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北路智控積極參與《5G+煤礦智能化白皮書》 標準制定

2020.10.30


          北路智控積極參與參與《5G+煤礦智能化白皮書》 標準制定。以下為《5G+煤礦智能化白皮書》轉自其他網站。


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5G+煤礦智能化白皮書

2020年10月

指導單位:

中國煤炭工業協會

中國煤炭學會

煤礦智能化創新聯盟

起草成員單位:

陽泉煤業(集團)有限責任公司

中國移動通信集團公司

國家能源投資集團有限責任公司

中國聯合網絡通信集團有限公司

中國中煤能原集團有限公司

中國電信集團公司

中國煤炭科工集團有限公司

華為技術有限公司

陜西煤業化工集團有限責任公司

煤炭科學研究總院

山東能源集團有限公司

安標國家礦用產品安全標志中心有限公司

中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司

煤炭科學技術研究院有限公司

大同煤礦集團有限責任公司

國家能源集團神華信息技術有限公司

陜西延長石油(集團)有限責任公司

北斗天地股份有限公司

中國礦業大學

泰安宇祺通訊技術有限公司

中國礦業大學(北京)

天津華寧電子有限公司

中國煤礦機械裝備有限責任公司

上海山源電子科技股份有限公司

鄭州煤礦機械股份有限公司

北京中電拓方科技股份有限公司

天地(常州)自動化股份有限公司

北京永安信通科技公司

中煤科工集團重慶研究院有限公司

南京北路智控科技股份有限公司

北京天地瑪珂電液控制系統有限公司

山西科達自控股份有限公司

上海創力集團股份有限公司

華洋通信科技股份有限公司

常州科研試制中心有限公司

暢加風行蘇州智能科技有限公司

目錄

00.引言

01.礦井5G網絡建設原則

02.礦井5G應用場景

2.1視頻傳輸

2.2物聯網

2.3設備數據傳輸

2.4移動巡檢

2.5遠程控制

03.礦井5G網絡構架

3.1礦井5G專網典型構架

3.2礦并5G網絡基本要求

04.礦井5G網絡系統描述

4.1總體架構

4.2運維平臺

4.3核心網網絡

4.4傳輸網絡

4.5無線接入網絡

05.煤礦5G應用生態建設

06.附錄

6.1規范性引用文件

6.2術語、定義和縮略語

引言


2020年2月,國家發展改革委、國家能源局、應急管理部、國家煤礦安全監察局、工業和信息化部、 財政部、科技部、教育部等八部門聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》,明確了我國煤炭工業智能化發展的方向,吹響了我國煤礦智能化建設的號角。2020年9月,應急管理部、國家能源局、國家煤礦安全監察局在山東鄒城組織召開全國煤礦智能化建設現場推進會,加速推動新一代信息技術與煤炭開發利用融合。

“5G+”是以5G通信為基礎,融合大數據、人工智能、區塊鏈、邊緣計算、云計算、工業互 聯網等新一代信息技術的統稱。5G通信技術具備大帶寬、低時延、廣連接的特性,是第一個從標準設計之初,就考慮到行業應用需求的蜂窩網絡技術。目前,中國已經部署了全球最大的5G網絡,網絡能力基本完善,產業配套基本成熟,網絡成本持續下降,技術紅利亟待釋放。5G技術賦能煤礦智能化,為解決好煤礦井上下的通訊問題提供了全新方案,為我國智能煤礦的建設注入了新動力和新活力。

我國現已研發出礦用5G系統,并在煤礦井下獲得初步應用,展現出良好的“頭雁效應“和廣 闊的應用前景。5G+”新一代信息技術在煤礦的融合應用,必將改變煤礦傳統的生產組織與用工形式,同時打破安全、環境等對煤炭開發利用的制約。未來我國智能礦山將具備資源與開采環境數字化、技術裝備智能化、生產過程可視化、信息傳輸網絡化、生產管理與決策自主化的能力。

