孫繼平教授，博士，博士生導師

原中國礦業大學（北京）副校長。獲國家科技進步獎和技術發明獎二等獎4項（第1完成人3項）；作為第1完成人獲省部級科技進步特等獎和一等獎8項；作為第1完成人主持制定中華人民共和國煤炭行業、安全生產行業和能源行業標準38項；作為第1發明人獲國家授權發明專利100余項；主持制定《煤礦安全規程》第十一章“監控與通信”；以第一作者發表SCI、Ei檢索論文100余篇，出版著作12部；作為國務院煤礦事故調查專家組組長參加10起煤礦特別重大事故調查工作。

煤炭是我國的主要能源，2021年我國煤炭產量41.3億t，但同時煤炭開采是高危行業，煤礦事故時有發生，主要包括瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、水災、火災、沖擊地壓、頂板冒落、爆破事故、機電事故、運輸事故等。近年來，通過煤礦智能化、信息化和自動化建設，煤礦安全形勢逐年好轉，事故起數、死亡人數、百萬噸死亡率均大幅下降。2021年全國煤礦共發生死亡事故91起，死亡人數178，百萬噸死亡率0.044。

進一步減少煤礦井下作業人員數量，是煤礦安全生產和煤礦智能化發展的必然選擇。煤礦井下設備無人操作、地面遠程控制，需要將煤礦井下視頻、音頻、傳感器和執行器等數據實時、準確地傳輸至地面調度控制中心，并將控制命令實時、準確地傳輸至被控設備。承載視頻、遠控等數據上傳和下達的信息綜合承載網，必須滿足大帶寬、低時延、高可靠等要求。因此，需對現有煤礦工業環網進行升級改造，以滿足地面遠控、5G等綜合承載需求。

現有礦用工業環網存在的問題

5G、人工智能、大數據等技術在煤礦的推廣應用，減少了煤礦井下作業人員數量和勞動強度，促進了煤礦安全生產。但現有礦用工業環網難以滿足煤礦監控、人員和車輛定位、視頻和音頻監控、語音通信、5G等多業務綜合承載要求，主要存在以下問題：

（1）井下多網林立，建設成本高

當前，井下視頻監控、安全監控、生產監控、人員定位、語音通信等不同業務系統采用不同的環網承載，造成井下多網林立。煤礦井下現有網絡多為工業交換機組網，交換機不支持時間同步、網絡切片等需求，不支持5G承載。

（2）網絡帶寬小

當前，井下環網大多只有1Gbit/s或10Gbit/s，考慮到煤礦井下綜采工作面和掘進工作面上百路高清攝像頭的規模部署，現有的環網帶寬已難以滿足要求。

（3）維護困難

傳統網絡管理手段單一，網絡出現故障時，往往需要運維人員下井插拔端口排查故障，故障定位和排除時間長、效率低。

煤礦智能化信息綜合承載網
技術要求

煤礦智能化信息綜合承載網既是實現地面遠控，減少井下作業人員數量的需要，也是煤礦監控、人員和車輛定位、視頻和音頻監控、語音通信、5G等多網合一的需要。煤礦智能化信息綜合承載網應滿足以下技術要求：

（1）傳輸帶寬大

以全景視頻拼接的遠控采煤為例，長度300m的綜采工作面大約需要200臺防爆攝像機，每臺4K高清礦用攝像機數據壓縮后平均傳輸帶寬按20Mbit/s計算，1個綜采工作面平均需要傳輸帶寬約4Gbit/s。此外，煤礦井下有多個采掘工作面，巷道長度大（巷道累計長度達幾十千米），機電硐室多，機電設備和礦用車輛多，需要大量的礦用攝像機、傳感器和執行器。因此，綜合承載網所需的傳輸帶寬將超過萬兆。

（2）傳輸時延小

傳輸時延是實現地面遠程實時控制的關鍵，綜合承載網傳輸時延越小越好。為滿足地面遠程實時控制的需要，綜合承載網傳輸時延應不大于20ms。

（3）可靠性高

可靠性是實現地面遠程可靠控制的關鍵，綜合承載網可靠性越高越好，支撐遠控的承載網可靠性應大于99.99%。

（4）多業務綜合承載

煤礦井下有監控、定位、音頻、視頻4大業務，對傳輸帶寬、實時性、可靠性有不同的要求。因此，“一張網”綜合承載礦井監控、定位、視頻、音頻和遠控等業務，應按業務等級和不同需求分配通信鏈路。

