轉(zhuǎn)載 | 孫繼平教授：智能礦山信息綜合承載網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)切片路由器

孫繼平教授，博士，博士生導(dǎo)師

原中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）副校長(zhǎng)。獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)和技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)4項(xiàng)（第1完成人3項(xiàng)）；作為第1完成人獲省部級(jí)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和一等獎(jiǎng)8項(xiàng)；作為第1完成人主持制定中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)、安全生產(chǎn)行業(yè)和能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)38項(xiàng)；作為第1發(fā)明人獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利100余項(xiàng)；主持制定《煤礦安全規(guī)程》第十一章“監(jiān)控與通信”；以第一作者發(fā)表SCI、Ei檢索論文100余篇，出版著作12部；作為國(guó)務(wù)院煤礦事故調(diào)查專家組組長(zhǎng)參加10起煤礦特別重大事故調(diào)查工作。

煤炭是我國(guó)的主要能源，2021年我國(guó)煤炭產(chǎn)量41.3億t，但同時(shí)煤炭開采是高危行業(yè)，煤礦事故時(shí)有發(fā)生，主要包括瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、水災(zāi)、火災(zāi)、沖擊地壓、頂板冒落、爆破事故、機(jī)電事故、運(yùn)輸事故等。近年來，通過煤礦智能化、信息化和自動(dòng)化建設(shè)，煤礦安全形勢(shì)逐年好轉(zhuǎn)，事故起數(shù)、死亡人數(shù)、百萬噸死亡率均大幅下降。2021年全國(guó)煤礦共發(fā)生死亡事故91起，死亡人數(shù)178，百萬噸死亡率0.044。

進(jìn)一步減少煤礦井下作業(yè)人員數(shù)量，是煤礦安全生產(chǎn)和煤礦智能化發(fā)展的必然選擇。煤礦井下設(shè)備無人操作、地面遠(yuǎn)程控制，需要將煤礦井下視頻、音頻、傳感器和執(zhí)行器等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至地面調(diào)度控制中心，并將控制命令實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至被控設(shè)備。承載視頻、遠(yuǎn)控等數(shù)據(jù)上傳和下達(dá)的信息綜合承載網(wǎng)，必須滿足大帶寬、低時(shí)延、高可靠等要求。因此，需對(duì)現(xiàn)有煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，以滿足地面遠(yuǎn)控、5G等綜合承載需求。

現(xiàn)有礦用工業(yè)環(huán)網(wǎng)存在的問題

5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在煤礦的推廣應(yīng)用，減少了煤礦井下作業(yè)人員數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)。但現(xiàn)有礦用工業(yè)環(huán)網(wǎng)難以滿足煤礦監(jiān)控、人員和車輛定位、視頻和音頻監(jiān)控、語音通信、5G等多業(yè)務(wù)綜合承載要求，主要存在以下問題：

（1）井下多網(wǎng)林立，建設(shè)成本高

當(dāng)前，井下視頻監(jiān)控、安全監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控、人員定位、語音通信等不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用不同的環(huán)網(wǎng)承載，造成井下多網(wǎng)林立。煤礦井下現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)多為工業(yè)交換機(jī)組網(wǎng)，交換機(jī)不支持時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)切片等需求，不支持5G承載。

（2）網(wǎng)絡(luò)帶寬小

當(dāng)前，井下環(huán)網(wǎng)大多只有1Gbit/s或10Gbit/s，考慮到煤礦井下綜采工作面和掘進(jìn)工作面上百路高清攝像頭的規(guī)模部署，現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)帶寬已難以滿足要求。

（3）維護(hù)困難

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理手段單一，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，往往需要運(yùn)維人員下井插拔端口排查故障，故障定位和排除時(shí)間長(zhǎng)、效率低。

煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)
技術(shù)要求

煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)既是實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)控，減少井下作業(yè)人員數(shù)量的需要，也是煤礦監(jiān)控、人員和車輛定位、視頻和音頻監(jiān)控、語音通信、5G等多網(wǎng)合一的需要。煤礦智能化信息綜合承載網(wǎng)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

（1）傳輸帶寬大

以全景視頻拼接的遠(yuǎn)控采煤為例，長(zhǎng)度300m的綜采工作面大約需要200臺(tái)防爆攝像機(jī)，每臺(tái)4K高清礦用攝像機(jī)數(shù)據(jù)壓縮后平均傳輸帶寬按20Mbit/s計(jì)算，1個(gè)綜采工作面平均需要傳輸帶寬約4Gbit/s。此外，煤礦井下有多個(gè)采掘工作面，巷道長(zhǎng)度大（巷道累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)幾十千米），機(jī)電硐室多，機(jī)電設(shè)備和礦用車輛多，需要大量的礦用攝像機(jī)、傳感器和執(zhí)行器。因此，綜合承載網(wǎng)所需的傳輸帶寬將超過萬兆。

（2）傳輸時(shí)延小

傳輸時(shí)延是實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵，綜合承載網(wǎng)傳輸時(shí)延越小越好。為滿足地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的需要，綜合承載網(wǎng)傳輸時(shí)延應(yīng)不大于20ms。

（3）可靠性高

可靠性是實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程可靠控制的關(guān)鍵，綜合承載網(wǎng)可靠性越高越好，支撐遠(yuǎn)控的承載網(wǎng)可靠性應(yīng)大于99.99%。

（4）多業(yè)務(wù)綜合承載

煤礦井下有監(jiān)控、定位、音頻、視頻4大業(yè)務(wù)，對(duì)傳輸帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性有不同的要求。因此，“一張網(wǎng)”綜合承載礦井監(jiān)控、定位、視頻、音頻和遠(yuǎn)控等業(yè)務(wù)，應(yīng)按業(yè)務(wù)等級(jí)和不同需求分配通信鏈路。

（5）本質(zhì)安全防爆

煤礦井下所有防爆類型中，本質(zhì)安全防爆安全性最好。因此，綜合承載網(wǎng)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先本質(zhì)安全型防爆。

基于網(wǎng)絡(luò)切片路由器的
礦用綜合承載網(wǎng)

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)切片路由器具有5G承載、網(wǎng)絡(luò)切片、帶寬易擴(kuò)展、可靠性高等特性，加持了基于IPv6的SRv6隧道技術(shù)、隨流檢測(cè)技術(shù)等，并引入了SDN網(wǎng)絡(luò)控制器作為煤礦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)中樞，使網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)開通、業(yè)務(wù)擴(kuò)展及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維實(shí)現(xiàn)智能化。相對(duì)于傳統(tǒng)的交換機(jī)環(huán)網(wǎng)，基于網(wǎng)絡(luò)切片路由器的礦用綜合承載網(wǎng)絡(luò)（圖1）具備以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 基于切片路由器的礦用綜合承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）支持5G承載

傳統(tǒng)的煤礦工業(yè)交換機(jī)不支持同步以太網(wǎng)、IEEE1588v2等協(xié)議，無法滿足5G基站精確時(shí)間同步的要求，因此無法直接接入5G基站?；诰W(wǎng)絡(luò)切片路由器的礦用綜合承載網(wǎng)具有時(shí)鐘同步功能，支持5G承載。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片，保障時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的低時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是解決煤礦井下多網(wǎng)林立問題的關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片可以在一張物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)資源嚴(yán)格隔離的網(wǎng)絡(luò)平面，不同的平面之間不僅可以做到邏輯隔離，業(yè)務(wù)信息的傳輸時(shí)延也能做到互不影響。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以將當(dāng)前井下新建的5G承載網(wǎng)和井下眾多工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)合并為“一張網(wǎng)”，不同的切片網(wǎng)絡(luò)分別承載安全和生產(chǎn)監(jiān)控、人員和車輛定位、視頻和音頻監(jiān)視、5G、語音通信等不同業(yè)務(wù)，這樣可大幅降低井下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量，減小維護(hù)難度和工作量。