煤礦智能化是新一代信息技術和煤炭開發利用的深度融合,是開采工藝、智能裝備、應用軟件、 網絡技術、先進標準等多種要素的集成,更是一種網絡化、平臺化協同的合作生態。5G技術在煤礦的應用將助力構建煤礦智能化開放合作生態,有力促進我國煤炭工業高質量發展。此白皮書基于當前5G技術在煤礦的應用和實踐經驗,闡述了礦井5G網絡建設原則、礦井5G應用場景、礦并5G網絡構架、礦井5G網絡系統要求等,倡議建設煤礦5G應用生態,旨在進一步推動5G技術在煤礦中的應用,加快我國煤礦智能化的建設進程。

01.礦井5G網絡建設原則

目前,煤礦井下應用的通信網絡主要包括工業以太環網、4G無線網絡、Wi-Fi無線網絡、有 線調度通訊系統、應急廣播、定位系統等。礦井5G網絡是新一代礦用無線通信網絡,具備高可靠、大帶寬、低時延、易部署、易維護的特點。

礦井5G網絡建設應遵循如下原則:

安全原則

煤礦井下應用的5G通信系統應滿足安標國家礦用產品安全標志中心發布的《煤礦5G通信系 統安全技術要求(試行)》和《煤礦5G通信系統安全標志管理方案(試行)》規定,取得礦用安全標志。同時,網絡建設應滿足礦用網絡安全與信息安全的相關規定。

可靠性原則

礦井5G網絡應在礦井各類復雜環境下長時間穩定運行,滿足井下工作面、皮帶巷、機電酮室 等特殊環境對網絡傳輸高可靠性、高實時性、高上行帶寬的需要,并能夠支持上下行帶寬時隙調整。

融合原則

礦井5G網絡建設應與在用的礦井通信網絡實現高度融合。無論是依托運營商集成還是礦井企 業自建,需遵循國家通訊規范及既有頻譜進行合理規劃及部署實施。地面5G通信采用公網號碼資源,井下5G通信應與原有資源相結合。礦井5G通信經過網絡安全隔離后,可與公網連接,在保障數據安全的條件下實現全方位的互聯互通。

因礦施策原則

各煤礦應結合礦井具體情況,基于自身需要部署5G網絡建設,如:

——以應用價值為優先考慮,如采煤工作面、掘進工作面可優先應用;

——井下部署有線通信網絡困難的,可優先考慮5G網絡;

——多連接視頻類業務,可優先考慮5G網絡;

——工控設備低時延互聯業務,可優先考慮5G網絡。

02.礦井5G應用場景

2.1視頻傳輸

以300m采煤工作面為例,如需20路視頻并發傳輸,每路為典型1080p,網絡帶寬需求約為 120Mbps;以400m皮帶監控區域為例,如需15路視頻并發傳輸,每路為典型1080p,網絡需

2.2物聯網

煤礦井下需要物聯傳輸數據的場所主要包括:頂板離層監測、沖擊地壓監測、地應力監測,通 風監測系統的最大開路電壓、最大輸出電流、功耗、狀態數據信息,非“四遙”讀表(管道風量、風壓、水量、水壓等),立井、斜井井筒安全監測中的井壁和圍巖應力、應變、溫度、裂隙、滲流及其變化趨勢,以及其它應用場景。

2.3設備數據傳輸

煤礦井下設備數據傳輸的應用場景主要包括:1)激光掃描成像,用于綜采工作面、掘進巷道、 噴漿巷道等有三維掃描成像需求的場景,對點云數據實時傳輸; 2)慣性導航:對各種機載慣導裝置 的數據交時傳輸; 3)分散設備的監測數據:包括刮板輸送機、轉載機、破碎機、皮帶機驅動部、乳 化液及噴霧泵、各種供電開關等設備的有關實時監測數據; 4)手持終端,包括手持檢測終端以及交 互設備等; 5)其它應用場景。

