摘要：為進一步加快F5G技術在煤礦中的認知和應用普及，促進我國煤礦智能化發展起到積極推動作用，基于F5G新技術，針對礦用F5G全光工業網架構具備PON網絡大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優勢特點，滿足以物聯網、云計算、大數據、人工智能、自動控制、移動互聯、機器人為技術基礎的智能化煤礦建設對高安全需求;本論文論述了礦用F5G工業光網功能、F5G+5G融合組網設備及架構，分析了礦用井下F5G+5G一張網應用優勢特點;重點探討了礦用F5G智能化建設方案的無源光網絡滿足煤礦井下防爆要求、無源網絡自生長滿足煤礦井下定期移動需求、應用場景的業務安全等3個方面的優勢;研究了礦用F5G架構的智能化煤礦建設的4種典型應用場景：視頻監控+邊緣分析、遠程控制網低延時實時傳輸、監測監控傳輸網、礦用5G+融合通信系統承載網，為F5G架構的智能化煤礦建設方案提供技術思路及方法。文中論述的礦井F5G網絡建設特點、網絡架構、應用場景、優勢及生態等，為推動建設礦用F5G+智能化煤礦方案在煤礦井下的應用，有力促進煤炭工業的高質量發展;同時，煤礦F5G的深入推廣應用，也需要全行業包括煤礦生產企業，集成商，網絡設備供應商等的協力合作，構建創新、協同、開放、合作的煤礦F5G應用生態。

　　關鍵詞：F5G+5G融合組網架構;無源光網絡ONU;智能化煤礦;網絡傳輸層;典型應用場景;應用生態

　　引言

　　智能化是煤礦技術發展的最高形式，也是第四次煤炭技術革命[1];智能化煤礦建設，開啟煤礦行業全面創新和技術變革。智能化煤礦建設是基于現代智慧理念，將物聯網、云計算、大數據、人工智能、自動控制、移動互聯、機器人技術及裝備應用到現代化煤礦開采;深度融合煤礦“人-機-環-管”多源異構信息，建立一個庫、一張網、一個平臺和一張圖設計理念[2]，智能化煤礦建設平臺總體架構從頂層規劃實現統一數據、統一模型、統一平臺、統一方案，完成礦山企業全要素數據的精準實時采集、統一規范集成、多維可視化展現和智能決策分析，實現礦山安全生產的透明化、自動化、智能化管理[3-4]，達到真正實現智能化減人的目標，踐行倡導的煤炭資源開采的“安全、高效、智能、綠色”理念。

　　2019年6月，首次由中國提出F5G(第五代固定網絡，The5thgenerationFixednetworks)，ETSI歐洲電信標準協會接納，業界廣泛參與。F5G與5G是協同關系，有線網絡和無線網絡互相補全，提升網絡應用和感知。ETSI定義F5G與5G一起共同開啟萬物互聯時代。F5G全光工業網契合煤炭行業對高安全的需求，采用全預連無源光器件，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智能化煤礦應用，促進F5G技術與煤礦智能化的深度融合，共建可持續發展的智能礦山產業生態;F5G架構的智能化煤礦建設，可實現設備和安全數據的實時可靠傳輸;為礦山生產安全保駕護航，提高事故預警和防控能力。

　　本文著重探討了適合煤礦井下應用的F5G智能化煤礦的建設方案、優勢特點、典型應用場景等，以期為F5G架構的智能化煤礦建設提供技術思路及方法。

　　1礦用F5G工業光網功能

　　礦用F5G工業光網架構是基于PON技術的新型工業局域網組網方案，繼承了PON網絡大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優點，同時組網上考慮工業網絡高可靠要求，支持TypeC雙歸屬保護，實現ONU手拉手保護，保證網絡每個環節都做到冗余保護。終端側部署的ONU按照工業級產品設計，滿足工業上耐高溫、抗振動等苛刻環境要求。

