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井下新一代网络技术白皮书

井下新一代网络技术白皮书

华为技术有限公司 地址:深圳市龙岗区坂田华为总部办公楼邮编:518129 网址:https://www.huawei.com 客户服务邮箱:support@huawei.com客户服务电话:4008302118 版权所有©山东能源集团、华为技术有限公司2024。保留一切权利。 本报告中所涉及的图片、表格及文字内容的版权归山东能源集团、华为技术有限公司所有。其中部分数据在标注有来源的情况下,版权归属原数据公司所有。本白皮书取得的部分数据来源于公开资料,如有涉及版权纠纷问题,请及时联络我们。 井下新一代网络 技术白皮书 山东能源集团有限公司 华为技术有限公司 任何机构,个人在引用本白皮书的数据或转载白皮书相关内容时,需注明来源。 商标声明 和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标。 本文档提及的其他所有商标或注册商标,由各自的所有人拥有。 注意 您购买的产品、服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束,本文档中描述的全部或部分产品、服务或特性可能不在您的购买或使用范围之内。除非合同另有约定,华为公司对本文档内容不做任何明示或暗示的声明或保证。 由于产品版本升级或其他原因,本文档内容会不定期进行更新。除非另有约定,本文档仅作为使用指导,本文档中的所有陈述、信息和建议不构成任何明示或暗示的担保。 目录CONTENTS 编写说明01 引言02 1.煤矿智能化业务发展对通信网络的要求03 1.1煤矿智能化业务发展概况03 1.2煤矿智能化对通信网络的要求05 2.煤矿井下网络的现状和挑战06 2.1煤矿井下网络的现状06 2.2煤矿井下网络的挑战07 3.煤矿井下新一代网络解决方案08 3.1煤矿井下新一代网络定义08 3.2煤矿井下新一代网络架构08 3.3煤矿井下新一代网络关键特征09 3.4煤矿井下新一代网络关键技术10 4.基于智能IP技术的井下新一代网络优势17 5.煤矿井下新一代网络应用场景18 6.煤矿井下新一代网络实践20 6.1李楼煤业有限公司井下新一代网络实践20 7.总结与展望25 8.缩略语26 9.相关规范27 编写说明引言 编写说明引言 本白皮书在撰写过程中得到了多家单位的大力支持,在此特别感谢以下顾问专家、著作单位和参编人员。 顾问专家: 孙继平 著作单位: 山东能源集团有限公司华为技术有限公司 参编人员: 山东能源集团有限公司: 王立才、徐加利、胡立全、侯双双、张硕、杨木易、汪洋、李奇蓬、崔希国、杜晓斌 华为技术有限公司: 蒋旺成、赵志鹏、程剑、古锐、杨新峰、陈文丰、杨宗莹、孙建刚、刘英彬、余建东、项凌、宋双、王思生、孙志勇、田哲恺、王萍萍、罗武军、杜俊杰 2020年2月26日,国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部等八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源 〔2020〕283号),明确了煤矿智能化发展的阶段性目标:2021年,建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿;2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化,形成煤矿智能化建设技术规范和标准体系;2035年,各类煤矿基本实现智能化,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体 系。因此,加快推进煤矿智能化建设是保障煤炭安全稳定供应的关键举措,是实现煤炭行业高质量发展的必由之路。煤炭行业正全面贯彻党的二十大精神,紧紧抓住当前煤矿智能化建设的历史机遇和有利局面,强化责任担当,细化政策措施,以开拓进取、奋发有为的精神状态,全力推进煤矿智能化建设。 