“5G+工业互联网”是第四次工业革命的重要支撑，在赋能产业升级中将发挥基础性、聚合性、融合性作用，为产业数字化、网络化、智能化提供新的实现路径。工业和信息化部印发《“5G+工业互联网”512工程推进方案的通知》，进一步明确工业互联网作为5G应用落地关键所在，驱动 5G融合应用不断提速，“5G+工业互联网”创新发展不断丰富。
山西省紧抓新一代信息技术与实体经济深度融合的重大历史机遇，加快推动“5G+工业互联网”，着力做好落实“5G+工业互联网”512工程、完善产业生态、加强政策引导等工作，有力支撑省内工业企业高质量发展。今年（2022年）省通信管理局与省工信厅面向全省范围遵选了28个在省内具有试点示范意义的工业互联网经典案例，形成汇编，供参考借鉴。
山西省通信管理局
山西省工业和信息化厅
2022年7月
所在地市: 临汾市
参与单位:中国联合网络通信有限公司山西省分公司、联通(山西)产业互联网有限公司、山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司
技术特点: 通过风等方案实现在极端情况下大网中断后园区业务还能正常运行。建设井下万兆环网及 5G 无线通信系统部署 5G 井下基站，实现信息的实时收集、处理和运算的下沉，为高清视频监控、精准人员定位、车辆辅助运输等智慧煤矿提供支撑。
应用成效: 在煤矿园区部署高可用 MEC，MEC 部署 5G 核心网应急控制面，MEC 除提供标准的 UPF 功能，支持本地应急控制面，提供高可靠能力。
山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司成立于2012-12-26，法定代表人为杜康，注册资本为 2100 万元人民币，统一社会信用代码为 91140000058891061H，企业地址位于临汾市乡宁县管头镇燕家河村，所属行业为煤炭开采和洗选业，经营范围包含: 矿产资源开采: 煤炭开采。(依法须经批准的项目，经相关部门批准后方可开展经营活动) 。山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司目前的经营状态为存续 (在营、开业、在册)。
2020 年3 月，国家八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，各大矿业集团均先后提出实现煤矿开采智能化要求。
随着燕家河矿生产智能化程度的提高，将产生大量的数据采集和传输、海量的接入设备以及极低时延的控制操作，都对网络传输的质量和能力提出了前所未有的要求。高带宽、低延时、高可靠的无线传输网络成为了实现煤矿智能化开采的一个重要环节和纽带。信息技术的发展特别是 5G 专网的应用，将赋能智能矿山，为解决以上问题提供了强有力的技术保障。
1.井下矿用 5G 通信网络覆盖范围
项目仅设计煤矿井下矿用 4G/5G 通信系统网络覆盖，主要涉及燕家河大巷及工作面、变电所等重要场所。
2.设备选型
系统的核心部件采用国际知名品牌的技术和产品。所采用的 5G 产品在全球处于领先地位，在国内外的电信企业被广泛采用，能够保证其产品具有极强的生命力，能够保证长期的零部件的供应及系统的升级要求。
系统防爆部件、电源等配套部件全部采用已通过了国家安标中心的安标认证的设备，满足煤矿井下使用要求。
本方案中 IPRAN 万兆环网、矿用 5G 无线通信系统的核心设备及配套关联均已通过防爆和 MA 认证。在系统设计时进行环网的抗灾性设计，环网自愈时间小于 50ms，即使其中的任一光缆、任一设备发生意外故障均可保障骨干环网稳定运行，具有高稳定性和高可靠性。5G 无线通信系统在矿方部署 5G 核心网设备，实现矿区独立组网、独立运行，即使运营商大网光缆中断、设备发生故障，也可稳定运行，从而保证无线通信及数据传输的可靠性、稳定性。
3.矿用 5G 移动通信网络系统整体构成
矿用 5G 移动通信网络由地面的小型化 5G 核心网、时钟服务器、地面核心 IPRAN 设备、矿用隔爆兼本安型万兆环网交换机(IPRAN 设备 )、矿用隔爆型基站控制器 A(BBU 设备).矿用隔爆型基站控制器 B(RHUB 设备)、矿用隔爆兼本安型无线基站 (pRRU 设备) 、矿用本安型信号转换器 (CPE)矿用本安型手机等系统设备构成。
小型化 5G 核心网的功能主要是提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权、数据的交换等功能。
矿用隔爆兼本安型万兆环网交换机 (IPRAN 设备) 的主要作用是形成井下高速可靠的万兆工业环网，能够满足 5G大带宽应用需要的同时，提供现有业务系统数据接口 (以太网、RS485 等接口)。IPRAN 设备向上连接地面的核心交换网，向下连接井下的矿用隔爆型基站控制器 A (BBU)。
隔爆型基站控制器 (BBU、RHUB 设备) 的主要作用是完成信号的基带处理，提供传输管理及接口，管理无线资源。基站系统由隔爆型基站控制器 A (BBU 设备)、矿用隔爆型基站控制器 B(RHUB 设备)、矿用隔爆兼本安型无线基站 (pRRU 设备) 组成，主要功能和作用是提供井下 5G 无线信号覆盖。