（3）穩(wěn)定可靠，拒絕網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

傳統(tǒng)的礦用網(wǎng)絡(luò)通常采用純二層的以太組網(wǎng)，容易導(dǎo)致因人工配置錯(cuò)誤或連線錯(cuò)誤發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。而網(wǎng)絡(luò)切片路由器是三層組網(wǎng)，業(yè)務(wù)流量不再是簡(jiǎn)單的以太報(bào)文查MAC表轉(zhuǎn)發(fā)，而是IP路由三層轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議可以保障網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路，因此可杜絕網(wǎng)路風(fēng)暴的發(fā)生。

（4）帶寬大

傳統(tǒng)礦用以太網(wǎng)交換機(jī)鏈路帶寬一般不大于萬兆，難以滿足綜采工作面視頻拼接、主運(yùn)智能檢測(cè)等需求。網(wǎng)絡(luò)切片路由器骨干環(huán)網(wǎng)的帶寬可以達(dá)到5萬M和10萬M，可以滿足綜采工作面視頻拼接、主運(yùn)智能檢測(cè)等需求。

（5）本質(zhì)安全型路由器防爆安全性好，便于安裝維護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

隨著國(guó)內(nèi)越來越多的煤礦企業(yè)選擇網(wǎng)絡(luò)切片路由器構(gòu)建智能礦山信息綜合承載網(wǎng)絡(luò)，5萬M/10萬M網(wǎng)絡(luò)切片路由器建網(wǎng)模式逐漸成為行業(yè)共識(shí)。

國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司上灣煤礦選擇井下通信“一網(wǎng)一站”建設(shè)模式，使用網(wǎng)絡(luò)切片路由器工業(yè)環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一承載移動(dòng)通信、人員定位、廣播通信等業(yè)務(wù)，解決了井下系統(tǒng)多、分站多的難題，為井下安全生產(chǎn)提供保障。上灣煤礦“一網(wǎng)一站”井下路由器匯聚站點(diǎn)如圖2所示。

圖2 上灣煤礦“一網(wǎng)一站”井下路由器匯聚站點(diǎn)

潞安化工集團(tuán)有限公司新元煤礦通過網(wǎng)絡(luò)切片路由器建設(shè)井下“一張網(wǎng)”，支撐了全國(guó)首個(gè)煤礦5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及應(yīng)用，在采掘工作面遠(yuǎn)程操作、機(jī)器人無人巡檢、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、視頻AI 識(shí)別等方面開展了大量的原創(chuàng)性研究工作。新元煤礦井下環(huán)網(wǎng)匯聚站點(diǎn)如圖3所示。

圖3 新元煤礦井下環(huán)網(wǎng)匯聚站點(diǎn)

巴音孟克納匯煤炭有限責(zé)任公司選擇本安型網(wǎng)絡(luò)切片路由器建設(shè)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，承載工業(yè)控制、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)，很好地支撐了中長(zhǎng)期的智能化業(yè)務(wù)規(guī)劃。巴音孟克納匯煤礦本安網(wǎng)絡(luò)切片路由器如圖4所示。

圖4 本安網(wǎng)絡(luò)切片路由器

上述煤礦企業(yè)在煤礦網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域的成功實(shí)踐，標(biāo)志著煤礦企業(yè)對(duì)礦山網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重視程度的提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更具前瞻性。5萬M/10萬M帶寬的網(wǎng)絡(luò)切片路由器（圖5）正在成為智能礦山網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的趨勢(shì)，也將為礦山智能化發(fā)展奠定ICT基礎(chǔ)。

圖5 礦用井下5萬/10萬M網(wǎng)絡(luò)切片路由器設(shè)備

來源：《智能礦山》2023年第1期