矿用F5G架构的智能化煤矿建设方案研究

　　摘要：为进一步加快F5G技术在煤矿中的认知和应用普及，促进我国煤矿智能化发展起到积极推动作用，基于F5G新技术，针对矿用F5G全光工业网架构具备PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优势特点，满足以物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联、机器人为技术基础的智能化煤矿建设对高安全需求;本论文论述了矿用F5G工业光网功能、F5G+5G融合组网设备及架构，分析了矿用井下F5G+5G一张网应用优势特点;重点探讨了矿用F5G智能化建设方案的无源光网络满足煤矿井下防爆要求、无源网络自生长满足煤矿井下定期移动需求、应用场景的业务安全等3个方面的优势;研究了矿用F5G架构的智能化煤矿建设的4种典型应用场景：视频监控+边缘分析、远程控制网低延时实时传输、监测监控传输网、矿用5G+融合通信系统承载网，为F5G架构的智能化煤矿建设方案提供技术思路及方法。文中论述的矿井F5G网络建设特点、网络架构、应用场景、优势及生态等，为推动建设矿用F5G+智能化煤矿方案在煤矿井下的应用，有力促进煤炭工业的高质量发展;同时，煤矿F5G的深入推广应用，也需要全行业包括煤矿生产企业，集成商，网络设备供应商等的协力合作，构建创新、协同、开放、合作的煤矿F5G应用生态。

　　关键词：F5G+5G融合组网架构;无源光网络ONU;智能化煤矿;网络传输层;典型应用场景;应用生态

　　引言

　　智能化是煤矿技术发展的最高形式，也是第四次煤炭技术革命[1];智能化煤矿建设，开启煤矿行业全面创新和技术变革。智能化煤矿建设是基于现代智慧理念，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联、机器人技术及装备应用到现代化煤矿开采;深度融合煤矿“人-机-环-管”多源异构信息，建立一个库、一张网、一个平台和一张图设计理念[2]，智能化煤矿建设平台总体架构从顶层规划实现统一数据、统一模型、统一平台、统一方案，完成矿山企业全要素数据的精准实时采集、统一规范集成、多维可视化展现和智能决策分析，实现矿山安全生产的透明化、自动化、智能化管理[3-4]，达到真正实现智能化减人的目标，践行倡导的煤炭资源开采的“安全、高效、智能、绿色”理念。

　　2019年6月，首次由中国提出F5G(第五代固定网络，The5thgenerationFixednetworks)，ETSI欧洲电信标准协会接纳，业界广泛参与。F5G与5G是协同关系，有线网络和无线网络互相补全，提升网络应用和感知。ETSI定义F5G与5G一起共同开启万物互联时代。F5G全光工业网契合煤炭行业对高安全的需求，采用全预连无源光器件，具有大幅减少隔爆箱使用，避免井下熔接高温隐患，提高运维工作效率等特点。F5G智能化煤矿应用，促进F5G技术与煤矿智能化的深度融合，共建可持续发展的智能矿山产业生态;F5G架构的智能化煤矿建设，可实现设备和安全数据的实时可靠传输;为矿山生产安全保驾护航，提高事故预警和防控能力。

　　本文着重探讨了适合煤矿井下应用的F5G智能化煤矿的建设方案、优势特点、典型应用场景等，以期为F5G架构的智能化煤矿建设提供技术思路及方法。

　　1矿用F5G工业光网功能

　　矿用F5G工业光网架构是基于PON技术的新型工业局域网组网方案，继承了PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点，同时组网上考虑工业网络高可靠要求，支持TypeC双归属保护，实现ONU手拉手保护，保证网络每个环节都做到冗余保护。终端侧部署的ONU按照工业级产品设计，满足工业上耐高温、抗振动等苛刻环境要求。

　　为了满足工业终端多种网络接口的需求，ONU侧同时支持GE电口以及RS485/RS232串口;接入设备侧采用ODN预链接方案，免熔接多级分光扩展，esight作为网管运维管理工具，可智能、简便的进行业务发放及日常运维管理。F5G可承载煤矿井下智能开采、掘进、运输、安全监控等系统的各类以太信号回传，主接头盒往接入设备侧采用ODN预链接方案，免熔接多级分光扩展。F5G工业光网具有以下特性满足煤矿井下多系统融合、多元异构数据的通信传输要求[5-7]。

　　(1)VLAN业务隔离规划F5G工业光网采用二层数据承载技术，使用VLAN技术来对不同业务划分不同的VLAN，满足不同业务网络相互隔离。井下多个生产、智能化子系统使用不同的VLAN进行业务隔离，多个系统互不影响。

　　(2)QoS功能F5G服务质量QoS可实时评估井下各类数据服务需求，高可靠面向业务提供端到端的服务质量保证。全光POL网管平台统一对OLT、ONU设备集中管理，实现业务高带宽、低时延、防抖动等指标的灵活部署、资源统一管理、集中故障监测。