矿用本安型信号转换器 (CPE) 的主要功能是完成 5G 信号与有线信号之间的转换，将现有有线数据接入 5G 系统。
系统的拓扑结构示意图如图 1 所示。
4.企业移动通信网络专网与公网的关系
按照在燕家河煤矿建设完整的矿用 5G 企业移动通信专网的目标，在燕家河部署小型化 5G 核心网、IPRAN 环网基带控制单元 (BBU) 、远端数据汇聚单元 (RHUB) 、微型射频拉远单元 (pRRU) 等设备。
(1)“专网+公网”共存。既满足运营商公网卡业务承载，又能满足煤矿自主专网业务承载。
(2) 语音通信。燕家河煤矿建设了本地小型化核心网后即具备了 VOLTE 专业语音通信功能，与公网的语音通信业务则通过与公网的无缝对接，实现互通。
5.矿用万兆环网网络规划
根据煤安规程、全国安全生产信息化规划、山西省能源局信息化等级评估等规定的要求，燕家河煤矿应当在井下建设工业环网，包括安全环、控制环、视频环等，使各类业务独立传输通信，满足安全生产和自动化控制的需要。
5G 移动通信技术由于其“大带宽、低时延、广连接”的特征，对每个移动终端提供的带宽最大可达 1G (1000M)，因此，5G 移动通信需要低延时、高可靠、高带宽的承载环网IPRAN 设备组成的新型 IPRAN 环网承载 5G 移动通信业务同时还可以兼容接入其他传统以太网数据通信类业务的接入。
IPRAN 环网既可满足 5G 移动通信的需要，同时它可提供井下环网所需的通信协议的接口，因此，IPRAN 环网可作为井下工业环网的备用传输网，或将 IPRAN 环网同时作为工业环网来使用。
在建设移动环网的同时，结合工业环网的规划设计，采用 IPRAN 技术建设统一的井下环网，既满足工业环网的需要，也满足移动通信的需要。
(1) 网络带宽使用计算
井下的传感器、控制器等数据设备的总量按照 10000 个点计算，每个点实时传输的信息量不会大于 1K，总带宽不大于 10000K (10M=0.01G): 高清摄像头的数量总量按照 500个计算，每台摄像头实时传输图像的带宽按照 8M 计算，总带宽不大于 4000M (4G) ，合计不大于 4.01G。
井下移动通信网主要承载语音通信业务及数据通信业务。移动语音通信每用户高清语音通话实时占用带宽不大于100K，按照 500 用户计算，总带宽占用不大于 500M(0.5G)。移动数据通信业务量不会大于工业环网的数据通信业务量(4.01G)。总业务量不会超过 4.51G。
工业环网和移动环网的业务问题不会超过 8.52G，约为10G 环网总带宽的 85.2%。
考虑未来井下扩展 4K、8K 摄像头，总数量按照 200 个计算，单台摄像头实时传输图像的带宽按照 20M 计算，总带宽预计占用 4000M(4G) : 未来扩展 5G 网络，各类无线数据业务实时占用带宽不高于 4G。
考虑现有业务应用以及后期扩展应用，总带宽量需按照16.52G 以上设计，故选用 IPRAN 环网技术(可以提供 50GE的带宽)，能够满足工业环网和移动环网的需要，因此，本方案具有可行性。
(2)IPRAN 环网设计
在建设移动通信系统环网的同时，结合工业环网的规划设计，采用 IPRAN 技术建设统一的环网，既满足工业环网的需要，也满足移动通信的需要。
根据工业环网的设计，共计井上下总计 4 台 IPRAN 设备组成 1个 IPRAN 工业环网，用于实现无线通信系统以及工业环网中设备的接入和承载。
建议 IPRAN 环网采用抗灾结构进行建设，光缆芯数不少于 48 芯，建议采用 48 芯光缆，满足未来信息化发展的需要。IPRAN 设备上行端口可支持 50GE 光模块，本次设计的50GE 模块完成主环网通信上行端口接入。控制环、安全环等承载业务可以根据实际需求，配置不同的模块，通过统一建设的 IPRAN 环网同时承载移动环网和工业环网,实现井下“一张网”。
6.信号覆盖设计
本方案所有基站的信号覆盖半径大巷、直巷按照半径300 米布放，条件较差巷道按照半径 200 米布放，能够满足井下 5G 信号强度的需要。
燕家河接入中国联通 5GC 核心网大区，大区 5GC 软件版本支持高可靠专网，在煤矿园区部署高可用 MEC，MEC 部署5G 核心网应急控制面，通过井下 5G 网络将井下的摄像头视频流等回传到井上机房，并对接到视频监控系统。MEC 除提供标准的 UPF 功能外，还可支持本地应急控制面，提供高可靠能力，在出现大网断连等极端情况时，井下 5G 业务不会中断保 持惯性运行，并可以在大网断连期间支持新的 5G 终端接入。风筝方案如图 2 所示:
在 5G 建设的大背景下，燕家河矿区积极进行 5G 建设，为了满足生产安全要求，园区提出在极端情况下大网中断后园区业务还能正常运行，结合当前业界主流方案，最终选定了风筝方案来实现要求。燕家河项目在本地新建 UEG 网元，SMF 和AMF 采用郑州大区2B 网络,UDM采用广州大区物网UDM。
通过将大网中园区的用户数据同步到应急面 UDM后保证大网中断后园区业务不影响，同时大网恢复后业务能平滑切回大网。
