(shù)據(jù)組合與展現(xiàn)，以及系統(tǒng)資源的應(yīng)用狀態(tài)、開(kāi)放能力信息。通過(guò)輕量化云平臺(tái)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全方位集成化，通過(guò)下沉至井下工作面控制中心的方式，在井下綜采工作面、掘進(jìn)工作面部署MEC平臺(tái)，保證工作面各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)超低時(shí)延的邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)需求，雙頻5G的MEC邊緣計(jì)算設(shè)備及軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙頻5G的MEC邊緣計(jì)算設(shè)備及軟件架構(gòu)

3.3 基于雙頻5G的無(wú)人駕駛車輛

無(wú)人駕駛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求低時(shí)延、大帶寬的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在長(zhǎng)距離煤巷條件下，通過(guò)礦井700MHz+2.6GHz的雙頻5G系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)礦用無(wú)人駕駛車輛的視頻數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的低時(shí)延傳輸，滿足無(wú)人駕駛車輛與其他系統(tǒng)的協(xié)同定位，以及無(wú)人駕駛車輛的編組運(yùn)行。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸巷道3D地圖數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，提升車輛的環(huán)境感知能力，雙頻5G專網(wǎng)支持的無(wú)人駕駛系統(tǒng)作業(yè)效率提升20%。雙頻5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延和高可靠性，無(wú)人駕駛車輛實(shí)現(xiàn)了精確定位、主動(dòng)避障和自動(dòng)錯(cuò)車等功能，顯著降低了井下運(yùn)輸事故的發(fā)生率，基于雙頻5G的無(wú)人駕駛車輛運(yùn)行場(chǎng)景如圖6所示。

圖6 基于雙頻5G的無(wú)人駕駛車輛運(yùn)行場(chǎng)景

3.4 雙頻5G的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

隨著5G、5G-A技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)，融合雙頻5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、激光傳感、礦用防爆等技術(shù)，研制出基于5G的礦用激光CH和O傳感器及智能傳感平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井下CH、O等氣體的精確感知、異常智能預(yù)測(cè)、快速應(yīng)急響應(yīng)。

基于雙頻5G專網(wǎng)可實(shí)時(shí)傳輸傳感器和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，異常信息在設(shè)備側(cè)就近處理，將預(yù)警響應(yīng)時(shí)間縮短至毫秒級(jí)，雙頻5G的傳感器及智能傳感平臺(tái)如圖7所示。

圖7 雙頻5G的傳感器及智能傳感平臺(tái)

結(jié)語(yǔ)

不連溝煤礦部署的雙頻5G融合專網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建了礦用雙頻5G融合專網(wǎng)的獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，解決了數(shù)據(jù)不出礦區(qū)的安全問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了井下通信的超低時(shí)延、高可靠性和數(shù)據(jù)安全性，基于雙頻5G融合專網(wǎng)的無(wú)人駕駛和安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，推動(dòng)了不連溝煤礦的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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