　　(3)高可靠安全保障F5G全光网ONU支持802.1X认证，支持对接入终端的认证，防止非法终端接入;XGS-PON网络支持上下行双向AES加密传输;工业光网支持防DDOS攻击、防DHCPsnooping等网络安全措施。

　　(4)运维管理功能F5G工业光网网络系统满足井下环境的监控和运维管理，采用融合运维管理平台esight，支持服务器虚拟化，交换机、路由器、WLAN、防火墙、PON、eLTE、统一通信、智真、视频监控等设备以及应用系统和机房设施的统一管理。

　　2矿井F5G工业光网络架构

　　2.1矿用F5G网络设备构成

　　矿用F5G在煤矿应用主要包含3个产品，分别为：光环网头端设备(OpticalRingHead，ORH)、光环网终端设备(OpticalRingEnd，ORE)及无源光环网设备(OpticalRingPassive，ORP)[8]。

　　(1)ORHORH是工业光环网头端设备。ORH设备的主要功能为汇聚井下各种业务数据流，并上传到是数据中心，同时把数据中心控制数据下发到井下各设备;管理井下ORE设备。ORH设备网络侧通过千兆、万兆等以太网接口与核心交换机通信，用户侧提供工业光接口接入井下网络。

　　(2)OREORE设备是工业光环网终端设备，安装在井下，必须支持防爆;也可以使用本安型ORE使井下网络更加简化。ORE网络侧通过ORP分光器与ORH的工业光接口连接，用户侧通过以太网口、工业串口(RS485)连接井下各终端设备，ORE把井下各终端的数据，通过ORP上传到ORH设备，同时把ORH设备下来的数据传送给各终端设备。ORE可以通过ORP来实现远程业务发放、远程配置、远程升级，尽量减少井下操作。上行接口最少为万兆，以满足煤矿智能化建设需求。用户侧接口一般为以太网光口或电口，同时根据业务需求提供串口等工业接口。

　　(3)ORPORP设备用于连接ORH和ORE，实现1个ORH工业光接口连接到多个ORE设备。ORP包含光纤光缆和分光器，支持矿井巷道和作业面链型的应用场景。ORP支持级联，满足矿井网络的灵活扩展。ORP所有部件均为无源设备，无需供电，ORP按照煤矿的安全规范满足阻燃、防静电设计，满足本安认证，满足井下粉尘和潮湿环境。

　　2.2矿用F5G+5G融合组网架构

　　矿用F5G+5G的网络架构，采用环形结构提升网络可靠性;ORH一般在井上，ORE在井下，通过ORP(光缆和分光器)连接。

　　ORE对外出标准的以太网光口和电口，井下设备可直接接到ORE上。F5G作为煤矿井下主干网络，将井下安全监控网、视频监控网、人员定位、5G网络统一接入。(按照安规要求，安全监控网需要和其它网络接入到不同光纤芯上，实现分芯传输)。F5G作为5G承载网，F5G本身可实现us级低时延，并为5G承载专门提供高精度时钟同步、业务隔离功能，5G的BBU可直接接入到ORE(5G承载ORE一般为10GE光口)，实现井下F5G+5G一张网传输。具有以下优势：

　　(1)整个井下网络结构极大简化，井下多网统一部署。解决井下原来多张环网、网络重复建设、难以运维的问题。F5G网络井下有源设备只有ORE，井下设备更加安全、简单。

　　(2)。F5G+5G井下一张网改变原来井下分散网络，让多条“小路”融合成一条网络“高速公路”，使网络最终实现统一、融合、智能，为煤矿智能化提供高可靠性保障。

　　2.3矿用F5G智能化方案优势

　　F5G全光工业网契合煤炭行业对高安全的需求，采用无源光器件具有大幅减少隔爆箱使用、避免井下熔接高温隐患、提高运维工作效率等特点，F5G智能化煤矿应用方案可以为智慧矿山建设提供有力的技术支撑。

　　(1)无源光网络满足煤矿井下防爆要求矿用F5G全光工业网采用两层网络架构和无源光环网，无需防爆认证，可减少40%的防爆箱使用，降低井下电火花风险，提升矿井下的电气安全性;F5G全光架构设计，逐级汇聚到集中管理，减少汇聚层，带电设备大幅简化，使井下设备更加简单便捷。

　　(2)无源网络自生长满足煤矿井下定期移动需求基于工作面定期移动的需求，井下设备需要高可靠、易扩展、易拆装，易维护等特点，F5G无源全光网络可以实现末端自生长、光电分离、模块化，预连接、免熔纤、新增节点不影响已有设备的正常运行，米级故障定位，拓扑可视，充分适合煤矿作业面变化。

