1 目标和概述
和尚桥采场5G无人驾驶矿用卡车项目是和尚桥智慧矿山示范产线建设的一个重要支撑项目，基于中国电信5G MEC边缘计算平台，中国电信提供5G基础建设网络，中兴通讯提供基站设备与MEC边缘计算设备，慧拓智能提供矿车无人驾驶平台。相比有人驾驶，无人驾驶具有工作效率更高、人力成本更低、安全性更高、运输管理更科学等优势。卡车无人驾驶技术的应用将有利于防范化解生产安全风险，减少直接参与生产的人员数量，实现“少人则安、无人则安”的目标，加快实现露天矿减人、降本、增效的目标。无人驾驶技术的研究与推广将大大提高设备生产效率，减少设备人为操作不当造成的损耗，大幅度节约人工成本，解决运输岗位“招工难”问题，有效解决司机老龄化、年轻司机从业意愿低、人力及管理成本逐年增加等问题。
无人驾驶矿车通过智能调度系统实现自动派单、自主规划行驶路径；通过无人驾驶系统实现自动驾驶、自动泊车、主动避障；通过挖机协同和卸载协同系统实现自动对位、自动卸载；通过路侧感知和路面仿真系统实现路况实时感知、自动修正、主动修测；通过远程遥控驾驶系统（模拟器装置）实现远程应急接管、保证无人矿车运行安全；通过V2X通讯系统实现无人驾驶所有指令信息互通、互联；通5G MEC（移动边缘计算）专网保证通讯网络质量稳定、保障企业信息安全、提升（车）端到（指令）端延时。
2 解决方案介绍
2.1 总体建设方案
由终端采集的数据通过5G基站接入无线网络，通过网关截断数据并进行本地分流到本地部署的MEC边缘计算平台（该边缘计算平台部署于工业园区内），实现数据不出场区，使数据生产、使用的全业务流程均在园区内完成，保证数据的安全。实现公网数据与此数据的隔离，保证数据传输的SLA性能保证（速率保证、时延保证），并配合边缘计算技术实现高速率、低时延的应用，赋能信息化系统升级，加速智慧工业快速发展。
5G总体方案
5G采用三层组网，UPF下沉至MEC侧。架构如图1所示。
图1 项目总体架构
核心网
采用安徽商用5GC核心网。
无线侧：
本项目针对室外区域将采用BBU AAU进行信号覆盖，室内场景使用QCell进行覆盖，如图2所示。
图2 无线侧方案
引入MEC的优点：
（1）缩短传输时延：数据不需要经过核心网，传输路径变短，时延减少；
（2）减轻传输网络的压力：数据直接本地卸载到工厂的数据中心，不需要经过回传网络，节省回传网络的带宽；
（3）数据安全性：数据直接发送给本地网络，减少在互联网的传输，工厂数据更加安全。
2.2 MEC建设方案
2.2.1 MEC架构概述
MEC的架构如图3所示。
图3 MEC架构图
2.2.2 MEC部署规划
为满足项目业务需求，在马钢矿业和尚桥铁矿部署MEC平台，UPF下沉边缘DC，实现本地流量分流。
（1）终端通过5G基站接入到网络中；
（2）MEC部署在基站BBU和核心网之间，矿区内机房；
（3）MEC提供3个类型的对外接口，分别对接BBU，核心网和工厂的数据中心；
（4）针对矿区终端的数据业务，数据不发送到核心网，直接通过MEC的本地分流功能送到矿区的数据中心；
（5）MEC和矿区数据中心之间，通过防火墙进行隔离，保证矿区数据的安全。
2.2.3 MEC带宽及性能需求（如表1所示）
由上表常规视频业务模型，参考本期智能采矿业务需求，本次MEC带宽配置为5Gbps，满足15台高清摄像机及VR终端的接入需求。
后续根据园区其他典型应用，UPF及MEC现有配置可进行平滑扩容。
2.2.4 MEC网络详细架构
（1）MEC组网
本期工程使用安徽电信商用5GC核心网，在矿区机房下沉部署UPF MEC。其中：
- UPF MEC内部形成2×10GE无阻塞通道，出口上行至2台业务交换机。
- 业务交换机经2×10GE口字型上联就近STN-B节点，实现MEC与5GC及基站的组网。UPF——基站：通过STN-B——STN-A接入矿区5G基站。
- 本地转发流量：业务数据经过UPF转发后，经业务交换机设备流出，经专线接入矿区应用服务器（如智能采矿服务器等）内网，实现本地流量转发。网络架构如图4所示。
