彬长矿业5G智能矿井建设与信息安全思考
时间:2022-08-24 18:56 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
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★ 科技引领 ★ 彬长矿业5G智能矿井建设与信息安全思考煤矿智能化建设是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。2020年2月，由国家能源局等八部委联合印发的《关于加快矿井智能化发展的指导意见》，2021年12月，国家能源局印发的《智能化示范煤矿验收管理办法(试行)》，规范了煤矿智能化建设内容和标准。陕西煤业化工集团有限责任公司(以下简称“陕煤化集团”)近年来非常重视“智能矿井、智慧矿区”建设工作，在打造7对国家智能化示范矿井基础上，提出了“12345” “四化”建设工作思路，全力构建“系统智能化、智能系统化”发展格局，注重“四化”建设的系统性，加强示范矿井典型经验、成功案例和技术成果的推广，整体谋划、统筹推进，努力打造具有国际竞争力的能源企业。 陕西彬长矿业集团有限公司小庄煤矿(以下简称“小庄煤矿”)作为陕煤化集团2个5G智慧矿山示范单位之一，于2021年完成了关中地区首家“5G+智慧矿区”示范项目建设，形成了“采掘面5G网络基础设施+三大场景建设”的格局。目前，小庄煤矿通过积极推进5G、大数据等先进技术与安全生产有效融合，抓紧实施井下特殊作业设备、机器人及智能装备系统创新和应用，大力开展智能化专项行动，努力建成国家Ⅱ类高级智能化示范煤矿，全力打造“多元灾害协同治理智能化示范矿区”。 1 彬长矿业5G智能矿井建设背景陕西彬长矿业集团有限公司(以下简称“彬长矿业”)现有5对矿井，主采侏罗纪4号煤层，4上煤层局部可采，煤层埋深为500～1 000 m，煤层厚度为4～26 m。彬长矿区地质条件复杂，多元灾害耦合叠加，冲击地压、瓦斯、水、火、顶板、热害等自然灾害俱全，被国家矿山安监局定位为煤矿灾害重、治理难度大、安全风险高、有效防范和遏制重特大事故任务繁重的矿区之一。 随着5G为代表的新一代信息技术的迅猛发展，“5G+智能化矿井”将助力煤矿产业智能化发展，并将进一步释放数字化应用对煤炭企业高质量发展的增促作用[1-6]。 结合彬长矿区煤层赋存条件和生产装备实际，按照陕煤化集团“统筹规划、试点先行”原则和“企业管理智慧化、煤炭开采智能化、辅助系统自动化、灾害治理精准化、现场管理透明化”总体工作思路，大力推进智能化矿井建设工作，小庄煤矿开展“5G+智慧矿区技术研究与应用”示范项目。2021年，为了进一步落实陕煤化集团“5G+智慧矿区”示范项目工作安排，小庄煤矿已形成“1+2”智能化运行模式，即1个终端(智能化开采终端)、2大平台(智能化集中控制平台、智能化数据共享平台)。小庄煤矿在复杂地质条件下实施的“5G+智慧矿区”示范项目建设内容包含建设矿井5G无线通信基础网络及配套5G生产调度平台、建设无线全感知安全生产系统及数字孪生工作面生产执行应用系统等内容。根据彬长矿区多元灾害叠加现状，以小庄煤矿为试点，逐步建立“智慧生产、智慧安全、智慧保障”的系统运行框架，达到基于5G技术的“空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化、控制网络化”的智能矿井阶段性目标。 2 彬长矿业5G智能矿井建设实践按照国家能源局、国家矿山安监局印发的《煤矿智能化建设指南(2021年版)》，5G属于信息基础设施建设范畴。5G网络作为数据传输接入层关键支撑部分，在大带宽、低时延、广连接智能矿井数据传输上起着重要作用。小庄煤矿在国家智能化示范矿井创建工作中提前开展了5G技术在煤矿的应用建设，为后续达到国家Ⅱ类高级智能化矿井奠定了坚实基础。小庄煤矿智能矿井整体架构如图1所示。 
