1 目標(biāo)和概述

和尚橋采場5G無人駕駛礦用卡車項目是和尚橋智慧礦山示范產(chǎn)線建設(shè)的一個重要支撐項目，基于中國電信5G+MEC邊緣計算平臺，中國電信提供5G基礎(chǔ)建設(shè) 網(wǎng)絡(luò)，中興通訊提供基站設(shè)備與MEC邊緣計算設(shè)備， 慧拓智能提供礦車無人駕駛平臺。相比有人駕駛，無人駕駛具有工作效率更高、人力成本更低、安全性更高、運(yùn)輸管理更科學(xué)等優(yōu)勢。卡車無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用將有利于防范化解生產(chǎn)安全風(fēng)險，減少直接參與生產(chǎn)的人員數(shù)量，實現(xiàn)“少人則安、無人則安”的目標(biāo)，加快實現(xiàn)露天礦減人、降本、增效的目標(biāo)。無人駕駛技術(shù)的研究與推廣將大大提高設(shè)備生產(chǎn)效率，減少設(shè)備人為操作不當(dāng)造成的損耗，大幅度節(jié)約人工成本，解決運(yùn)輸崗位“招工難”問題，有效解決司機(jī)老齡化、年輕司機(jī)從業(yè)意愿低、人力及管理成本逐年增加等問題。

無人駕駛礦車通過智能調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)自動派單、自主規(guī)劃行駛路徑；通過無人駕駛系統(tǒng)實現(xiàn)自動駕駛、自動泊車、主動避障；通過挖機(jī)協(xié)同和卸載協(xié)同系統(tǒng)實現(xiàn)自動對位、自動卸載；通過路側(cè)感知和路面仿真系統(tǒng)實現(xiàn)路況實時感知、自動修正、主動修測；通過遠(yuǎn)程遙控駕駛系統(tǒng)（模擬器裝置）實現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)急接管、保證無人礦車運(yùn)行安全；通過V2X通訊系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛所有指令信息互通、互聯(lián)；通過5G+MEC（移動邊緣計算）專網(wǎng)保證通訊網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量穩(wěn)定、保障企業(yè)信息安全、提升（車）端到（指令）端延時。

2 解決方案介紹

2.1 總體建設(shè)方案

由終端采集的數(shù)據(jù)通過5G基站接入無線網(wǎng)絡(luò)，通 過網(wǎng)關(guān)截斷數(shù)據(jù)并進(jìn)行本地分流到本地部署的MEC邊緣計算平臺（該邊緣計算平臺部署于工業(yè)園區(qū)內(nèi)），實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出場區(qū)，使數(shù)據(jù)生產(chǎn)、使用的全業(yè)務(wù)流程 均在園區(qū)內(nèi)完成，保證數(shù)據(jù)的安全。實現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)與 此數(shù)據(jù)的隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟LA性能保證（速率保 證、時延保證），并配合邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)高速率、 低時延的應(yīng)用，賦能信息化系統(tǒng)升級，加速智慧工業(yè) 快速發(fā)展。

 5G總體方案：5G采用三層組網(wǎng)，UPF下沉至MEC側(cè)。架構(gòu)如圖1所示。

圖1 項目總體架構(gòu)

核心網(wǎng)：采用安徽商用5GC核心網(wǎng)。 

無線側(cè)：本項目針對室外區(qū)域?qū)⒉捎肂BU+AAU進(jìn)行信號覆蓋，室內(nèi)場景使用QCell進(jìn)行覆蓋，如圖2所示。

圖2 無線側(cè)方案

引入MEC的優(yōu)點： 

（1）縮短傳輸時延：數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過核心網(wǎng)，傳 輸路徑變短，時延減少； 

（2）減輕傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力：數(shù)據(jù)直接本地卸載到 工廠的數(shù)據(jù)中心，不需要經(jīng)過回傳網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省回傳網(wǎng)絡(luò) 的帶寬；

 （3）數(shù)據(jù)安全性：數(shù)據(jù)直接發(fā)送給本地網(wǎng)絡(luò)，減 少在互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，工廠數(shù)據(jù)更加安全。

