摘要：為進一步加快F5G技術(shù)在煤礦中的認知和應(yīng)用普及，促進我國煤礦智能化發(fā)展起到積極推動作用，基于F5G新技術(shù)，針對礦用F5G全光工業(yè)網(wǎng)架構(gòu)具備PON網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)勢特點，滿足以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)、機器人為技術(shù)基礎(chǔ)的智能化煤礦建設(shè)對高安全需求;本論文論述了礦用F5G工業(yè)光網(wǎng)功能、F5G+5G融合組網(wǎng)設(shè)備及架構(gòu)，分析了礦用井下F5G+5G一張網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)勢特點;重點探討了礦用F5G智能化建設(shè)方案的無源光網(wǎng)絡(luò)滿足煤礦井下防爆要求、無源網(wǎng)絡(luò)自生長滿足煤礦井下定期移動需求、應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)安全等3個方面的優(yōu)勢;研究了礦用F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)的4種典型應(yīng)用場景：視頻監(jiān)控+邊緣分析、遠程控制網(wǎng)低延時實時傳輸、監(jiān)測監(jiān)控傳輸網(wǎng)、礦用5G+融合通信系統(tǒng)承載網(wǎng)，為F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)方案提供技術(shù)思路及方法。文中論述的礦井F5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)特點、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、應(yīng)用場景、優(yōu)勢及生態(tài)等，為推動建設(shè)礦用F5G+智能化煤礦方案在煤礦井下的應(yīng)用，有力促進煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展;同時，煤礦F5G的深入推廣應(yīng)用，也需要全行業(yè)包括煤礦生產(chǎn)企業(yè)，集成商，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商等的協(xié)力合作，構(gòu)建創(chuàng)新、協(xié)同、開放、合作的煤礦F5G應(yīng)用生態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：F5G+5G融合組網(wǎng)架構(gòu);無源光網(wǎng)絡(luò)ONU;智能化煤礦;網(wǎng)絡(luò)傳輸層;典型應(yīng)用場景;應(yīng)用生態(tài)

　　引言

　　智能化是煤礦技術(shù)發(fā)展的最高形式，也是第四次煤炭技術(shù)革命[1];智能化煤礦建設(shè)，開啟煤礦行業(yè)全面創(chuàng)新和技術(shù)變革。智能化煤礦建設(shè)是基于現(xiàn)代智慧理念，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)、機器人技術(shù)及裝備應(yīng)用到現(xiàn)代化煤礦開采;深度融合煤礦“人-機-環(huán)-管”多源異構(gòu)信息，建立一個庫、一張網(wǎng)、一個平臺和一張圖設(shè)計理念[2]，智能化煤礦建設(shè)平臺總體架構(gòu)從頂層規(guī)劃實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一模型、統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一方案，完成礦山企業(yè)全要素數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)實時采集、統(tǒng)一規(guī)范集成、多維可視化展現(xiàn)和智能決策分析，實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)的透明化、自動化、智能化管理[3-4]，達到真正實現(xiàn)智能化減人的目標(biāo)，踐行倡導(dǎo)的煤炭資源開采的“安全、高效、智能、綠色”理念。

　　2019年6月，首次由中國提出F5G(第五代固定網(wǎng)絡(luò)，The5thgenerationFixednetworks)，ETSI歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會接納，業(yè)界廣泛參與。F5G與5G是協(xié)同關(guān)系，有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)互相補全，提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和感知。ETSI定義F5G與5G一起共同開啟萬物互聯(lián)時代。F5G全光工業(yè)網(wǎng)契合煤炭行業(yè)對高安全的需求，采用全預(yù)連無源光器件，具有大幅減少隔爆箱使用，避免井下熔接高溫隱患，提高運維工作效率等特點。F5G智能化煤礦應(yīng)用，促進F5G技術(shù)與煤礦智能化的深度融合，共建可持續(xù)發(fā)展的智能礦山產(chǎn)業(yè)生態(tài);F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)，可實現(xiàn)設(shè)備和安全數(shù)據(jù)的實時可靠傳輸;為礦山生產(chǎn)安全保駕護航，提高事故預(yù)警和防控能力。

　　本文著重探討了適合煤礦井下應(yīng)用的F5G智能化煤礦的建設(shè)方案、優(yōu)勢特點、典型應(yīng)用場景等，以期為F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)提供技術(shù)思路及方法。