　　(3)业务安全无源光网络ONU支持802.1X认证，支持对接入终端的认证，防止非法终端接入;XGS-PON网络支持上下行双向AES加密传输;工业光网支持防DDOS攻击、防DHCPsnooping等网络安全措施;高可靠环网设备级、链路级的“1+1”冗余保护，并且支持30ms保护倒换，可应对井下多重设备和链路失效，保障业务“0”中断。

　　3.矿用F5G典型应用场景

　　F5G工业光网可以接入井下感知控制层的各种设备，包括智能采掘、智能运输、智能供电、智能通风、机器人等接入设备[12]，也可以接入环境感知、位置感知、视频感知、调度感知、通信感知、灾害感知等感知设备，成为煤矿井下基础设施层的主干网络[13-15]。以下分析4种矿用F5G典型应用场景[16-20]。

　　(1)视频监控+边缘分析F5G工业光网接入在井下重要场所、工作面等区域视频监控;能够满足实时传输、灵活部署、超大带宽、运维方便的需求，实现皮带异物、人员违章、钻场等重要场景视频智能识别。

　　(2)远程控制网F5G工业光网是井下的远程控制网，因其实时性好，远程控制低延时，可靠性、抗干扰、业务0中断等特点;可以接入工作面、变电所、皮带、水泵、压风机、机器人等系统，实现运行环境及工况远程监测，采煤机、掘进机、水泵、压风机、开关等设备远程控制。

　　(3)监测监控传输网F5G工业光网承载全矿井监测监控传输网，承载安全监控系统、精确定位系统(人员、车辆、井下智能交通)的大量数据接入，满足监测监控多系统的异构网络架构、传输节点多、实时性和稳定性高[16]。

　　(4)矿用5G+融合通信系统承载网F5G工业光网可承载井下5G通信、4G通信、WiFi6、广播通信等融合通信统一承载及传输，接入顶板、地压、水文、粉尘等矿井灾害监测;也可以接入机电设备故障诊断、光纤测温等感知监测，满足智能化煤矿建设要求。

　　4结论

　　1)本论文论述了矿用F5G工业光网功能、F5G+5G融合组网设备及架构、矿用井下F5G+5G一张网应用优势特点;分析了矿用F5G智能化建设方案的3个优势：无源光网络满足煤矿井下防爆要求、无源网络自生长满足煤矿井下定期移动需求、无源光网络ONU支持802.1X认证业务安全需求。

　　2)针对智能化煤矿建设的业务需求，重点探讨了矿用F5G架构的智能化煤矿建设的4种典型应用场景：视频监控+边缘分析、远程控制网低延时实时传输、监测监控传输网、矿用5G+融合通信系统承载网，为F5G架构的智能化煤矿建设提供技术思路及方法。

　　3)矿用F5G全光工业网架构具备PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点，契合煤炭行业对高安全的需求;但是矿用F5G架构的智能化煤矿建设方案尚处于探索阶段，目前没有成熟案例可供研究参考，建设方案的可行性及实用性尚需进一步验证分析。

　　4)笔者认为煤矿F5G的深入推广应用，需要煤矿生产企业，集成商，网络设备供应商等协力合作，构建创新、协同、开放、合作的煤矿F5G应用生态;同时也包括F5G防爆认证、研发适合矿用的F5G通讯产品、整合优化F5G煤矿井下的解决方案，提升矿用F5G系统可用性技术层面的应用生态环境等。

　　参考文献：

　　[1]王国法,赵国瑞,胡亚辉.5G技术在煤矿智能化中的应用展望[J].煤炭学报,2020,45(1):16-23.WANGGuofa,ZHAOGuorui,HUYahui,etal.Applicationprospectof5Gtechnologyincoalmineintelligence[J].JournalofChinaCoalSociety,2020,45(1):16-23.

　　[2]付国军.赵阳升.牛乃平.煤矿智能化建设顶层设计方案研究[J].中国煤炭,2020,46(12),6-14.FuGuojun.ZhaoYangsheng.NiuNaiping.Researchontopleveldesignschemeofintelligentcoalmineconstruction[J].Chinacoal,2020,46(12),6-14.

　　[3]毛善君,杨乃时,高彦清,等.煤矿分布式协同“一张图”系统的设计和关键技术[J].煤炭学报,2018,43(1):280-286.MaoShanjun,YangNaishi,GaoYanqing,etal.Designandkeytechnologyofcoalminedistributedcollaborative"onemap"system[J].ActacoalaeSinica,2018,43(1):280-286.

　　[4]杨永明.未来5G与能源的深度融合研究[J].新能源经贸观察,2018(7):86-93.YANGYongming.Studyonthedeepintegrationof5Gandenergyinthefuture[J].EnergyandOutlook,2018,(7):86-93

　　[5]王国法,杜毅博.煤矿智能化标准体系框架与建设思路[J].煤炭科学技术2020,48(1):1-9.

　　作者：温良1,2,3，吴文臻1,2,3，李起伟1,2,3