2021年3月,中国煤科·煤炭科学技术研究院有限公司和华为技术有限公司共同发布了F5G智能化煤矿应用方案和白皮书;在国家矿山安全监察局的见证下,双方联合中国煤科所属安标国家矿用产品安全标志中心有限公司、中煤科工能源科技发展有限公司共同成立了“智能矿山联合实验室”,标志着F5G技术在煤炭行业的普及正式启动。2021年下半年,国家能源局将F5G技术写入了《智能化煤矿验收管理办法(试行)》规范,为煤矿网络技术选择给出了指引参考。

聚焦“煤矿智能化”和“矿用网络技术”等话题,华为走访了中国矿业大学(北京)原副校长孙继平教授,孙教授阐述了煤矿智能化发展方向,认为F5G和网络硬切片技术是煤矿智能化建设的关键技术,是矿井有线宽带传输系统的必然选择,将与5G协同,为煤矿智能化构筑一条通畅的信息高速公路。

　　孙继平教授

煤炭是我国主要的能源,在一次能源生产和消费结构中,煤炭占比均超过六成,是我国能源供应的压舱石。大型化、智能化、机械化是现代化煤矿发展的方向。为了加快煤矿智能化建设,国家发改委、能源局等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,目标就是促进智能化技术与煤炭产业融合发展,提升煤矿智能化水平,完善煤矿生产主要环节的信息化传输和自动化运行技术体系,实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。

煤矿智能化落脚点是安全,关键支撑是大带宽、低时延、高可靠网络

煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的核心,其目标是采煤效率提升、生产安全升级和井下少人无人化。煤矿智能化发展,是通过有线和无线宽带网络、物联网、GIS、人工智能、大数据等技术,以新联接技术为底座,达成煤矿全息业务的闭环运行体系,实现远程控制和维护;智能化的目标,在于实现智慧化分析决策和系统预测预判,释放更大的生产力。此外,智能化的另一个目标是解放人力,井下的工作人员越多,发生事故时遇险人员就越多,减少井下人员其实是个安全问题。孙继平教授认为,煤矿智能化建设的目标,就是减人、提效、保安全;当务之急是建好煤矿信息高速公路,为矿井监控、通信、定位、监视、地面远程控制等,提供大带宽、低时延、高可靠、广接入的信息传输通道。

未来矿山需要全矿井一体化信息传输网

在井下作业环境,涉及通信与信息交互的场景包含传感监控、调度通信、人员和车辆定位及煤矿视频监视等,目前至少有矿用有线调度通信网、煤矿安全监控网和矿用工业环网3张网,如果煤矿井下使用5G,还需增加矿用5G通信网,至少有4张网,增加了网络部署和运维难度,增加了煤矿企业网络建设成本,需要更多的网络维护人员,不利于减少井下作业人员。如果采用同一张网络承载不同类型的业务,传统网络采用QoS服务质量机制,一般情况下,可以保证最高优先级应用的实时性和可靠性,但当多路接口信号同时汇入且数据量大时,最高优先级业务的质量也难以保证。

孙继平教授认为,为简化煤矿网络部署和维护,且实现监控、人员及车辆定位、视频和语音通信等多种井下业务的高可靠承载,井下多张网络融合是未来的必然趋势,而不同业务间需要实现硬管道的隔离能力。硬管道能力,是将不同业务隔离在多个信道上,每个信道分配一定的带宽,不同业务可以分配不同的信道,信道之间互不影响,保证所有业务的高可靠、低时延承载。因此,矿山的智能化建设,需要一张支持硬管道技术的全矿井一体化信息传输网。

煤矿智能化建设,F5G扮演着重要角色

井下网络技术面向未来发展,要满足安全可靠、长距离、大带宽和低时延的业务承载能力。基于光纤的网络在满足以上需求的基础上,通过无源分光器取代了传统网络的汇聚层设备,极大程度减少了危险环境中电火花风险,是未来井下通信技术发展的必然方向。

由欧洲电信标准协会提出,F5G基于两层点到多点网络架构,不同于传统工业以太的逐层汇聚网络架构,F5G的头端节点部署在井上机房内,末端的光终端部署在井下,末端和头端间长达数十公里的范围内,都是由无源光器件组成,极大简化了网络部署和运维,大幅提升了井下的安全性。基于光纤无源免取电的优势,华为在煤矿场景需求持续创新,推出了本安型F5G工业光终端,实现了井下网络设备全部本质安全。孙继平教授认为,这是F5G在井下部署最核心的价值。

F5G融合了时分复用技术和波分复用技术,实现了端到端网络硬隔离,保障业务安全可靠承载。孙教授认为,具备硬管道能力的F5G技术将是矿井智能化建设过程中新的主力网络方案,将是解决井下海量数据传输的重要选择。通过F5G技术,可实现监控、人员及车辆定位、视频和语音通信等业务的在一根光纤上的统一承载,F5G将协同网络硬切片和5G技术,搭建构筑一条通畅的井下信息高速公路。

矿井下生产作业环境,粉尘大、潮湿、狭小且照度低,井下网络故障发生时,人工排查和维护的难度较大。为了提升矿井网络运维效率,华为推出创新的DQ ORP方案,通过标记光路和无源光器件,基于图像识别点亮光纤网络,实现了光链路和器件的精准可视化,井上对井下网络质量、断纤位置等信息一目了然,目前光路诊断技术定位精度可达米级,减少了90%的井下维护时间,提升了运维工作的安全系数。

煤矿井下环境恶劣、设备维护困难。用于煤矿井下的网络设备必须简单、可靠、免维护、易维护。华为推出了预连接技术,可实现光器件在井下的快速连接,避免了井下光纤熔接机的使用,保证了井下网络部署的安全性。此外,煤矿工作面定期移动,尤其远程控制类业务可能需要新增接入信息节点,华为光终端,即插即用免配置,降低了方案的技术门槛。

孙继平教授认为,华为推出的DQ ORP方案和预连接方案是F5G技术结合煤矿应用的重要创新,会进一步加速技术普及。目前煤矿智能化推进正处于示范矿建设阶段,孙继平教授针对技术应用给出了指导意见,认为场景融合、技术协同是矿山网络建设的方向,尤其有线和无线技术之间要做好场景互补;另外,随着技术创新应用,光纤在矿井的应用将不止于通信,光纤传感技术也将推动煤矿生产安全进一步升级。

持续引领产业创新,华为与煤科院等产业伙伴协同,推进F5G在煤矿大省的商用加速和生态构建。截至目前,F5G矿山商用部署已超40个,包含延长石油巴拉素煤矿、陕煤化红柳林煤矿、永煤陈四楼煤矿、贵州豫能新田煤矿等,F5G的商用部署将持续推进煤矿智能化建设。（中国网）