2.4移動巡檢

煤礦井下應用巡檢裝置的場所主要包括:變電所、水泵房、皮帶機、大巷、井筒、管道、采煤 工作面等,主要采集實時視頻、熱成像、環境氣體參數、煙霧、設備運行工況等信息。

以實時信息移動巡檢采集為例,一臺巡檢裝置最多配置4路高清攝像頭,每路1080p,網絡需 求約24Mbps;環境參數檢測、語音通話、紅外熱成像等網絡需求約5Mbps;合計網絡需求約為30Mbps。

2.5遠程控制

基于5G高質量承載管道,未來井下各種工業設備,如采煤機、液壓支架、掘進機等設備,可 以考慮遠程人工控制或基于Al的智能控制。

井下無軌膠輪車、電機車、單軌吊等為主的應用場景,可以考慮基于5G技術實現井下遠程(無 人)駕駛。

以遠程(無人)駕駛無軌膠輪車為例,一臺車最多配置4個激光雷達、4路高清攝像頭(每路 典型1080p)、2路毫米波雷達,網絡需求約為40Mbps;5G網絡控制時延要求不大于50ms。

以巷道掘進場景為例,需要考慮6路1080P高清視頻,考慮綜掘機截割速度、啟停命令等控制 信號,通信帶寬上行可達50Mbps,整體5G網絡控制信號時延小于100ms。

03.礦井5G網絡構架

3.1礦井5G專網典型構架

礦用5G專網系統主要由5G核心網、5G網管平臺、5G承載網設備、5G基站設備、5G本 安型無線網關(CPE)、5G終端設備等組成。

現階段,礦井5G專網系統典型構架主要有兩種方式:基于運營商的煤礦專網以及煤礦自身集 成管理的煤礦專網。

基于運營商的煤礦專網

煤礦本地部署MEC,實現本地業務分流至礦山自有業務服務器,保障數據不出煤礦園區。同 時部署5G核心網代理(和MEC共部署),當外部運營商網絡發生故障或斷開時,5G核心網代理+MEC確保5G系統能夠安全、獨立、穩定運行,保證無線通信及數據傳輸的可靠、穩定,滿足井上井下安全隔離的相關規定。如下圖所示:

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1 基于運營商的煤礦專網

煤礦專網

5G系統采用礦用5G核心網時,所有應用及控制面信息直接在煤礦園區內閉環,保障數據不出 煤礦園區。與運營商大網連接保證與外網語音和數據的互聯互通。

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圖2 煤礦專網

3.2礦井5G網絡基本要求

5G組網架構

——5G組網宜優選SA架構一步到位,MEC就近部署。

——根據井下業務場景和組網方式選擇VoNR、EPS fallback(VoLTE/CSFB)的5G 語音 通話方案,優先采用VoNR方式。

——能夠實現井下5G無線覆蓋,信號強度符合通信要求。

——支持增強移動寬帶場景(eMBB)、低功耗大連接場景(mMTC)和低時延高可靠場景 (uRLLC)。

5G組網安全性

——安全策略:應充分考慮NA/NSA切換保障、系統鏈路冗余等措施。主要設備在停電的情況 下應有至少2小時的續航能力。

——設備入網與取證要求:按照安標國家中心[2020]36號“關于發布煤礦5G通信系統安全 技術要求、安全標志管理方案的通知”辦理安標審核手續;5G系統中接入公網的設備應按國家有關規定辦理進網許可證。

——組網設備考核指標:

◆礦用5G系統宜采用本質安全型防爆,需要針對性進行研究設計開發,不應簡單把應用于地 面的設備加防爆外殼即視為改造完畢。

◆用于控制的礦用5G系統應具有較強的抗干擾能力,必須保證滿足“GB/T 17626電磁兼容 試驗及測試技術”標準要求。

——基站布設規范需考慮的因素:

