国能乌兰木伦煤矿：采煤工作面5G网络

中国煤炭工业协会

采煤工作面5G网络

上海山源电子科技股份有限公司、国家能源集团乌兰木伦煤矿

一、场景描述

煤矿智能化工作面采用物联网、5G、大数据、AI人工智能等技术对综采设备进行智能化技术升级，使其具备智能感知、智能控制与自主决策等功能，实现综采工作面割煤、支护、运煤工况实时监测与远程控制，实现人工智能工作流。

目前的方案中5G核心网部署在地面，井下基站通过光缆或传输网连接到核心网，造成数据需要传输到地面再返回到工作面集控箱，从而带来了客户对网络稳定性、时延性问题的顾虑，因此针对工作面的实际网络需求，需要一个更加适合工作面应用的5G专网建设方案。

二、解决方案

方案一

针对煤矿井下无线传播环境的差异性和可靠性等网络性能方面的特殊要求，5G无线网络通过构建连接泛在、性能极致、一网多能、运维极简的技术体系，建设地下通信全弹性、全感知、全融合的网络，解决矿山行业在数智化转型中遇到的关键挑战。

1.总体架构

采用5G行业小专网与矿鸿技术相结合，具有通感一体、算网融合、超级上行、轻量极简等特点，可实现井下综采工作面、掘进工作面的数据、语音等多类型业务的综合接入，配合远程控制、AI智能、算力网络等技术，达到减员增效的目标，为智能化矿山建设提供保障。

图15G行业小专网拓扑架构图

该系统由云网柜、传输设备、5G小专网融合通信平台、矿用本安型5G融合基站、矿用本安型5G双发选收网关、5GCPE、5G矿鸿摄像仪、鸿蒙手机以及矿用隔爆兼本安型电源、煤矿用电缆、煤矿用通信光缆等组成。

2.方案设计

5G行业小专网，采用融合平台实现基站接入、管理，在实现数据本地落地的同时，采用5G新调度实现融合通信调度功能，采用双发选收网关实现采煤机、掘进机无线远程控制与数据传输的链路保障功能，采用SPN/NE/IPRAN设备组建万兆环网，从而实现重点场所5G无线网络覆盖以及数据回传。

5G小专网有三种部署模式：

在地面部署云网柜，包括超融合调度平台、5G核心网以及专网运维平台等，通过SPN/NE/IPRAN设备与井下系统连接，井下部署算网融合基站和终端设备。

在地面部署专网运维平台，通过SPN/NE/IPRAN设备与井下系统连接，在井下部署5G小专网融合平台、算网融合基站以及终端设备。

在地面部署云网柜，包括超融合调度平台、5G核心网融合平台以及专网运维平台等，在井下部署5G小专网融合平台、算网融合基站以及终端设备。

3.部署说明

5G行业小专网建议采用方案2、3,采用地面平台+SPN/NE/IPRAN传输+井下5G小专网融合平台+算网融合基站的模式，SPN/NE/IPRAN向上连接到地面平台，向下连接井下的5G小专网融合平台。5G小专网融合平台通过光缆和算网融合基站连接。算网融合基站根据覆盖需求和井下现场条件放置，设备就近取电。

基站的安装应遵循以下原则：

基站安装于地面或巷道壁上，天线安装在距离地面2米以上，顶板0.5米以下；

基站选择安装于无淋水、岩壁坚固、无遮挡物的位置；

每台基站预留至少5米的光缆，便于熔接及维护；

拐弯的巷道，基站应部署在转角处，天线朝向两边巷道；

在综采面部署时，基站应悬挂在液压支撑架的下部。

图2设备布放支架图

图3平直巷道的设备布放图

图4转弯巷道的设备布放图

4.工作面基站部署

在工作面切面两侧各部署1台5G基站，实现工作面切面5G信号的覆盖，实现采煤机信号(包括机载高清视频、传感中心、参数控制)通过5G网络传输至列车控制室和地面控制室；采煤机顺槽控制箱体内配置矿用TSN双发选收网关，实现地面控制室(列车控制室)与采煤机等设备的5G通信交互。

图5 5G行业小专网综采工作面基站部署示意图

5.双发选收

在采用5G作为远程控制网络时，需要采用双发选收技术，具体实现方法为：

双发选收网关在收发两端建立GRE隧道，并加入包序号；发送端通过包复制，同一个数据包同时在模组1和模组2复制发送；收端在两条链路中选择优先达到的包递交到控制器。

双发选收方案主要应用于对低时延有较高可靠性的场景，特别是移动场景。

双发选收和单链路5G相比较的优势在于，提高无线传输稳定性，提升客户使用信心。

方案二

乌兰木伦煤矿为解决5G技术在井下常态化应用问题，继续研究提升井下5G组网问题，在综采工作面采用基于pRRU级联的5G技术，工作面顺槽长2500米，切眼长306米，采高2.1米，布置液压支架175架，工作面分别部署pRRU设备6套，并在设备列车端部署2台RHUB,铺设两根光缆，形成双联组网，实现故障倒换(主干光纤A、B、C各位置点故障，都可检测触发倒换，倒换时间<50ms),同时能够达到倒换保护快速故障检测(LS可快速检测在哪一段光纤故障，A、B、C各位置点故障，都可检测触发倒换),光纤故障位置精准检测。

图6设备部署原理图

图7现场设备(pRRU)

三、应用效果

此技术的应用解决了之前基于漏缆+pRRU组网所存在的问题，减少了铺设较多缆线、设备维护、故障率等，实现了数据通过5G网络传输至地面控制室和列车控制室；地面远程操作台和采煤机顺槽控制箱体内配置矿用无线转发器(5GCPE)和智能控制模块，达到地面控制室(列车控制室)与采煤机等设备的5G通信交互，为煤炭企业井下安防、危险场所作业、虚拟现实、高精度实时定位、远程控制、井下无人驾驶、协同运维等提供了新途径。

5G技术在煤炭行业的应用凭借高速率、低时延、大连接三大基础能力和边缘计算、切片等增强能力，以及与各项数字技术的深度融合，成为驱动智能化矿山建设的加速器。同时满足了智能化采掘工作面网络传输需求、低延迟视频以及控制需要，下一步将融合5G+AI+云“新基建”,构建智能化矿山信息高速传输及融合通信一张网。

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