1 目標和概述

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線建設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基礎建設 網絡，中興通訊提供基站設備與MEC邊緣計算設備， 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、運輸管理更科學等優勢。卡車無人駕駛技術的應用將有利于防范化解生產安全風險，減少直接參與生產的人員數量，實現“少人則安、無人則安”的目標，加快實現露天礦減人、降本、增效的目標。無人駕駛技術的研究與推廣將大大提高設備生產效率，減少設備人為操作不當造成的損耗，大幅度節約人工成本，解決運輸崗位“招工難”問題，有效解決司機老齡化、年輕司機從業意愿低、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度系統實現自動派單、自主規劃行駛路徑；通過無人駕駛系統實現自動駕駛、自動泊車、主動避障；通過挖機協同和卸載協同系統實現自動對位、自動卸載；通過路側感知和路面仿真系統實現路況實時感知、自動修正、主動修測；通過遠程遙控駕駛系統（模擬器裝置）實現遠程應急接管、保證無人礦車運行安全；通過V2X通訊系統實現無人駕駛所有指令信息互通、互聯；通過5G+MEC（移動邊緣計算）專網保證通訊網絡質量穩定、保障企業信息安全、提升（車）端到（指令）端延時。

2 解決方案介紹

2.1 總體建設方案

由終端采集的數據通過5G基站接入無線網絡，通 過網關截斷數據并進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園區內），實現數據不出場區，使數據生產、使用的全業務流程 均在園區內完成，保證數據的安全。實現公網數據與 此數據的隔離，保證數據傳輸的SLA性能保證（速率保 證、時延保證），并配合邊緣計算技術實現高速率、 低時延的應用，賦能信息化系統升級，加速智慧工業 快速發展。

 5G總體方案：5G采用三層組網，UPF下沉至MEC側。架構如圖1所示。

圖1 項目總體架構

核心網：采用安徽商用5GC核心網。 

無線側：本項目針對室外區域將采用BBU+AAU進行信號覆蓋，室內場景使用QCell進行覆蓋，如圖2所示。

圖2 無線側方案

引入MEC的優點： 

（1）縮短傳輸時延：數據不需要經過核心網，傳 輸路徑變短，時延減少； 

（2）減輕傳輸網絡的壓力：數據直接本地卸載到 工廠的數據中心，不需要經過回傳網絡，節省回傳網絡 的帶寬；

 （3）數據安全性：數據直接發送給本地網絡，減 少在互聯網的傳輸，工廠數據更加安全。

2.2 MEC建設方案

2.2.1 MEC架構概述MEC的架構如圖3所示。

圖3 MEC架構圖

2.2.2 MEC部署規劃

為滿足項目業務需求，在馬鋼礦業和尚橋鐵礦部署MEC平臺，UPF下沉邊緣DC，實現本地流量分流。

（1）終端通過5G基站接入到網絡中；

（2）MEC部署在基站BBU和核心網之間，礦區內機房；

（3）MEC提供3個類型的對外接口，分別對接BBU，核心網和工廠的數據中心；

（4）針對礦區終端的數據業務，數據不發送到核心網，直接通過MEC的本地分流功能送到礦區的數據中心；

（5）MEC和礦區數據中心之間，通過防火墻進行 隔離，保證礦區數據的安全。

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

 由上表常規視頻業務模型，參考本期智能采礦業務 需求，本次MEC帶寬配置為5Gbps，滿足15臺高清攝 像機及VR終端的接入需求。 

后續根據園區其他典型應用，UPF及MEC現有配 置可進行平滑擴容。 

2.2.4　MEC網絡詳細架構 

（1）MEC組網 

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

•   UPF+MEC內部形成2×10GE無阻塞通道，出 口上行至2臺業務交換機。

•   業務交換機經2×10GE口字型上聯就近STN-B 節點，實現MEC與5GC及基站的組網。UPF——基站： 通過STN-B——STN-A接入礦區5G基站。

•   本地轉發流量：業務數據經過UPF轉發后， 經業務交換機設備流出，經專線接入礦區應用服務器 （如智能采礦服務器等）內網，實現本地流量轉發。網 絡架構如圖4所示。 

圖4 MEC組網網絡架構

（2）MEC內部組網架構

考慮到安全性，不同用途的網絡規劃不同的物理網絡或者采用VLAN隔離，使用獨立的子網，建議管理網絡、業務網絡分離。每個子網都通過網關和現網設備或系統對接，不直接使用現網的子網。

邊緣組網如圖5所示，采用5960交換作為邊緣DC 的網關，側掛防火墻作為東西向租戶間的防護。下行分別連接服務器管理/存儲（合一）、業務網絡。

圖5 邊緣組網 

（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　礦車無人駕駛技術方案

和尚橋礦車的無人駕駛系統建設內容包括智能調度與監管系統（涵蓋運輸智能化調度、設備監測安全管理、數據分析管理、地圖編輯管理）、無人運輸仿真系統、礦用寬體自卸車無人駕駛系統、協同裝載/卸載管 理系統、應急接管系統、網絡傳輸與定位系統等。各系統之間的相互作用關系如圖6所示。 

圖6 各系統關系

（1）無人化作業智能調度與監管系統

智能調度與監管系統將礦用寬體自卸車、挖機/電 鏟、推土機、其他輔助作業車輛等全部納入，是整個礦山無人化作業系統的控制中心、數據中心和決策中心。能夠進行車輛智能調度、交通管理、作業任務下發、地圖數據更新、實時狀態監控、作業數據統計與分析等。智能調度與監管系統能夠允許礦區內有人車與無人車混合作業，特別是和尚橋礦山實施無人運輸的前期階段，無人駕駛車輛與有人駕駛車輛可實現安全同步作業。

（2）礦用卡車無人駕駛系統

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

（3）協同裝載/卸載作業管理系統

協同裝載/卸載作業管理系統是安裝在裝載設備（電鏟、液壓鏟、履帶挖等）或推土機上的終端系統， 結合中心端的作業指令，負責對裝載/卸載區作業流程 進行協同管理，以使礦用寬體自卸車能夠高效、準確、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        

5G+V2X無線通信系統是礦用寬體自卸車之間、監控中心通信的基礎設施。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保障。

（5）無人運輸仿真系統

無人運輸仿真系統可先于礦用寬體自卸車在礦區運行之前完成，特別是在礦區大范圍推廣無人運輸之前， 可快速對無人駕駛礦用寬體自卸車在整個礦區的運行以及所有設備的智能化調度進行快速仿真測試，可保證礦用寬體自卸車在測試期間的安全性與可靠性，并大幅提高系統開發效率。

（6）車輛應急接管系統

在礦用寬體自卸車無人駕駛系統實施前期，仍然需要駕駛員在車端或遠程進行危險狀態下的干預。由于礦用寬體自卸車速度較低，可采用遠程安全員監管的方式，一方面可提高安全員工作環境，另一方面可減少安全員的數量，實現一個安全員監控多臺車輛。特殊情況下，遠程安全員可通過搖控平臺實現對無人駕駛車輛的遠程應急接管。

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行累計里程1310公里，共計拉運礦石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+工業互聯網”十大創新應用之一，實現了國內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行。

基于5G+MEC礦車無人駕駛技術，有效提高礦山 資源綜合回收利用率、勞動生產率和經濟效益收益率， 并將全力提升我國礦山行業的生產技術水平，推動傳統行業的轉型升級。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