◆5G信號接收強度、尤其小區邊緣滿足的速率要求。

◆巷道條件(巷道類型、安裝設備類型、斷面、縱向導體、橫向導體等)。

◆天線安裝位置、方向等。

——供電保障:參考“MT/T 1115-2011多基站礦井移動通信系統通用技術條件”標準。可采 用統一供電法、隔離供電法、總線供電法對節點供電。

04.礦井5G網絡系統描述

4.1總體架構

礦井5G通信系統總體架構需包含:

——5G網管平臺(NMS):至少支持礦山用戶實現簡易的網元設備狀態查詢和故障查詢,支 持本地設備的維護與操作。

——5G核心網平臺(5GC):基于運營商集成及企業集成2種模式,靈活選擇核心網部署模式。 核心網的部署需要考慮集團下各個礦井的數據連接及匯聚;同時,部分功能利用邊緣計算下沉到礦山園區,實現園區內的數據交換,保障數據不出園區,并滿足低時延的業務要求,以及業務分層隔離的切片需求。

——5G傳輸網絡:井下傳輸網絡建議成環部署,一條光纖斷路,可用另外一條鏈路傳輸,滿足

可靠性要求。

——5G無線網絡:基于井下無線應用場景(以上行為主),能支持時隙翻轉功能(如 UL:DL=3:1的時隙配比),滿足井下大容量的視頻回傳能力,滿足設備遠控的低時延等要求。

——5G終端:不只需要考慮本安型的通訊智能手機、USB Dongle、CPE;還需要考慮各種 模組內嵌或外接工業設備,以及環境感知等。未來隨著5G終端成熟,可逐步把井下遠控、環境數據監控、無人駕駛等業務遷移到5G網絡上來。

4.2運維平臺

網絡運維管理系統(NMS)的價值體現在對業務穩定、運行安全和提效降本三個方面的保障與 控制。保障業務穩定,確保信息系統及服務的7×24小時可用性及穩定性是運維的基本目標。保障運行安全,為企業提供安全、可控的信息系統是運維的重要職責。提效降本,通過提升效率降低企業信息系統的運行成本是運維的工作方向。

現階段,面對第3方或企業自身管理網絡訴求,礦用5G系統需要考慮單獨的運維管理平臺, 對核心網、傳輸、基站接入以及可能的終端進行管理,同時運營商也可以對并下網絡進行遠程的運維管理,協助煤礦解決本地無法解決的故障。其中,總體容量考慮512小區以上的接入及管理;硬件考慮基于×86或ARM的刀片服務器。

4.3核心網網絡

基于現有5G公網構建的能滿足煤礦業務及安全需求,同時向行業用戶提供部分網絡管理、監測、 獨立運維運營等能力的5G核心網,5GC控制面遵循3GPP標準,同時5G UPF&MEC下沉到礦區。

另外,5G核心網可以全部下沉到礦區,包括5GC控制面、UPF&MEC等。

功能要求:

——UPF支持煤礦數據分流功能:支持從煤礦終端、煤礦移動辦公終端到煤礦應用系統的數據 分發。

——具備煤礦應用系統平臺的能力:1)煤礦部分應用系統可部署在MEC平臺上,支持煤礦應 用的生命周期管理功能;2)MEC應提供安全管理功能,包括煤礦應用系統認證和鑒權服務,組網安全防護能力,以及保證數據安全,包含數據加密、數據隔離、數據防靠改、數據訪問控制、數據防泄漏等。

——支持網絡能力的開放:用戶精確位置、帶寬管理能力等連接能力被煤礦應用系統調用。

——宜提供計算能力:編解碼轉換、加解密、GPU、Al等計算能力被煤礦應用系統調用。

——提供NAT功能:可以將分流用戶的源地址按分配的煤礦專網地址池進行轉換。隱藏了內部 網絡結構,通過終端與煤礦服務端構建L2-LAN專線,方便煤礦應用對終端的操控管理。

性能要求:

——煤礦內接入MEC的同時在線會話數不低于1萬。

——系統吞吐量不低于10Gbps。

——MEC平臺支持APP應用以虛機模式部署,平臺資源可根據應用需求靈活擴容。

可靠性要求:

