F5G技术在煤矿井下的应用

F5G技术在煤矿井下的应用

廖燕平

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省 常州市 213015

摘要：随着F5G通信技术在煤矿领域的广泛应用，井下的全光网络通信技术注定会成为未来煤矿通信的主导技术。F5G与5G之间实现了高效的合作，相互补充，旨在增强用户对网络的感知能力。鉴于此，本文主要分析F5G技术在煤矿井下的应用。

关键词：煤矿井下；F5G技术；应用

中图分类号：TD67   文献标识码：

1、引言

中国工程院的院士王国法，最近指出：“F5G光网作为新一代的矿业网络基础设施，将成为煤矿智能化建设的一条信息高速公路。这将进一步加强煤矿多源信息的实时感知，实现人-机-环-管数字互联的高效协同，降低安全管控的风险，推动生产现场的全自动化作业”。

2、F5G概念与特点

2.1、F5G的定义

随着移动5G技术的飞速发展，固定网络也相应地引入了F5G这一新概念。F5G专为具有千兆、万兆、十万兆带宽、低延迟和大连接的固网环境而设计，为我国新的基础设施建设提供了强大的支持。

相较于过去的固定网络技术，F5G选择了10GPON作为其标志性的技术，它鼓励“光联万物”的理念，并拥有高达万兆的超宽接入容量。

2.2、F5G的特点

与5G的增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMMB),大规模机器类型通信(Massive Machine Type Communication,mMTC),超高可靠与低时延通信(Ultrareliableandlowlatencycommunication,uRLLC)三大场景特征类似,F5G也提出了3个关键特点.分别是全光联接(Full-Fiber Connection,FFC),增强型固定宽带(Enhanced Fixed Broadband,eFBB)和极致体验(Guaranteed Reliable Experience,GRE)。

其中FFC主要是通过光联万物光纤接入（Fiber to the X,FTTx）技术及新的光分配网（Optical Distribution Network,ODN）架构工艺与技术来实现。

eFBB目前通过10GPON,WiFi6的高带宽低成本的演进，以及200G/400G光传送网（Optical Transport Network,OTN）的大带宽和高性能实现。

GRE通过使用软件定义网络（Software Defined Network,SDN）/网络功能虚拟化技术（Network Functions Virtualization,NFV）和其他可编程技术来提高网络敏捷性和互通性以及业务质量。

通过这些功能,F5G拥有所决定的大带宽，大量连接以及低时延零丢包，能够提供覆盖面广的高质量固网连接，今后将达到每平方公里10万级连接覆盖，比上代网络带宽高10倍，可靠性稳定。

3、煤矿井下F5G网络

3.1、网络拓扑图

煤矿井下网络的施工，需从可靠的通讯，稳定的通讯（抗干扰）和便捷的施工着手。针对上述要点和全光技术特点设计了适用于煤矿井下全光冗余技术组网方案。

通信主机实行一主一备，手拉手保护，两台主机之间相互冗余备份。每项本地业务既与主机保持联系，又与备机保持联系，但本地业务仅与主机或备机的其中之一数据通信，在主机或备机发生故障时备机开始运行。在全部设备和光缆都正常的情况下，从本地业务1到4都仅与中心主机A进行通讯。当光缆断开m处时，本地业务3和本地业务4与备用主机通信，本地业务1和本地业务2与主机通信。当光缆在n处断开时，本地业务1~3与通信主机通信，本地业务4与备用主机通信。

3.2、网络级联

煤矿井下环境是巷道模式，在开采持续进行的过程中巷道也会随之扩展，所以在全光网络通信中需考虑网络设备加入预案，否则在生产后期，网络通信将陷入瓶颈而无法达到应有的效果。常规全光网络分光器件都是均衡分光，其输出比可不用考虑分光器件安装问题，更容易安装。但是在这种方式中分光器件损耗过大，造成级联分光的比级数较小，本地业务量较大，发生故障后通信中断设备较多且影响面相对较大，这种方式一般不适合煤矿环境使用。

由于光设备的信号发送功率与接收灵敏度保持不变，所以只能通过分光比来考虑如何延长分光器串联级数。分光器的设计是不平衡的分光器,80%光功率持续停留在主干线中，确保主干线光功率较高，实现级联级数提高；20%光功率是本地业务功率。

4、F5G技术在煤矿井下的应用

4.1、矿井F5G网络架构

矿井F5G利用环形结构来提高网络的可靠性，矿井F5G网络技术被称为工业光环网技术（IndustryOpticalRing,IOR）。F5G工业光环网主要包括光环网头端设备，光环网终端设备和无源光环网设备三大部分。整个矿井F5G网络架构中光环网头端设备通常位于井上，光环网终端设备位于井下并由无源光环网设备（光缆和分光器）相连。光环网终端设备向外输出标准以太网光口及电口等信息，如：监控摄像头，传感器分站等设备可以与光环网终端设备直接连接。

4.2、F5G＋5G融合组网架构

F5G作为5G的承载网，其本身可实现微秒级低时延，并为5G承载专门提供高精度时钟同步、业务隔离功能,5G的BBU可直接接入到光环网终端设备（5G携带光环网的终端设备通常是10GE的光口），实现井下F5G+5G一张网传输。井下F5G+5G一张网有如下2点优点：

（1）可以简化整个井下网络的构造，实现井下多网的统一布置，解决了井下原有多张环网，网重复施工，运维困难等难题。（2）在F5G网络的井下主要设备中，仅有光环网的终端设备，使井下设备变得更安全和简便。总的来说，F5G+5G井下一张网可以解决原有井下网络的分散性，使多个“小路”合并为一个网络“高速公路”，使得井下网络能够最终达到统一，整合的目的，对煤矿的智能化建设奠定了通信网络传输的基础。

4.3、高清视频回传

随着矿山智能化建设的逐步展开，视频监控对安全生产起到了越来越重要的作用。传统的工业以太网环型网络带宽利用率只有50%，剩下的是冗余带宽。承载视频所占带宽过大会造成整个网络的不稳定性，具体表现在视频卡顿，丢帧和网络传输中断等方面。随着大量视频监控点的增多，网络的总带宽将变得越来越不够用，这就会造成视频传输分辨率的下降和监控画面质量的降低，从而影响矿井的安全生产。以400万像素摄像头为例,1台摄像头占用带宽为10Mibit/s,千兆工业交换机环网可承载摄像头仅为50台，万兆为500台。而且F5G工业光环网带宽利用率更高，可以搭载更多的视频监控设备。且它以其特有的组网方式使扩容方便、带宽上限大、时延小等特点能较好地适应智能化矿山视频监控组网、工业控制等要求。

4.4、煤矿F5G应用生态建设

煤矿F5G技术的深度推广和应用要求整个产业链，包括煤矿生产企业，集成商和网络设备供应商协力合作建设创新，协同和开放。煤矿企业F5G使用生态中，煤矿生产企业需分步实施，逐步将F5G推广到全矿井；集成商需要完成F5G煤安防爆认证并对F5G煤矿井下解决方案进行集成和优化，以增强矿用F5G系统的可用性和适用性；网络设备供应商根据煤矿自身特点开发出了本安型光环网终端设备等适用于矿用的F5G通讯产品，达到了整合，统一井下网络的目的，有利于煤矿智能化的发展。

5、结束语

伴随着我国矿井开采的规模与深度逐渐加大，井下作业难度不断加大，矿井通信网络对于煤矿的生产，安全具有更加重要的意义。矿井通信网络承载了矿井视频监控、通信、工业控制等多种信息的传输，对安全生产和调度起着至关重要的作用。由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献：

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