　　為了滿足工業終端多種網絡接口的需求，ONU側同時支持GE電口以及RS485/RS232串口;接入設備側采用ODN預鏈接方案，免熔接多級分光擴展，esight作為網管運維管理工具，可智能、簡便的進行業務發放及日常運維管理。F5G可承載煤礦井下智能開采、掘進、運輸、安全監控等系統的各類以太信號回傳，主接頭盒往接入設備側采用ODN預鏈接方案，免熔接多級分光擴展。F5G工業光網具有以下特性滿足煤礦井下多系統融合、多元異構數據的通信傳輸要求[5-7]。

　　(1)VLAN業務隔離規劃F5G工業光網采用二層數據承載技術，使用VLAN技術來對不同業務劃分不同的VLAN，滿足不同業務網絡相互隔離。井下多個生產、智能化子系統使用不同的VLAN進行業務隔離，多個系統互不影響。

　　(2)QoS功能F5G服務質量QoS可實時評估井下各類數據服務需求，高可靠面向業務提供端到端的服務質量保證。全光POL網管平臺統一對OLT、ONU設備集中管理，實現業務高帶寬、低時延、防抖動等指標的靈活部署、資源統一管理、集中故障監測。

　　(3)高可靠安全保障F5G全光網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網絡支持上下行雙向AES加密傳輸;工業光網支持防DDOS攻擊、防DHCPsnooping等網絡安全措施。

　　(4)運維管理功能F5G工業光網網絡系統滿足井下環境的監控和運維管理，采用融合運維管理平臺esight，支持服務器虛擬化，交換機、路由器、WLAN、防火墻、PON、eLTE、統一通信、智真、視頻監控等設備以及應用系統和機房設施的統一管理。

　　2礦井F5G工業光網絡架構

　　2.1礦用F5G網絡設備構成

　　礦用F5G在煤礦應用主要包含3個產品，分別為：光環網頭端設備(OpticalRingHead，ORH)、光環網終端設備(OpticalRingEnd，ORE)及無源光環網設備(OpticalRingPassive，ORP)[8]。

　　(1)ORHORH是工業光環網頭端設備。ORH設備的主要功能為匯聚井下各種業務數據流，并上傳到是數據中心，同時把數據中心控制數據下發到井下各設備;管理井下ORE設備。ORH設備網絡側通過千兆、萬兆等以太網接口與核心交換機通信，用戶側提供工業光接口接入井下網絡。

　　(2)OREORE設備是工業光環網終端設備，安裝在井下，必須支持防爆;也可以使用本安型ORE使井下網絡更加簡化。ORE網絡側通過ORP分光器與ORH的工業光接口連接，用戶側通過以太網口、工業串口(RS485)連接井下各終端設備，ORE把井下各終端的數據，通過ORP上傳到ORH設備，同時把ORH設備下來的數據傳送給各終端設備。ORE可以通過ORP來實現遠程業務發放、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需求。用戶側接口一般為以太網光口或電口，同時根據業務需求提供串口等工業接口。

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

　　2.2礦用F5G+5G融合組網架構

　　礦用F5G+5G的網絡架構，采用環形結構提升網絡可靠性;ORH一般在井上，ORE在井下，通過ORP(光纜和分光器)連接。

　　ORE對外出標準的以太網光口和電口，井下設備可直接接到ORE上。F5G作為煤礦井下主干網絡，將井下安全監控網、視頻監控網、人員定位、5G網絡統一接入。(按照安規要求，安全監控網需要和其它網絡接入到不同光纖芯上，實現分芯傳輸)。F5G作為5G承載網，F5G本身可實現us級低時延，并為5G承載專門提供高精度時鐘同步、業務隔離功能，5G的BBU可直接接入到ORE(5G承載ORE一般為10GE光口)，實現井下F5G+5G一張網傳輸。具有以下優勢：

　　(1)整個井下網絡結構極大簡化，井下多網統一部署。解決井下原來多張環網、網絡重復建設、難以運維的問題。F5G網絡井下有源設備只有ORE，井下設備更加安全、簡單。

　　(2)。F5G+5G井下一張網改變原來井下分散網絡，讓多條“小路”融合成一條網絡“高速公路”，使網絡最終實現統一、融合、智能，為煤礦智能化提供高可靠性保障。

　　2.3礦用F5G智能化方案優勢

　　F5G全光工業網契合煤炭行業對高安全的需求，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，F5G智能化煤礦應用方案可以為智慧礦山建設提供有力的技術支撐。