图1 小庄煤矿智能矿井整体架构 2.1 示范矿井5G技术应用建设按照小庄煤矿试点区域40205综放工作面倾向长0.25 km、走向长2 km布算，通过基于煤安认证的矿用基带处理单元(BBU)、扩展单元(FSW)和远端射频单元(pRRU)等构成井下5G网络环境基础设施。 井下每台5G无线基站信号覆盖范围平均为0.1(非定向)～0.4(定向)km，可通过扩展单元和远端射频单元以及对外扩展连接形成网络延伸，对Zigbee、UWB、WiFi等异构协议提供有效支撑。通过井下基站、扩展单元和射频终端实现有效覆盖全工作面及配套设备列车，信号通过各无线基站与矿用光缆连接，就近接入环网交换机后传输至地面[7-10]。5G系统架构如图2所示。 
图2 5G系统架构 2.1.1 矿井5G MEC网络基础设施建设 利用5G无线网络“覆盖广、低时延、低功耗”功能提升小庄煤矿信息基础设施水平，建设智慧矿区生产指挥系统和智能矿井生产执行系统所必要的网络基础设施。通过独立部署网络边缘计算MEC，实现各个应用场景的信息交互，从集中式数据中心下沉到矿井网络边缘端，在靠近矿井生产执行的网络边缘端提供IT和云计算能力，达到高带宽、低延迟、近端部署的效果，实现高清摄像头、采掘和机电设备、环境安全及地压应力传感器、应急指挥管控信息等数据的实时传输。 2.1.2 矿井采掘工作面5G高清图像传输和图像智能分析 5G无线网络10 Gbps的理论下载带宽和近1 Gbps的上载带宽能够彻底解决4G仅提供5～10个高清摄像头数据传输和高清图像实时传输延迟方面的缺陷。同时，可见光和红外高清摄像头可通过5G无线方式接入通信网络，解决采掘工作面视频移动设备的撤布线困难和线缆易松脱问题。小庄煤矿通过现场智能化采掘图像分析可实现工作面24 h全方位、无死角实时监控，实现工作面设备状态、人员操作、故障报警等智能分析，从而实现井下生产图像数据的实时传输和智能呈现[11-16]。 2.1.3 无线环境安全全感知系统 根据彬长矿业智慧矿区和智能矿井建设要求，小庄煤矿利用5G通信网络建立了基于OPC-UA技术的矿井瓦斯、通风、地音、微震、应力、矿压、水文信息等4D-GIS全感知系统，实现了多源异构网络安全感知信息的无线实时采集和传输，实现了复杂网络结构多源信号高采样密度下的传感器实时分布式存储和数据安全智能分析。 2.1.4 5G数字孪生工作面生产执行应用系统 小庄煤矿40205数字孪生采煤工作面生产执行系统主要解决“环境-装备-工艺”的相互关系，利用采煤工作面的物理、虚拟、环境、图像、知识和服务等数据，基于5G无线采集、数字孪生技术融合，形成物理体数据、虚拟体数据和能量信息间的动态交互，建立工作面相关的物理模型和数字模型，实时反映采煤工作面设备的实时运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动等动态过程。 2.1.5 5G+VR全方位展示 小庄煤矿在各类灾害交织叠加的条件下建设“5G+智慧矿区”，融合了“物联网、人工智能、大数据、数字孪生、图像和语音识别”等先进技术，研发了包括10类5G本安传感器、3类5G本安摄像头和VR互动设备等，可呈现“多场景高清视频采集和分析技术、混合数据融合的全感知技术、工作面动态数字孪生技术”的相关产品，形成全国煤炭行业首个工作面生产管理和新技术“5G+智慧矿区”建设示范成果。基于大屏的各系统全感知和数字孪生实施效果动态展示如图3所示。 