2.2 MEC建設(shè)方案

2.2.1 MEC架構(gòu)概述MEC的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 MEC架構(gòu)圖

2.2.2 MEC部署規(guī)劃

為滿足項目業(yè)務(wù)需求，在馬鋼礦業(yè)和尚橋鐵礦部署MEC平臺，UPF下沉邊緣DC，實現(xiàn)本地流量分流。

（1）終端通過5G基站接入到網(wǎng)絡(luò)中；

（2）MEC部署在基站BBU和核心網(wǎng)之間，礦區(qū)內(nèi)機(jī)房；

（3）MEC提供3個類型的對外接口，分別對接BBU，核心網(wǎng)和工廠的數(shù)據(jù)中心；

（4）針對礦區(qū)終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)不發(fā)送到核心網(wǎng)，直接通過MEC的本地分流功能送到礦區(qū)的數(shù)據(jù)中心；

（5）MEC和礦區(qū)數(shù)據(jù)中心之間，通過防火墻進(jìn)行 隔離，保證礦區(qū)數(shù)據(jù)的安全。

2.2.3 MEC帶寬及性能需求（如表1所示）

表1 MEC帶寬及性能需求

 由上表常規(guī)視頻業(yè)務(wù)模型，參考本期智能采礦業(yè)務(wù) 需求，本次MEC帶寬配置為5Gbps，滿足15臺高清攝 像機(jī)及VR終端的接入需求。 

后續(xù)根據(jù)園區(qū)其他典型應(yīng)用，UPF及MEC現(xiàn)有配 置可進(jìn)行平滑擴(kuò)容。 

2.2.4　MEC網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)架構(gòu) 

（1）MEC組網(wǎng) 

本期工程使用安徽電信商用5GC核心網(wǎng)，在礦區(qū)機(jī) 房下沉部署UPF+MEC。其中：

•   UPF+MEC內(nèi)部形成2×10GE無阻塞通道，出 口上行至2臺業(yè)務(wù)交換機(jī)。

•   業(yè)務(wù)交換機(jī)經(jīng)2×10GE口字型上聯(lián)就近STN-B 節(jié)點，實現(xiàn)MEC與5GC及基站的組網(wǎng)。UPF——基站： 通過STN-B——STN-A接入礦區(qū)5G基站。

•   本地轉(zhuǎn)發(fā)流量：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)過UPF轉(zhuǎn)發(fā)后， 經(jīng)業(yè)務(wù)交換機(jī)設(shè)備流出，經(jīng)專線接入礦區(qū)應(yīng)用服務(wù)器 （如智能采礦服務(wù)器等）內(nèi)網(wǎng)，實現(xiàn)本地流量轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng) 絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。 

圖4 MEC組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）MEC內(nèi)部組網(wǎng)架構(gòu)

考慮到安全性，不同用途的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不同的物理網(wǎng)絡(luò)或者采用VLAN隔離，使用獨立的子網(wǎng)，建議管理網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)分離。每個子網(wǎng)都通過網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備或系統(tǒng)對接，不直接使用現(xiàn)網(wǎng)的子網(wǎng)。

邊緣組網(wǎng)如圖5所示，采用5960交換作為邊緣DC 的網(wǎng)關(guān)，側(cè)掛防火墻作為東西向租戶間的防護(hù)。下行分別連接服務(wù)器管理/存儲（合一）、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

圖5 邊緣組網(wǎng) 

（3）硬件清單 本期項目使用UPF/GW-U+MEP部署，初步按照 5Gbps吞吐量商用模型。使用R5300 G4服務(wù)器部署， 配置如表2所示。

表2 硬件配置表

2.3　礦車無人駕駛技術(shù)方案

和尚橋礦車的無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括智能調(diào)度與監(jiān)管系統(tǒng)（涵蓋運(yùn)輸智能化調(diào)度、設(shè)備監(jiān)測安全管理、數(shù)據(jù)分析管理、地圖編輯管理）、無人運(yùn)輸仿真系統(tǒng)、礦用寬體自卸車無人駕駛系統(tǒng)、協(xié)同裝載/卸載管 理系統(tǒng)、應(yīng)急接管系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸與定位系統(tǒng)等。各系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系如圖6所示。 

圖6 各系統(tǒng)關(guān)系

（1）無人化作業(yè)智能調(diào)度與監(jiān)管系統(tǒng)