（5）本質安全防爆

煤礦井下所有防爆類型中，本質安全防爆安全性最好。因此，綜合承載網設備應優先本質安全型防爆。

基于網絡切片路由器的
礦用綜合承載網

在傳統以太網的基礎上，網絡切片路由器具有5G承載、網絡切片、帶寬易擴展、可靠性高等特性，加持了基于IPv6的SRv6隧道技術、隨流檢測技術等，并引入了SDN網絡控制器作為煤礦網絡的神經中樞，使網絡的業務開通、業務擴展及網絡運維實現智能化。相對于傳統的交換機環網，基于網絡切片路由器的礦用綜合承載網絡（圖1）具備以下優點：

圖1 基于切片路由器的礦用綜合承載網絡架構

（1）支持5G承載

傳統的煤礦工業交換機不支持同步以太網、IEEE1588v2等協議，無法滿足5G基站精確時間同步的要求，因此無法直接接入5G基站。基于網絡切片路由器的礦用綜合承載網具有時鐘同步功能，支持5G承載。

（2）網絡切片，保障時延敏感業務的低時延

網絡切片技術是解決煤礦井下多網林立問題的關鍵技術。網絡切片可以在一張物理網絡上切分出多個轉發資源嚴格隔離的網絡平面，不同的平面之間不僅可以做到邏輯隔離，業務信息的傳輸時延也能做到互不影響。網絡切片技術可以將當前井下新建的5G承載網和井下眾多工業以太環網合并為“一張網”，不同的切片網絡分別承載安全和生產監控、人員和車輛定位、視頻和音頻監視、5G、語音通信等不同業務，這樣可大幅降低井下網絡設備數量，減小維護難度和工作量。

（3）穩定可靠，拒絕網絡風暴

傳統的礦用網絡通常采用純二層的以太組網，容易導致因人工配置錯誤或連線錯誤發生網絡風暴。而網絡切片路由器是三層組網，業務流量不再是簡單的以太報文查MAC表轉發，而是IP路由三層轉發。路由協議可以保障網絡無環路，因此可杜絕網路風暴的發生。

（4）帶寬大

傳統礦用以太網交換機鏈路帶寬一般不大于萬兆，難以滿足綜采工作面視頻拼接、主運智能檢測等需求。網絡切片路由器骨干環網的帶寬可以達到5萬M和10萬M，可以滿足綜采工作面視頻拼接、主運智能檢測等需求。

（5）本質安全型路由器防爆安全性好，便于安裝維護。

現場應用

隨著國內越來越多的煤礦企業選擇網絡切片路由器構建智能礦山信息綜合承載網絡，5萬M/10萬M網絡切片路由器建網模式逐漸成為行業共識。

國能神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦選擇井下通信“一網一站”建設模式，使用網絡切片路由器工業環網統一承載移動通信、人員定位、廣播通信等業務，解決了井下系統多、分站多的難題，為井下安全生產提供保障。上灣煤礦“一網一站”井下路由器匯聚站點如圖2所示。

圖2 上灣煤礦“一網一站”井下路由器匯聚站點

潞安化工集團有限公司新元煤礦通過網絡切片路由器建設井下“一張網”，支撐了全國首個煤礦5G網絡建設及應用，在采掘工作面遠程操作、機器人無人巡檢、物聯網應用、視頻AI 識別等方面開展了大量的原創性研究工作。新元煤礦井下環網匯聚站點如圖3所示。

圖3 新元煤礦井下環網匯聚站點

巴音孟克納匯煤炭有限責任公司選擇本安型網絡切片路由器建設井下工業環網，承載工業控制、視頻監控等業務，很好地支撐了中長期的智能化業務規劃。巴音孟克納匯煤礦本安網絡切片路由器如圖4所示。

圖4 本安網絡切片路由器

上述煤礦企業在煤礦網絡建設領域的成功實踐，標志著煤礦企業對礦山網絡建設重視程度的提高，網絡規劃更具前瞻性。5萬M/10萬M帶寬的網絡切片路由器（圖5）正在成為智能礦山網絡建設的趨勢，也將為礦山智能化發展奠定ICT基礎。

圖5 礦用井下5萬/10萬M網絡切片路由器設備

來源：《智能礦山》2023年第1期