图3 工作面虚拟现实+数字孪生系统界面 大屏利用动态虚拟环境建模技术、立体显示和传感器技术、OpenGL技术、实时三维图形生成技术、系统集成技术等实时、清晰地呈现井下真实工作条件，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型；通过高效率的三维引擎来保证综放工作面的现场状态刷新和有效互动，包括采煤机、液压支架、泵站、电气设备、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机、超前支架等设备状态、环境参数的综合监测和控制。 2.2 5G智能矿井其他应用场景(1)5G+机器人巡检。矿井在复杂地质条件下实现智能化开采离不开机器人协同作业，彬长矿业在机器人应用方面开展了大量尝试工作，从水仓清理机器人、大巷远距离喷浆机器人、管道安装机器人、护盾式掘进机器人等作业类机器人引进到运输巷带式输送机巡检机器人的常态化应用，都取得很好的应用效果。随着智能化矿井建设的不断深入，机器人对于数据高速传输、高清视频回传、控制指令精准下达有着较高的要求，在对海量的数据采集和传输、极低的时延控制操作、大量接入设备方面，5G网络的特性可满足这些要求。 (2)5G+智能化远程运维。智能化矿井建设过程中，对涉及到采煤、掘进、地质保障、运输、通风、供电排水、信息化等各专业作业人员的运维水平提出了较高要求，传统运维工人需要借助远程专家协助指导完成。利用5G+AR(增强现实)技术将矿井现实场景和数字化的虚拟应用相结合，增强运维人员对现实场景的感知，可实现从“人员适应机器”到“机器服务人”作业模式的转变，实现“手把手”地帮助现场人员解决实际问题。 3 5G智能矿井信息安全问题及解决方案3.1 5G矿井信息安全问题(1)网络通信安全问题。5G相比4G通信网络组网结构发生了变化，不同于传统的蜂窝通信系统组网方式，采用D2D(终端直通)技术改变了传统以基站为中心的通信模式，实现了终端设备之间的直接通信，大大提升了频谱资源的利用效率，不仅降低了功耗，而且延时更低，有效改善了网络覆盖问题，为大量用户各种复杂业务提供了可靠的通信网络。但是，终端与终端的直接通信无法经过以基站为中心的信息安全防护系统，将会产生更多的网络通信安全问题。 (2)远程控制安全问题。煤矿工业控制系统是安全生产关键基础设施的重要组成部分，一旦受到病毒感染，轻则会造成工控系统宕机、中断、死机现象，严重时甚至会通过干扰系统功能的正常运行，导致现场被破坏或者威胁人身安全。因此，想要利用5G网络的低延时特性并与工业控制系统深度结合，必须研究解决信息安全问题，降低因信息安全隐患造成重大安全事故的概率，保障工业控制系统健康稳定地运行，这样才能更好地发挥5G+工业互联网技术优势。 (3)数据管理安全问题。5G网络基于SDN(软件定义网络)和NFV(网络功能虚拟化)技术实现了切片管理，按需定制网络，通过对每个业务进行虚拟网络设置实现更加高效的数据传输，提高了网络的灵活性。但是，一旦网络切片被非法程序访问，将会破坏用户数据的完整性，造成大量用户数据泄露，同时有数据非法篡改的安全风险。煤矿数据的保密、保真关乎企业安全生产和经营管理。因此，基于5G网络传输的数据管理安全也是需要研究解决的问题。 3.2 5G智能矿井+信息安全体系框架设计鉴于小庄煤矿5G智能矿井面临的安全问题，需要建立5G工控安全保障系统，从而完善信息安全体系，实现设备安全、网络安全、数据安全、控制安全。小庄煤矿5G智能矿井+信息安全建设拓扑图如图4所示。 (1)设备安全。5G智能矿井基础设施建设涉及5G无线通信设备、边缘端一般接入系统(MEC)以及超融合服务器等设备，这些设备在数据上传、协议转换、智能处理等一系列应用方面均面临安全问题。