　　1礦用F5G工業(yè)光網(wǎng)功能

　　礦用F5G工業(yè)光網(wǎng)架構(gòu)是基于PON技術(shù)的新型工業(yè)局域網(wǎng)組網(wǎng)方案，繼承了PON網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點，同時組網(wǎng)上考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)高可靠要求，支持TypeC雙歸屬保護，實現(xiàn)ONU手拉手保護，保證網(wǎng)絡(luò)每個環(huán)節(jié)都做到冗余保護。終端側(cè)部署的ONU按照工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計，滿足工業(yè)上耐高溫、抗振動等苛刻環(huán)境要求。

　　為了滿足工業(yè)終端多種網(wǎng)絡(luò)接口的需求，ONU側(cè)同時支持GE電口以及RS485/RS232串口;接入設(shè)備側(cè)采用ODN預(yù)鏈接方案，免熔接多級分光擴展，esight作為網(wǎng)管運維管理工具，可智能、簡便的進行業(yè)務(wù)發(fā)放及日常運維管理。F5G可承載煤礦井下智能開采、掘進、運輸、安全監(jiān)控等系統(tǒng)的各類以太信號回傳，主接頭盒往接入設(shè)備側(cè)采用ODN預(yù)鏈接方案，免熔接多級分光擴展。F5G工業(yè)光網(wǎng)具有以下特性滿足煤礦井下多系統(tǒng)融合、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的通信傳輸要求[5-7]。

　　(1)VLAN業(yè)務(wù)隔離規(guī)劃F5G工業(yè)光網(wǎng)采用二層數(shù)據(jù)承載技術(shù)，使用VLAN技術(shù)來對不同業(yè)務(wù)劃分不同的VLAN，滿足不同業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)相互隔離。井下多個生產(chǎn)、智能化子系統(tǒng)使用不同的VLAN進行業(yè)務(wù)隔離，多個系統(tǒng)互不影響。

　　(2)QoS功能F5G服務(wù)質(zhì)量QoS可實時評估井下各類數(shù)據(jù)服務(wù)需求，高可靠面向業(yè)務(wù)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。全光POL網(wǎng)管平臺統(tǒng)一對OLT、ONU設(shè)備集中管理，實現(xiàn)業(yè)務(wù)高帶寬、低時延、防抖動等指標(biāo)的靈活部署、資源統(tǒng)一管理、集中故障監(jiān)測。

　　(3)高可靠安全保障F5G全光網(wǎng)ONU支持802.1X認證，支持對接入終端的認證，防止非法終端接入;XGS-PON網(wǎng)絡(luò)支持上下行雙向AES加密傳輸;工業(yè)光網(wǎng)支持防DDOS攻擊、防DHCPsnooping等網(wǎng)絡(luò)安全措施。

　　(4)運維管理功能F5G工業(yè)光網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足井下環(huán)境的監(jiān)控和運維管理，采用融合運維管理平臺esight，支持服務(wù)器虛擬化，交換機、路由器、WLAN、防火墻、PON、eLTE、統(tǒng)一通信、智真、視頻監(jiān)控等設(shè)備以及應(yīng)用系統(tǒng)和機房設(shè)施的統(tǒng)一管理。

　　2礦井F5G工業(yè)光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　2.1礦用F5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成

　　礦用F5G在煤礦應(yīng)用主要包含3個產(chǎn)品，分別為：光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備(OpticalRingHead，ORH)、光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備(OpticalRingEnd，ORE)及無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備(OpticalRingPassive，ORP)[8]。

　　(1)ORHORH是工業(yè)光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備。ORH設(shè)備的主要功能為匯聚井下各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，并上傳到是數(shù)據(jù)中心，同時把數(shù)據(jù)中心控制數(shù)據(jù)下發(fā)到井下各設(shè)備;管理井下ORE設(shè)備。ORH設(shè)備網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過千兆、萬兆等以太網(wǎng)接口與核心交換機通信，用戶側(cè)提供工業(yè)光接口接入井下網(wǎng)絡(luò)。

　　(2)OREORE設(shè)備是工業(yè)光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備，安裝在井下，必須支持防爆;也可以使用本安型ORE使井下網(wǎng)絡(luò)更加簡化。ORE網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過ORP分光器與ORH的工業(yè)光接口連接，用戶側(cè)通過以太網(wǎng)口、工業(yè)串口(RS485)連接井下各終端設(shè)備，ORE把井下各終端的數(shù)據(jù)，通過ORP上傳到ORH設(shè)備，同時把ORH設(shè)備下來的數(shù)據(jù)傳送給各終端設(shè)備。ORE可以通過ORP來實現(xiàn)遠程業(yè)務(wù)發(fā)放、遠程配置、遠程升級，盡量減少井下操作。上行接口最少為萬兆，以滿足煤礦智能化建設(shè)需求。用戶側(cè)接口一般為以太網(wǎng)光口或電口，同時根據(jù)業(yè)務(wù)需求提供串口等工業(yè)接口。