——系統關鍵軟件、硬件應有一定的備份措施,進行N+1或1+1冗余備份。保證系統的不間斷 運行,系統應具有軟件、硬件故障在線恢復的能力。

——當設備出現故障后,能實現容災備份保障業務不中斷。建議與運營商大網系統間組成資源池, 實現容災自動切換。

——當井上網絡故障或井下井上傳輸中斷時,礦區井下無線業務仍然能可靠穩定運行,至少2 小時以上。

4.4傳輸網絡

對于小型煤礦,可考慮無需切片的10Gbps傳輸網絡;對于中大型煤礦,建議采取50Gbps 及以上支持切片功能的傳輸網絡。

功能要求:

——井下主干網絡支持基于SDN管控融合架構,支持業務部署和運維的自動化能力,以及感 知網絡狀態并進行實時優化的網絡自優化能力。

——井下主干網絡支持基于靈活以太【FlexE】的切片技術,采用時分復用方式基于以太網物理 層提供硬管道隔離及監視技術,遵從OIF FlexE規范;能夠支持豐富的切片顆粒度比如1Gbps、5Gbps等。

——井下主干網絡設備支持切片帶寬的動態調整,且帶寬調整時業務無損。

——井下主干網絡支持電信級故障檢測和性能管理。

——井下主干網絡支持路徑保護和節點保護,在發生故障時能進行電信級快速保護倒換。

——井下主干網絡設備支持網絡級就近轉發和設備級物理層低時延轉發能力,匹配時延敏感業 務的承載需求。

——井下主干網絡設備支持二層和三層業務模型,滿足點對點、點對多點、多點對多點業務承 載需求。

——井下主干網絡設備支持同步以太網功能,實現穩定可靠的頻率同步;支持1588等時間同 步協議,實現高精度的時間同步。

性能要求:

——井下主干網絡設備支持100Mbps、1000Mbps的光接口和電接口以及10Gbps、 50Gbps的光接口;且10Gbps、50Gbps光端口最大傳輸距離不低于40km,具備單纖雙向能力。

——井下主干網絡設備支持端到端或逐跳檢測業務級性能指標(如:時延、流速、丟包等)。

可靠性要求:

——井下主干網絡設備應支持交換單元、主控單元、信令控制單元(當支持控制平面時)等主 要功能單元的1+1冗余備份能力。在上述功能單元的冗余單元啟動1+1保護后,系統轉發性能應不受影響。

4.5無線接入網絡

礦井5G無線接入網絡包含基站以及終端(含手機、CPE、USB dongle、AR路由器、模組等)。 基站形態可以多樣化:1)分布式,分為基站控制器單元(BBU)以及基站射頻單元(RRU),中間還可以有中繼擴展單元(RHub);2)集中式:基站控制單元與射頻單元一體化,外接天線。

功能要求:

——基于5G基站×T×R的多通道特點,要求多路射頻輸出閾功率不大于6w。

——滿足蜂窩系統通信行業標準規定的蜂窩系統通信功能要求。

——井下無線接入設備具備4G/5G多頻多模硬件能力,以及eMBB、URLLC、mMTC業務 能力。

——5G終端接入支持5G蜂窩終端和loT模組的接入認證、訪問和處理數據。

——支持數據路由功能,終端、基站到網絡的數據路由配置管理。

——支持將工業應用映射為相應的服務等級,管道能力具備差異化SLA控制,能為不同業務如 數據傳輸類、遠程控制類、視頻類提供差異化服務等級。

——基站具備定位能力(可選):支持設備、人員的定位,定位精度要求在米級。

——網絡接入的管理要求:1)應支持對蜂窩網絡設備的操作和管理功能,可對蜂窩網絡功能進 行創建、刪除、配置、監控和故障排除;2)應支持對蜂窩網絡的實時監控功能,包括關鍵應用的QoS、蜂窩網絡設備的通信和連接狀態及一般服務可用性等;3)應支持和工業網絡管理系統的對接,宜支持工業網絡的故障告警、拓撲生成及設備管理等;4)應支持業務質量可視、可評估(如5G連接的時延、速率)。