图4 MEC组网网络架构
（2）MEC内部组网架构
考虑到安全性，不同用途的网络规划不同的物理网络或者采用VLAN隔离，使用独立的子网，建议管理网络、业务网络分离。每个子网都通过网关和现网设备或系统对接，不直接使用现网的子网。
边缘组网如图5所示，采用5960交换作为边缘DC的网关，侧挂防火墙作为东西向租户间的防护。下行分别连接服务器管理/存储（合一）、业务网络。
图5 边缘组网
（3）硬件清单
本期项目使用UPF/GW-U MEP部署，初步按照5Gbps吞吐量商用模型。使用R5300 G4服务器部署，配置如表2所示。
2.3 矿车无人驾驶技术方案
和尚桥矿车的无人驾驶系统建设内容包括智能调度与监管系统（涵盖运输智能化调度、设备监测安全管理、数据分析管理、地图编辑管理）、无人运输仿真系统、矿用宽体自卸车无人驾驶系统、协同装载/卸载管理系统、应急接管系统、网络传输与定位系统等。各系统之间的相互作用关系如图6所示。
图6 各系统关系
（1）无人化作业智能调度与监管系统
智能调度与监管系统将矿用宽体自卸车、挖机/电铲、推土机、其他辅助作业车辆等全部纳入，是整个矿山无人化作业系统的控制中心、数据中心和决策中心。能够进行车辆智能调度、交通管理、作业任务下发、地图数据更新、实时状态监控、作业数据统计与分析等。智能调度与监管系统能够允许矿区内有人车与无人车混合作业，特别是和尚桥矿山实施无人运输的前期阶段，无人驾驶车辆与有人驾驶车辆可实现安全同步作业。
（2）矿用卡车无人驾驶系统
矿用卡车无人驾驶系统使矿用宽体自卸车具备单车自动行驶能力，能够感知环境与障碍物信息，做出单车范围内的决策命令，具备自动避障及控制能力。可接收调度中心发出的作业、行驶指令，以及与挖机、推土机的协同作业指令，完成自动驾驶。
（3）协同装载/卸载作业管理系统
协同装载/卸载作业管理系统是安装在装载设备（电铲、液压铲、履带挖等）或推土机上的终端系统，结合中心端的作业指令，负责对装载/卸载区作业流程进行协同管理，以使矿用宽体自卸车能够高效、准确、安全地完成入场、装载/卸载与离场等工作。
（4）5G V2X无线通信系统
5G V2X无线通信系统是矿用宽体自卸车之间、监控中心通信的基础设施。其主要功能包括保证矿用宽体自卸车的安全行驶、保证矿用宽体自卸车与监控中心的信息交互，以及为车辆差分定位信息的采集和传输提供技术保障。
（5）无人运输仿真系统
无人运输仿真系统可先于矿用宽体自卸车在矿区运行之前完成，特别是在矿区大范围推广无人运输之前，可快速对无人驾驶矿用宽体自卸车在整个矿区的运行以及所有设备的智能化调度进行快速仿真测试，可保证矿用宽体自卸车在测试期间的安全性与可靠性，并大幅提高系统开发效率。
（6）车辆应急接管系统
在矿用宽体自卸车无人驾驶系统实施前期，仍然需要驾驶员在车端或远程进行危险状态下的干预。由于矿用宽体自卸车速度较低，可采用远程安全员监管的方式，一方面可提高安全员工作环境，另一方面可减少安全员的数量，实现一个安全员监控多台车辆。特殊情况下，远程安全员可通过摇控平台实现对无人驾驶车辆的远程应急接管。
3 代表性及推广价值
截至2020年9月底，已有2台无人驾驶矿车与其他有人驾驶矿车在一起混编运行累计里程1310公里，共计拉运矿石432车。2020年10月底前增加到5辆无人驾驶矿车，2020年底增加到10辆无人驾驶辆车。
该项目是安徽省首个商用5G MEC下沉式部署落地项目，也是安徽省“5G 工业互联网”十大创新应用之一，实现了国内首家冶金露天矿山多台矿用卡车无人驾驶与有人驾驶混编运行。
基于5G MEC矿车无人驾驶技术，有效提高矿山资源综合回收利用率、劳动生产率和经济效益收益率，并将全力提升我国矿山行业的生产技术水平，推动传统行业的转型升级。
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文|毕善春
摘自《自动化博览》2021年2月刊暨《边缘计算2021专辑》