设备在接入网络中是否进行专业的漏洞检测，应用系统是否使用高风险的开源框架、存在后门等，均需要在介入前进行安全分析。 (2)网络安全。无论是井下高清视频图像的视频数据、安全监测泛在感知的采集数据，还是数字孪生智能生产执行系统调度数据，均需要依靠网络传输至矿井数据中心，网络边界安全防护困难，设备通信内容容易泄漏。在建设5G智能矿井过程中，只有足够重视平台网络的安全风险问题，才能构筑全面高效的网络安全防护体系。 (3)数据安全。5G智能矿井最核心的价值之一就是实现数据的共享与实时利用，通过对数据进行系统地采集、存储、处理和利用，可以帮助决策者明确问题产生的原因和解决方式，以便做出正确决策。然而，生成大量、异构数据的工业互联网平台会面临着数据信息泄漏和破坏等一系列安全风险。 (4)控制安全。控制为整个矿井安全生产的核心，5G智能矿井建设将连接传统矿山生产中的工艺和设备，提升矿井采掘效率，但同时也增加了工业控制器、执行器、传感器等现场设备暴露面，使控制环境开放化，如何保障现场设备不被非法控制尤其重要。 
图4 小庄煤矿5G智能矿井+信息安全建设拓扑 3.3 5G智能矿井环境下的安全建设3.3.1 MEC基础设施安全防护 (1)边缘计算网关。边缘计算网关基于高性能硬件平台和智能安全操作系统，融合丰富的网络特性，在满足双协议栈的同时，配合DDNS、智能路由、链路负载均衡、服务器负载均衡等特性，可在802.1Q、GRE 、RIP、OSPF、VRF、多ISP等各种复杂的网络环境中灵活组网，帮助组织管理者清晰了解单位当前、历史带宽资源使用情况，并据此制定带宽管理策略，验证策略有效性。不但可以在工作时间保障核心用户、核心业务所需带宽，限制无关业务对资源的占用，也可以在带宽空闲时实现动态分配，以实现带宽资源的充分利用，提升用户的网络体验。 (2)边缘计算探针。本安型边缘计算探针，一是能够还原井下流量日志，为平台提供全量流量数据采集和数据输入；二是能够对井下网络的安全数据进行快速、自动化的关联分析，及时发现井下的威胁和异常，同时通过图形化、可视化的技术将这些威胁和异常的总体安全态势展现给用户的系统；三是能够对井下全量数据进行采集和存储，利用大数据技术在本地进行安全数据分析和威胁溯源。整个设计将遵循发现、阻断、取证、溯源、研判、拓展的安全业务闭环设计，使得用户能通过产品各个功能模块完成威胁处置的全过程。 (3)设备准入控制。设备准入控制提供一个全网安全管理和展示平台，能够对全网拓扑和设备状态进行展示，可以进一步向下细化定位至每台终端设备，也可以通过终端设备向上检索到其连接的网络设备。 (4)设备风险核查。设备风险检查对接入5G智能矿井所有硬件、软件和系统进行脆弱性分析和安全评估，内置系统漏洞库，能对5G环境下的边缘、控制等设备已知漏洞进行扫描、识别和检测，生成脆弱性扫描评估报告，清晰定位系统脆弱性风险，并给出漏洞修复建议和预防措施，帮助企业用户掌握系统安全现状，提升系统安全性。 (5)融合网络安全隔离。融合网络安全隔离实现网络环境中不同安全级别网络之间的数据安全交换，采用多机系统架构，通过对信息进行落地、还原、扫描、过滤、防病毒、入侵检测、审计等一系列安全处理，有效防止黑客攻击、恶意代码和病毒渗入，同时防止内部机密信息的泄露，实现网间安全隔离和信息交换。使用自主设计开发的安全隔离与信息交换系统集文件交换、数据库访问和同步、视频交换、组播代理、访问交换、工业控制等功能模块于一体，在保障用户信息系统安全性的同时，最大限度地保证客户应用的方便性。 3.3.2 网络通信监测 (1)控制流量监测。控制流量监测针对5G智能矿井的特有接入模式，对各重要节点的流量进行旁路监测，确保工业生产过程“零风险”。