　　(3)ORPORP設(shè)備用于連接ORH和ORE，實現(xiàn)1個ORH工業(yè)光接口連接到多個ORE設(shè)備。ORP包含光纖光纜和分光器，支持礦井巷道和作業(yè)面鏈型的應(yīng)用場景。ORP支持級聯(lián)，滿足礦井網(wǎng)絡(luò)的靈活擴展。ORP所有部件均為無源設(shè)備，無需供電，ORP按照煤礦的安全規(guī)范滿足阻燃、防靜電設(shè)計，滿足本安認證，滿足井下粉塵和潮濕環(huán)境。

　　2.2礦用F5G+5G融合組網(wǎng)架構(gòu)

　　礦用F5G+5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)提升網(wǎng)絡(luò)可靠性;ORH一般在井上，ORE在井下，通過ORP(光纜和分光器)連接。

　　ORE對外出標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)光口和電口，井下設(shè)備可直接接到ORE上。F5G作為煤礦井下主干網(wǎng)絡(luò)，將井下安全監(jiān)控網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)、人員定位、5G網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一接入。(按照安規(guī)要求，安全監(jiān)控網(wǎng)需要和其它網(wǎng)絡(luò)接入到不同光纖芯上，實現(xiàn)分芯傳輸)。F5G作為5G承載網(wǎng)，F(xiàn)5G本身可實現(xiàn)us級低時延，并為5G承載專門提供高精度時鐘同步、業(yè)務(wù)隔離功能，5G的BBU可直接接入到ORE(5G承載ORE一般為10GE光口)，實現(xiàn)井下F5G+5G一張網(wǎng)傳輸。具有以下優(yōu)勢：

　　(1)整個井下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大簡化，井下多網(wǎng)統(tǒng)一部署。解決井下原來多張環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、難以運維的問題。F5G網(wǎng)絡(luò)井下有源設(shè)備只有ORE，井下設(shè)備更加安全、簡單。

　　(2)。F5G+5G井下一張網(wǎng)改變原來井下分散網(wǎng)絡(luò)，讓多條“小路”融合成一條網(wǎng)絡(luò)“高速公路”，使網(wǎng)絡(luò)最終實現(xiàn)統(tǒng)一、融合、智能，為煤礦智能化提供高可靠性保障。

　　2.3礦用F5G智能化方案優(yōu)勢

　　F5G全光工業(yè)網(wǎng)契合煤炭行業(yè)對高安全的需求，采用無源光器件具有大幅減少隔爆箱使用、避免井下熔接高溫隱患、提高運維工作效率等特點，F(xiàn)5G智能化煤礦應(yīng)用方案可以為智慧礦山建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐。

　　(1)無源光網(wǎng)絡(luò)滿足煤礦井下防爆要求礦用F5G全光工業(yè)網(wǎng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無源光環(huán)網(wǎng)，無需防爆認證，可減少40%的防爆箱使用，降低井下電火花風(fēng)險，提升礦井下的電氣安全性;F5G全光架構(gòu)設(shè)計，逐級匯聚到集中管理，減少匯聚層，帶電設(shè)備大幅簡化，使井下設(shè)備更加簡單便捷。

　　(2)無源網(wǎng)絡(luò)自生長滿足煤礦井下定期移動需求基于工作面定期移動的需求，井下設(shè)備需要高可靠、易擴展、易拆裝，易維護等特點，F(xiàn)5G無源全光網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)末端自生長、光電分離、模塊化，預(yù)連接、免熔纖、新增節(jié)點不影響已有設(shè)備的正常運行，米級故障定位，拓撲可視，充分適合煤礦作業(yè)面變化。

　　(3)業(yè)務(wù)安全無源光網(wǎng)絡(luò)ONU支持802.1X認證，支持對接入終端的認證，防止非法終端接入;XGS-PON網(wǎng)絡(luò)支持上下行雙向AES加密傳輸;工業(yè)光網(wǎng)支持防DDOS攻擊、防DHCPsnooping等網(wǎng)絡(luò)安全措施;高可靠環(huán)網(wǎng)設(shè)備級、鏈路級的“1+1”冗余保護，并且支持30ms保護倒換，可應(yīng)對井下多重設(shè)備和鏈路失效，保障業(yè)務(wù)“0”中斷。