山东能源集团有限公司(以下简称“山东能源集团”)深入贯彻落实党中央、国务院“四个革命、一个合作”能源安全战略,大力实施煤矿智能化建设,加快推进机械化换人、自动化减人、智能化少人,技术装备、创新能力、管理水平得到明显提升。目前,山东能源集团矿井智能化生产水平居行业前列,9处矿井入选首批国家级智能化示范矿井并已全面通过验收。 山东能源集团和华为技术有限公司成立联合创新项目组,针对井下新一代网络的建设和发展方向进行了深入探索和实践。此白皮书基于先进的网络信息通信技术在山东能源集团的创新成果,阐述并总结了煤矿井下网络的网络架构、网络优势及发展方向。目的是进一步深化先进网络技术在煤矿领域的应用,帮助煤矿行业实现网络的换代升级,助推煤矿智能化发展。 0102 煤矿智能化业务发展对通信网络的要求煤矿智能化业务发展对通信网络的要求 01 煤矿智能化业务发展 对通信网络的要求 1.1煤矿智能化业务发展概况 智能化煤矿建设开启了煤炭行业全面创新和技术变革的新时代,煤矿井下通信网络是煤矿智能化建设的基础。随着煤炭行业向智能化发展,煤矿随探随掘或超前探测、复杂条件智能开采、煤矿机器人、辅助设备远程操控、安全隐患监测预警等智能化应用快速发展,对工业网络的可靠性、高带宽、低延时、简单运维等方面提出了更高的要求。 山东能源集团党委书记、董事长李伟在其署名文章《推进企业绿色低碳转型和高质量发展》中表示,煤矿智能化发展,需要企业不断推进研发创新,聚焦主导产业,“强基补链”“一业一策”提升产业创新能力,攻克一批关键核心技术。做到智能开采技术领先行业,引领煤炭行业第四次技术革命。在煤矿智能化建设过程中,华为希望将先进的ICT技术与煤矿行业深度结合,发挥各自优势,助力煤矿行业数字化和智能化转型,实现“少人、安全、增效”。围绕整个目标,行业也实践了一批智能化应用,这包括: 高清视频类应用 要把生产控制从井下移到井上,需要能够在井上对于井下的各个工作场景看得清、看得全,尤其是采煤工作面。通过部署高清摄像头,结合全景视频拼接和人工智能算法,可为井下集控中心和井上调度中心的工作人员真实地还原综采工作面的作业现场,较好地实现对综采工作面远程监控和操控,向井下少人无人的目标迈近重要一步。 安全监测类应用 为保证井下安全、高效的生产作业,需要对煤矿生产过程中的各项环境指标进行实时的监测,例如瓦斯浓度、温度、湿度等,各项数据通过可靠的网络回传至数据管理控制中心,为管理人员提供决策支持,提高煤矿井下作业安全性,帮助煤矿企业优化生产和管理流程。 无线通讯类应用 井下存在大量的移动场景,包括综采面、掘进面、机器人巡检、基于智能单兵装备的巡检等,部分矿井已部署井下Wi-Fi或5G(5thGenerationMobileCommunication,第五代移动通信系统,简称5G)等无线通信网络,满足移动作业场景的需求。如:综采面和掘进面基于5G网络低时延、高可靠的特性实现装备的远程操作;巡检机器人代替人工在井下实现硐室巷道巡检视频、环境数据的实时回传;工人借助信息化矿灯,在井下与井上指挥中心随时随地通讯,实现井上井下面对面,工作更安全高效。 远程控制类应用 提升生产安全和实现井下无人少人是煤矿智能化的目标,传统煤矿采煤工作面设备噪声大、粉尘浓度高、事故频发,人员健康受到严重威胁。通过先进的ICT网络技术,将人员从工作面解放出来,实现采掘作业远程控制,提升生产的安全性。此外,还可通过远程操控机器人,实现对井下硐室、巷道区域的远程巡检。 0304 煤矿智能化业务发展对通信网络的要求煤矿井下网络的现状和挑战 02 1.2煤矿智能化对通信网络的要求煤矿井下网络的 现状和挑战 进一步减少煤矿井下作业人员数量,是煤矿安全生产和煤矿智能化发展的必然选择。煤矿井下设备无人操 作、地面远程控制,需要将煤矿井下视频、音频、传感器和执行器等数据实时、准确地传输至地面调度控制中心,并将控制命令实时、准确地传输至被控设备。承载视频、远控等数据上传和下达的新一代井下信息网络,必须满足大带宽、低时延、高可靠等要求: (1)传输带宽大 以基于全景视频拼接技术的远控采煤为例,长度300m的综采工作面大约需要200台防爆摄像机,每台4K高清矿用摄像机数据压缩后平均传输带宽为20Mbit/s,1个综采工作面平均需要传输带宽约4Gbit/s。