性能要求:

——數據傳輸速率要求;單基站覆蓋,最低要求平均吞吐率滿足上行160Mbps;邊緣上行吞 吐率大于10Mbps/用戶。

——并發用戶數要求(重點針對視頻業務):單基站覆蓋,至少滿足30-40個攝像頭類終端數 據并發;多路視頻并發傳送基本無卡頓。

——網絡時延要求:對于控制類業務,網絡時延<50ms@99.99%。

05.煤礦5G應用生態建設

煤礦5G的深入應用,需要全行業包括煤炭生產企業、系統集成商、網絡運營商、網絡設備供應商、 煤機裝備廠家以及科研院所、高等學校等的協力合作,共同構建創新、協同、開放、合作的煤礦5G應用生態。其中,

◆煤炭生產企業應根據實際情況循序漸進、逐步推進5G在礦井的商業應用。

◆系統集成商需要端到端整合生態廠家,提升礦用5G系統的可用性和適用性。

◆網絡設備供應商應針對煤礦特點,持續研發適合礦用的5G通訊產品。

◆煤機裝備廠家應加大研發力度,提供具備5G通信能力的各類礦用裝備。

◆科研院所和高等學校應加強5G+煤礦智能化基礎研究,為產業先進技術提供原動力。

◆相關行業組織應加快推動對煤礦5G應用的場景細分、組網方式選擇、建設驗收、設備要求 等方面的標準研究,促進設備間、平臺間的兼容,指導智能煤礦通信基礎設施的建設。

煤炭行業應加強5G相關應用技術的研發突破:

◆智能視頻應用將從單路攝像機的應用逐步發展為多個攝像機協作與信息關聯的全局態勢監控。 通過5G連接能實現攝像機的快速部署、智能視頻的端云協同。應構建行業視頻監控數據集,推動礦井智能視頻監控的評估標準化。

基于5G智能手機產業鏈定制的行業智能終端(移動設備/礦燈/AR眼鏡),在基本通信功能 的基礎上,增加礦井所需的生產管理/設備巡檢/人員定位等各種功能。未來5G網絡作為通信基礎設施,可無需部署額外的信標,提供米級的定位能力。

◆井下車輛可以通過5G網絡實現車輛的管理/實時運行數據的采集,車隊的編排調度;實現車 輛超視距的感知,降低交通事故隱患。

◆5G連接可通過增強的5G LAN能力來實現集團下各個礦區之間的互聯互通、業務隔離等。

◆基于5G NR的集群語音和調度通信,可以融合目前基于4G專網的語音集群和調度通信。

◆未來700MHz的5G設備及終端可在井下應用,考慮其覆蓋距離遠,有較強的繞射能力, 能夠減少站點數量,增加礦用5G網絡的適用性。

◆針對井下特殊生產控制場景核心網的微型化、本地化部署與應用,有助于促進5G技術與特 定作業場所生產控制的深度結合;井下5G基站的一體化、小型化本安開發,推動與工業環網的逐步有機融合,能夠提高井下5G系統的適應性。

煤炭行業應加強礦用5G技術的體系化測試研究,包括網絡融合測試、設備功能性能評測、安 全性測試評估等,推動技術成熟;伴隨著煤礦5G應用生態的成熟,結合煤礦5G應用各類場景,分階段推動落實煤礦5G業務應用。

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圖3 礦井5G業務應用

06.附錄

6.1規范性引用文件

凡是注日期的引用文件,其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內容)或修訂版均不適用于本白 皮書;凡是不注日期的引用文件,其最新版本適用于本白皮書。

表1 規范性引用文件列表

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6.2術語、定義和縮略語

下列術語、定義和縮略語適用于本白皮書。

表2 縮略表

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