基于对工业控制协议(如OPC、Modbus TCP、Ethernet/IP(CIP)等)的通信报文进行深度包解析(DPI，Deep Packet Inspection)，能够实时检测针对工业协议的网络攻击、用户误操作、用户违规操作、非法设备接入以及蠕虫、病毒等恶意软件的传播并实时报警，同时详实记录一切网络通信行为，包括指令级的工业控制协议通信记录，为工业控制系统的安全事故调查提供坚实的基础。 (2)高级威胁检测。高级威胁检测将人工智能、大数据技术与安全技术相结合，实时分析网络流量，监控可疑威胁行为，内置多种检测技术，可对APT攻击链进行交叉检测和交叉验证。除了具备常规的入侵检测功能外，还可以从网络流量中还原出文件并通过多病毒检测引擎有效识别出病毒、木马等已知威胁，通过基因图谱检测技术检测恶意代码变种；还可以通过沙箱(Sandbox)行为检测技术发现未知威胁，对抽取的网络流量元数据，进行情报检测、异常检测、流量基因检测；最后将所有安全威胁进行关联分析，输出检测结果，对检测及防御APT攻击可发挥关键作用。 3.3.3 数据安全 (1)强制访问控制。强制访问控制(MAC)是系统强制主体服从访问控制策略，在MAC中，每个用户及文件都被赋予一定的安全级别，只有系统管理员才可确定用户和组的访问权限，用户不能改变自身或任何客体的安全级别。系统通过比较用户和访问文件的安全级别，决定用户是否可以访问该文件。此外，MAC不允许通过共享文件将信息在进程中传递。MAC可通过使用敏感标签对所有用户和资源强制执行安全策略，一般采用限制访问控制、过程控制和系统限制这3种方法。 (2)数据安全审查。数据安全审查在整个5G智能矿井建设中始终以数据为中心，通过整合计算、存储、网络和软件资源，提供“采-存-算-管-用”全生命周期的支撑能力，构建全方位的数据体系，为确保数据安全，旁路捕获网络中的数据库/网络协议通讯数据包，采用高性能数据包捕获平台(HPC)，协议解析上采用DPI和动态流检测(DFI)技术，将网络中的数据库操作行为、网络访问行为完整解析，并辅以报文过滤、告警匹配、报表、查询、回放等功能，实现数据操作的可视化。 3.3.4 控制安全 (1)终端安全控制。终端安全控制采用特有的“四重锁定”技术，确保终端计算环境安全可靠。一是应用锁定，采用“白名单”防护机制，锁定终端上应用程序的运行，阻止任何“白名单”外的程序运行，避免恶意代码、非法程序的运行，最大限度保障工程师站、操作员站以及服务器等重要设备安全稳定运行；二是系统锁定，通过安全基线管理和强制访问控制功能，锁定终端运行环境和资源，确保终端上的设置符合安全基线策略要求，并按照设定的主客体制定读写访问控制策略进行访问；三是网络锁定，锁定终端的网络访问环境，只允许终端和特定的服务器之间进行通信，控制恶意代码在网络内部的传播、扩散；四是外设锁定，锁定外接输入设备的使用，只有经过认证的安全可信的USB设备才可以在终端上运行，防止通过U盘等外接输入设备引入恶意程序导致感染病毒和泄露敏感数据。 (2)协议安全控制。协议安全控制通过专用的智能安全操作系统，基于优化的软硬件架构提高报文的处理能力，对主流工业协议进行DPI，运用“白名单+智能学习”技术建立数采通信及工控网络区域间通信模型，保证只有可信任的流量可以在网络上传输，为工控网络与外部网络互联、工控网络内部区域之间的网络连接提供安全保障。 3.3.5 5G智能矿井安全中心 (1)统一安全管理。统一安全管理能够将众多的安全设备集中起来统一管理，包括安全策略模板配置、安全策略统一下发、安全策略变更可视等。安全策略的统一管理能够极大提升企业安全运维的效率。 (2)日志分析管理。日志分析管理能够实时不间断地将来自不同厂商的安全设备、网络设备、主机、操作系统、数据库系统、用户业务系统的日志、警报等信息汇集到审计中心，实现全网综合安全审计。