此外,煤矿井下有多个采掘工作面,巷道长度大(巷道累计长度达几十千米),机电硐室多,机电设备和矿用车辆多,需要大量的矿用摄像机、传感器和执行器。因此,井下网络所需的传输带宽将超过万兆。 (2)传输时延小 传输时延是实现地面远程实时控制的关键,井下网络传输时延越小越好。为满足地面远程实时控制的需要,井下网络传输时延应不大于20ms。 (3)可靠性高 可靠性是实现地面远程可靠控制的关键,井下网络可靠性越高越好,支撑远控的网络可靠性应大于99.99%。 (4)多业务综合承载 煤矿井下有安全监测、高清视频、无线通讯、远程控制等业务,对传输带宽、实时性、可靠性有不同的要求。传统不同要求的业务采用独立网络承载带来井下网络节点多、布线复杂、运维困难等问题,实现多业务综合承载是未来煤矿智能化网络发展的趋势。 2.1煤矿井下网络的现状 目前煤矿井下网络包括矿用有线调度通信网、煤矿安全监测监控网和工业以太网,如煤矿井下使用5G,还需要增加5G通信网,部分煤矿因为工业视频抢占网络带宽影响其他业务,也会专门建设工业视频网。除有线调度通信网之外,其他网络普遍采用以太网技术。 矿用有线调度通信网 矿用有线调度通信网主要传输矿用有线调度通信系统的语音信号,一般由调度台、语音通信交换机、安全栅、本质安全防爆固定电话机、电缆等组成,具备不需要电源、高可靠性等优点,即使瓦斯超限等造成停电,系统依然能够正常工作,因此,矿用有线调度通信系统兼做矿井应急通信系统,要求必须独立组网。 煤矿安全监测监控网 安全监测监控网络承载安全监控系统,实现对煤矿安全生产的总体监控。当前安监网络设备以工业交换机为主,采用二层VLAN方案,将井下各种传感器数据上送到安全监控平台,进行安全监测。因为涉及生产安全,要求独立组网,保障监控数据不受视频等大流量业务和网络风暴的影响。 工业以太网 工业以太网也叫工业环网,承载井下定位、Wi-Fi、语音、图像和监控信号。随着智能化业务需求越来越多,相应的应用也在逐步扩展,井下摄像头部署将大幅增加,原有千兆网络的带宽逐渐成为瓶颈。目前许多大中型煤矿开始部署万兆环网,综合承载井下各类数据。 5G通信网 5G通信网承载井下综采面和掘进面等移动数据业务,包括综采面远控、工作面视频回传、机器人巡检和手机通信等。基于5G网络大带宽、低时延、高可靠、广连接的特点,已在部分中大型煤矿得到应用。 0506 煤矿井下网络的现状和挑战煤矿井下新一代网络解决方案 工业视频网 因为视频带宽较大,并且可能会有突发,影响其他业务,许多煤矿采用独立建设工业视频网的方式,避免视频业务突发对其他业务造成干扰,保障控制和定位类业务的高可靠性。 煤矿井下新一代网络 03 解决方案 2.2煤矿井下网络的挑战 3.1煤矿井下新一代网络定义 目前,高清视频应用、无线通讯应用、远程控制应用等智能化应用在煤矿的规模部署,一方面极大地改善了井下矿工的工作环境,提升了安全性,另一方面也给现有的井下网络带来巨大挑战,主要包括: 井下多网林立:井下视频监控、生产控制、安全监控等不同业务系统采用不同的以太工业环网承载,造成井下多网林立,网络重复建设。煤矿井下现网交换机设备不支持时间同步、网络切片等关键特性,不支持5G承载,需要单独建设5G网络,导致井下网络越来越多,网络建设和维护成本高。 网络风暴及业务相互影响:现有网络主要为传统万兆环网,采用二层交换技术,通过VLAN进行网络隔离与管理,对广播风暴缺少有效抑制,易由于物理环路产生广播风暴,导致大范围网络通讯中断,且问题难以快速定位,只能通过人工插拔端口进行逐级排查,故障排除时间长。另外VLAN网络的业务相互抢占带宽、相互影响,特别是大量工业视频业务的增加,网络负载率不断升高,网络延时和抖动增大,导致其他业务产生卡顿、丢包等情况。 网络带宽不足:井下环网大多只有1Gbit/s或10Gbit/s,而人工智能等智能化应用需要井下综采面和掘进面高清摄像头的规模部署,接入侧网

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