　　3.礦用F5G典型應(yīng)用場景

　　F5G工業(yè)光網(wǎng)可以接入井下感知控制層的各種設(shè)備，包括智能采掘、智能運輸、智能供電、智能通風(fēng)、機器人等接入設(shè)備[12]，也可以接入環(huán)境感知、位置感知、視頻感知、調(diào)度感知、通信感知、災(zāi)害感知等感知設(shè)備，成為煤礦井下基礎(chǔ)設(shè)施層的主干網(wǎng)絡(luò)[13-15]。以下分析4種礦用F5G典型應(yīng)用場景[16-20]。

　　(1)視頻監(jiān)控+邊緣分析F5G工業(yè)光網(wǎng)接入在井下重要場所、工作面等區(qū)域視頻監(jiān)控;能夠滿足實時傳輸、靈活部署、超大帶寬、運維方便的需求，實現(xiàn)皮帶異物、人員違章、鉆場等重要場景視頻智能識別。

　　(2)遠程控制網(wǎng)F5G工業(yè)光網(wǎng)是井下的遠程控制網(wǎng)，因其實時性好，遠程控制低延時，可靠性、抗干擾、業(yè)務(wù)0中斷等特點;可以接入工作面、變電所、皮帶、水泵、壓風(fēng)機、機器人等系統(tǒng)，實現(xiàn)運行環(huán)境及工況遠程監(jiān)測，采煤機、掘進機、水泵、壓風(fēng)機、開關(guān)等設(shè)備遠程控制。

　　(3)監(jiān)測監(jiān)控傳輸網(wǎng)F5G工業(yè)光網(wǎng)承載全礦井監(jiān)測監(jiān)控傳輸網(wǎng)，承載安全監(jiān)控系統(tǒng)、精確定位系統(tǒng)(人員、車輛、井下智能交通)的大量數(shù)據(jù)接入，滿足監(jiān)測監(jiān)控多系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸節(jié)點多、實時性和穩(wěn)定性高[16]。

　　(4)礦用5G+融合通信系統(tǒng)承載網(wǎng)F5G工業(yè)光網(wǎng)可承載井下5G通信、4G通信、WiFi6、廣播通信等融合通信統(tǒng)一承載及傳輸，接入頂板、地壓、水文、粉塵等礦井災(zāi)害監(jiān)測;也可以接入機電設(shè)備故障診斷、光纖測溫等感知監(jiān)測，滿足智能化煤礦建設(shè)要求。

　　4結(jié)論

　　1)本論文論述了礦用F5G工業(yè)光網(wǎng)功能、F5G+5G融合組網(wǎng)設(shè)備及架構(gòu)、礦用井下F5G+5G一張網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)勢特點;分析了礦用F5G智能化建設(shè)方案的3個優(yōu)勢：無源光網(wǎng)絡(luò)滿足煤礦井下防爆要求、無源網(wǎng)絡(luò)自生長滿足煤礦井下定期移動需求、無源光網(wǎng)絡(luò)ONU支持802.1X認證業(yè)務(wù)安全需求。

　　2)針對智能化煤礦建設(shè)的業(yè)務(wù)需求，重點探討了礦用F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)的4種典型應(yīng)用場景：視頻監(jiān)控+邊緣分析、遠程控制網(wǎng)低延時實時傳輸、監(jiān)測監(jiān)控傳輸網(wǎng)、礦用5G+融合通信系統(tǒng)承載網(wǎng)，為F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)提供技術(shù)思路及方法。

　　3)礦用F5G全光工業(yè)網(wǎng)架構(gòu)具備PON網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點，契合煤炭行業(yè)對高安全的需求;但是礦用F5G架構(gòu)的智能化煤礦建設(shè)方案尚處于探索階段，目前沒有成熟案例可供研究參考，建設(shè)方案的可行性及實用性尚需進一步驗證分析。

　　4)筆者認為煤礦F5G的深入推廣應(yīng)用，需要煤礦生產(chǎn)企業(yè)，集成商，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商等協(xié)力合作，構(gòu)建創(chuàng)新、協(xié)同、開放、合作的煤礦F5G應(yīng)用生態(tài);同時也包括F5G防爆認證、研發(fā)適合礦用的F5G通訊產(chǎn)品、整合優(yōu)化F5G煤礦井下的解決方案，提升礦用F5G系統(tǒng)可用性技術(shù)層面的應(yīng)用生態(tài)環(huán)境等。

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　　作者：溫良1,2,3，吳文臻1,2,3，李起偉1,2,3