　　(1)無源光網絡滿足煤礦井下防爆要求礦用F5G全光工業網采用兩層網絡架構和無源光環網，無需防爆認證，可減少40%的防爆箱使用，降低井下電火花風險，提升礦井下的電氣安全性;F5G全光架構設計，逐級匯聚到集中管理，減少匯聚層，帶電設備大幅簡化，使井下設備更加簡單便捷。

　　(2)無源網絡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，井下設備需要高可靠、易擴展、易拆裝，易維護等特點，F5G無源全光網絡可以實現末端自生長、光電分離、模塊化，預連接、免熔纖、新增節點不影響已有設備的正常運行，米級故障定位，拓撲可視，充分適合煤礦作業面變化。

　　(3)業務安全無源光網絡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網絡支持上下行雙向AES加密傳輸;工業光網支持防DDOS攻擊、防DHCPsnooping等網絡安全措施;高可靠環網設備級、鏈路級的“1+1”冗余保護，并且支持30ms保護倒換，可應對井下多重設備和鏈路失效，保障業務“0”中斷。

　　3.礦用F5G典型應用場景

　　F5G工業光網可以接入井下感知控制層的各種設備，包括智能采掘、智能運輸、智能供電、智能通風、機器人等接入設備[12]，也可以接入環境感知、位置感知、視頻感知、調度感知、通信感知、災害感知等感知設備，成為煤礦井下基礎設施層的主干網絡[13-15]。以下分析4種礦用F5G典型應用場景[16-20]。

　　(1)視頻監控+邊緣分析F5G工業光網接入在井下重要場所、工作面等區域視頻監控;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F5G工業光網是井下的遠程控制網，因其實時性好，遠程控制低延時，可靠性、抗干擾、業務0中斷等特點;可以接入工作面、變電所、皮帶、水泵、壓風機、機器人等系統，實現運行環境及工況遠程監測，采煤機、掘進機、水泵、壓風機、開關等設備遠程控制。

　　(3)監測監控傳輸網F5G工業光網承載全礦井監測監控傳輸網，承載安全監控系統、精確定位系統(人員、車輛、井下智能交通)的大量數據接入，滿足監測監控多系統的異構網絡架構、傳輸節點多、實時性和穩定性高[16]。

　　(4)礦用5G+融合通信系統承載網F5G工業光網可承載井下5G通信、4G通信、WiFi6、廣播通信等融合通信統一承載及傳輸，接入頂板、地壓、水文、粉塵等礦井災害監測;也可以接入機電設備故障診斷、光纖測溫等感知監測，滿足智能化煤礦建設要求。

　　4結論

　　1)本論文論述了礦用F5G工業光網功能、F5G+5G融合組網設備及架構、礦用井下F5G+5G一張網應用優勢特點;分析了礦用F5G智能化建設方案的3個優勢：無源光網絡滿足煤礦井下防爆要求、無源網絡自生長滿足煤礦井下定期移動需求、無源光網絡ONU支持802.1X認證業務安全需求。

　　2)針對智能化煤礦建設的業務需求，重點探討了礦用F5G架構的智能化煤礦建設的4種典型應用場景：視頻監控+邊緣分析、遠程控制網低延時實時傳輸、監測監控傳輸網、礦用5G+融合通信系統承載網，為F5G架構的智能化煤礦建設提供技術思路及方法。

　　3)礦用F5G全光工業網架構具備PON網絡大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優點，契合煤炭行業對高安全的需求;但是礦用F5G架構的智能化煤礦建設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的深入推廣應用，需要煤礦生產企業，集成商，網絡設備供應商等協力合作，構建創新、協同、開放、合作的煤礦F5G應用生態;同時也包括F5G防爆認證、研發適合礦用的F5G通訊產品、整合優化F5G煤礦井下的解決方案，提升礦用F5G系統可用性技術層面的應用生態環境等。

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　　作者：溫良1,2,3，吳文臻1,2,3，李起偉1,2,3