如果网络中重要网络和业务系统无法产生日志，日志审计与分析系统也能够通过部署硬件探测器的方式主动侦测网络中的协议通讯，并转化为日志汇集到审计中心。 (3)安全运维管理。安全运维管理是集用户管理、授权管理、认证管理和综合审计于一体的集中安全运维管理系统，一是能够为企业提供集中的管理平台，减少系统维护工作量；二是能够为企业提供全面的用户和资源管理，减少企业的维护成本；三是能够帮助企业制定严格的资源访问策略，并且采用强身份认证手段，全面保障系统资源的安全；四是能够详细记录用户对资源的访问及操作，满足对用户行为审计的需求。 (4)安全态势感知。安全态势感知可在单向物理隔离的网络中采集日志，将网络中的区域边界、网络通信和计算环境作为安全对象，实施流量、日志和告警的采集。由于实时记录了网络中的网络异常攻击告警信息、网络会话信息和主机安全操作信息，对企业网络形成了全方位、立体式的告警和日志信息采集覆盖，便于安全事件的溯源分析和调查取证。 4 应用效果2021年7月，基于5G技术的“5G+智慧矿区”示范项目在小庄煤矿设计规划并开始建设，2021年9月底顺利通过陕西省工信厅验收。该项目的实施有效降低了煤炭生产成本，提升了吨煤生产效率，智能化采煤工作面2021年人均工效较2020年同期增长了7.8%。基于5G技术的数字化场景、可视化管理、装备安全预测性维护等可以不断优化煤炭生产作业流程，减人提效，持续降低企业的生产成本、管理费用和运营成本。 在设计和施工过程中，该项目形成了全部中国芯、数据全感知、生产全孪生、安全全覆盖、运营全管控的“1中+4全”的小庄模式，多项技术在国内煤矿智能化建设领域实现新突破。该项目的建成进一步促进了5G与煤矿智能化建设的深度融合，推动彬长矿业奋力建设行业内具有示范引领作用、灾害治理与智能化高度融合的智慧矿区迈上“快车道”，也为2022年小庄煤矿建成国家Ⅱ类高级智能化矿井奠定了坚实基础。 2022年3月底，小庄煤矿完成了5G工控安全保障系统建设工作，解决了5G环境下工业控制系统网络安全防护问题。对小庄煤矿井下高清视频图像 5G 传输应用系统、安全监测泛在感知以及5G 数字孪生工作面生产系统应用进行网络安全建设，总体达到了能够抵御黑客、病毒、恶意代码对生产系统的破坏和攻击、阻止内部人员的非法访问、抵御外部攻击，并可在遭受攻击和破坏后能及时恢复系统的能力，提高了关键业务数据的可用性、机密性、完整性。 5 结语利用5G技术与人工智能、云计算、增强现实等技术深度结合，构建“人、机、环、管”工业物联网平台，建立煤矿智能化场景应用，可以协助解决复杂地质条件下灾害治理、安全生产实际问题。通过5G智能矿井建设，可以实现煤矿采掘工作面生产过程远程控制、采煤工艺智能化、场景透明可视化、远程运维可视智能化目标。 基于边缘计算、安全隔离、流量监测、安全控制、态势感知等技术构建5G网络下智能化矿井信息安全体系，可以实现设备安全、网络通信安全、远程控制安全以及数据管理安全，为5G智能矿井安全运行提供保障。按照设计的“5G智能矿井+信息安全”体系框架，在5G智能矿井环境下进行信息安全系统建设工作，可以保障智能化系统健康、稳定运转。同样的解决方案在彬长矿业OTN专网及数据中心私有云建设中进行了有益尝试，实践证明，该方案不仅可以保障云网融合管理的安全性，同时也为陕煤化集团其他矿井在智能化建设中遇到类似问题时提供了借鉴。 [1] 王国法，赵国瑞，胡亚辉.5G技术在煤矿智能化中的应用展望[J].煤炭学报，2020，45(1):17-23. 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