智能調(diào)度與監(jiān)管系統(tǒng)將礦用寬體自卸車、挖機(jī)/電 鏟、推土機(jī)、其他輔助作業(yè)車輛等全部納入，是整個礦山無人化作業(yè)系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)中心和決策中心。能夠進(jìn)行車輛智能調(diào)度、交通管理、作業(yè)任務(wù)下發(fā)、地圖數(shù)據(jù)更新、實時狀態(tài)監(jiān)控、作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析等。智能調(diào)度與監(jiān)管系統(tǒng)能夠允許礦區(qū)內(nèi)有人車與無人車混合作業(yè)，特別是和尚橋礦山實施無人運(yùn)輸?shù)那捌陔A段，無人駕駛車輛與有人駕駛車輛可實現(xiàn)安全同步作業(yè)。

（2）礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)

礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)使礦用寬體自卸車具備單車自動行駛能力，能夠感知環(huán)境與障礙物信息，做出單車范圍內(nèi)的決策命令，具備自動避障及控制能力。可接收調(diào)度中心發(fā)出的作業(yè)、行駛指令，以及與挖機(jī)、推土機(jī)的協(xié)同作業(yè)指令，完成自動駕駛。

（3）協(xié)同裝載/卸載作業(yè)管理系統(tǒng)

協(xié)同裝載/卸載作業(yè)管理系統(tǒng)是安裝在裝載設(shè)備（電鏟、液壓鏟、履帶挖等）或推土機(jī)上的終端系統(tǒng)， 結(jié)合中心端的作業(yè)指令，負(fù)責(zé)對裝載/卸載區(qū)作業(yè)流程 進(jìn)行協(xié)同管理，以使礦用寬體自卸車能夠高效、準(zhǔn)確、安全地完成入場、裝載/卸載與離場等工作。

（4）5G+V2X 無線通信系統(tǒng)        

5G+V2X無線通信系統(tǒng)是礦用寬體自卸車之間、監(jiān)控中心通信的基礎(chǔ)設(shè)施。其主要功能包括保證礦用寬體自卸車的安全行駛、保證礦用寬體自卸車與監(jiān)控中心的信息交互，以及為車輛差分定位信息的采集和傳輸提供技術(shù)保障。

（5）無人運(yùn)輸仿真系統(tǒng)

無人運(yùn)輸仿真系統(tǒng)可先于礦用寬體自卸車在礦區(qū)運(yùn)行之前完成，特別是在礦區(qū)大范圍推廣無人運(yùn)輸之前， 可快速對無人駕駛礦用寬體自卸車在整個礦區(qū)的運(yùn)行以及所有設(shè)備的智能化調(diào)度進(jìn)行快速仿真測試，可保證礦用寬體自卸車在測試期間的安全性與可靠性，并大幅提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

（6）車輛應(yīng)急接管系統(tǒng)

在礦用寬體自卸車無人駕駛系統(tǒng)實施前期，仍然需要駕駛員在車端或遠(yuǎn)程進(jìn)行危險狀態(tài)下的干預(yù)。由于礦用寬體自卸車速度較低，可采用遠(yuǎn)程安全員監(jiān)管的方式，一方面可提高安全員工作環(huán)境，另一方面可減少安全員的數(shù)量，實現(xiàn)一個安全員監(jiān)控多臺車輛。特殊情況下，遠(yuǎn)程安全員可通過搖控平臺實現(xiàn)對無人駕駛車輛的遠(yuǎn)程應(yīng)急接管。

3 代表性及推廣價值

截至2020年9月底，已有2臺無人駕駛礦車與其他有人駕駛礦車在一起混編運(yùn)行累計里程1310公里，共計拉運(yùn)礦石432車。2020年10月底前增加到5輛無人駕駛礦車，2020年底增加到10輛無人駕駛輛車。

該項目是安徽省首個商用5G+MEC下沉式部署落 地項目，也是安徽省“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”十大創(chuàng)新應(yīng)用之一，實現(xiàn)了國內(nèi)首家冶金露天礦山多臺礦用卡車無人駕駛與有人駕駛混編運(yùn)行。

基于5G+MEC礦車無人駕駛技術(shù)，有效提高礦山 資源綜合回收利用率、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益收益率， 并將全力提升我國礦山行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，推動傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