5G通訊物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算在礦井車輛調(diào)度中的應(yīng)用研究

高智強(qiáng)，韓鼎業(yè)，侯利飛，劉宏杰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦公司山西大同037000)

0 引言

塔山煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著全礦井運(yùn)輸工作，是無軌膠輪車作為輔助運(yùn)輸系統(tǒng)主要設(shè)備的礦井，膠輪車輔助運(yùn)輸在提升礦井生產(chǎn)效率，也存在膠輪車無序運(yùn)行、高能耗、環(huán)境污染等諸多問題，5G通訊物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算在礦井車輛調(diào)度中的應(yīng)用研究以提高礦山輔助運(yùn)輸工作的安全高效及智能化運(yùn)行為目標(biāo)，考慮在無軌膠輪車輔助運(yùn)輸相關(guān)聯(lián)的多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)充分融合的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)融合和流程信息化再造實現(xiàn)井下無軌膠輪車運(yùn)行自動調(diào)配，構(gòu)筑起一種可實現(xiàn)煤礦井下智能調(diào)度管理系統(tǒng)，大幅提升煤礦井下無軌膠輪車輔助運(yùn)輸效能，提高統(tǒng)一指揮調(diào)度和信息共享水平，實現(xiàn)煤礦無軌膠輪車調(diào)度管理的智能化。

1 研究目標(biāo)

為解決傳統(tǒng)的車輛申請流程的冗余復(fù)雜、車輛調(diào)度工作的低效、出井人員的長時間等待、井下交通的底效和低安全性問題，研究礦井無軌膠輪車無人化智能調(diào)度管理系統(tǒng)及裝備研發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)車輛運(yùn)行調(diào)配的智能化、無人化，提高車輛運(yùn)行效率、提升車輛調(diào)度工作效率、增強(qiáng)井下交通的安全性、降低車輛運(yùn)行總體油耗、減少井下車輛運(yùn)行的尾氣排放，推動輔助運(yùn)輸工作由“人工調(diào)控”向“智能調(diào)度”運(yùn)行轉(zhuǎn)變。

2 技術(shù)原理

2.1 系統(tǒng)組成

車輛智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計為五層結(jié)構(gòu)，由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務(wù)集成層、前端界面層等組成，如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

實現(xiàn)智能調(diào)度，研究物聯(lián)網(wǎng)和云邊緣計算技術(shù)在車輛調(diào)度管理中的應(yīng)用，主要解決車輛井下行駛過程，由于井下基站斷電以及無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)，地面服務(wù)器不能有效獲取車輛軌跡和有效下發(fā)調(diào)度指令等問題。

擬采用IoT 遠(yuǎn)程監(jiān)視(RM)架構(gòu)，該架構(gòu)是一種經(jīng)MIT 許可的開源解決方案加速器，其引入的常用IoT方案（例如設(shè)備連接、設(shè)備管理、流處理）有助于加速開發(fā)過程。

該物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是云原生、微服務(wù)和無服務(wù)器化。應(yīng)用程序的不同子系統(tǒng)應(yīng)作為不同的微服務(wù)來生成，這些服務(wù)可以獨(dú)立部署，還可以獨(dú)立縮放。有了這些屬性，就可以提高規(guī)模，在更新單個子系統(tǒng)時更加靈活，并可根據(jù)子系統(tǒng)靈活地選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。

智能調(diào)度技術(shù)架構(gòu)的核心子系統(tǒng)如下圖所示：

圖2 智能調(diào)度技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖

智能調(diào)度應(yīng)用程序可描述為發(fā)送生成可洞察規(guī)律數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這些可洞察規(guī)律的數(shù)據(jù)通過執(zhí)行特定的業(yè)務(wù)邏輯來改進(jìn)業(yè)務(wù)或流程。例如：通過邊緣設(shè)備智能車載終端發(fā)送過來的高精度位置數(shù)據(jù)，通過此數(shù)據(jù)可以洞察到車輛是否存在違章超速行駛，然后再通過洞察到的結(jié)果，如果存在違章超速行駛行為，則執(zhí)行超速告警提示邏輯，進(jìn)而提醒司機(jī)注意安全行駛，整個過程無需人工參與。

此智能調(diào)度技術(shù)集成了IoT Edge 作為網(wǎng)關(guān)，結(jié)合采用5G+技術(shù)，對智能車載終端設(shè)備進(jìn)行連接，提供安全、雙向通信，并且利用IoT Edge 技術(shù)，可部署和管理自定義模塊，例如：臨時斷網(wǎng)時，緩存高精度定位數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)采集模塊。

此智能調(diào)度技術(shù)集成了Trill流分析引擎進(jìn)行復(fù)雜的實時業(yè)務(wù)規(guī)則處理，例如實時統(tǒng)計井下車輛數(shù)量、車輛行駛里程、車輛出入井方向、車輛下井趟數(shù)等。Trill技術(shù)提供了比當(dāng)今市場上的其他流分析引擎數(shù)據(jù)處理速度快2到4倍的性能。并且其本身為API方式，例如和Spark比較，不需要提交程序包，可與應(yīng)用程序深度融合。

智能調(diào)度技術(shù)當(dāng)中的數(shù)據(jù)存儲，采用兩種存儲方式：熱存儲和冷存儲，具體采用哪種方式與延遲和數(shù)據(jù)訪問的要求相關(guān)，例如，熱存儲的數(shù)據(jù)是必須可從設(shè)備中立即提供的數(shù)據(jù)，用于報告和可視化，而冷存儲的數(shù)據(jù)，一般是歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會保留較長時間，以用于大數(shù)據(jù)分析。

智能調(diào)度技術(shù)當(dāng)中的后端服務(wù)程序，采用Orleans分布式微服務(wù)應(yīng)用程序框架，主要實現(xiàn)后端服務(wù)的微服務(wù)化，提供高可用、高性能的分布式處理。

智能調(diào)度技術(shù)當(dāng)中的前端采用Vue 技術(shù)框架，提供數(shù)據(jù)與界面元素的雙向綁定，簡化前端頁面的開發(fā)工作量，提高工作效率。

為更好的呈現(xiàn)礦井車輛分布情況，智能調(diào)度技術(shù)自主研發(fā)三維礦圖展示平臺，主要解決井下巷道的三維自動成圖和三維展示問題。

系統(tǒng)井上主要由監(jiān)控主機(jī)/備機(jī)、UPS 電源、電涌保護(hù)器、礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型通信基站。

井下主要由礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型通信基站、礦用本安型讀卡分站、車輛標(biāo)識卡、車載的礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型車載終端、車載礦用行車記錄儀、礦用本安型車載終端、礦用本安型無線中繼器、礦用本安型中繼器、礦用本安型倒車?yán)走_(dá)、礦用本安型攝像頭、礦用本安型信號轉(zhuǎn)換、礦用本安型控制箱等組成。系統(tǒng)組成如下圖所示：

圖3 整體設(shè)備關(guān)聯(lián)圖

圖4 定位設(shè)備關(guān)聯(lián)圖（地面設(shè)備部分）

圖5 設(shè)備關(guān)聯(lián)圖（井下定位設(shè)備方式一）

圖6 井下定位設(shè)備關(guān)聯(lián)圖（井下定位設(shè)備方式二）

圖7 設(shè)備關(guān)聯(lián)圖（車載設(shè)備部分）

圖8 紅綠燈設(shè)備關(guān)聯(lián)圖（紅綠燈部分）

系統(tǒng)滿足的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T 191-2008 包裝儲運(yùn)圖示標(biāo)志

GB/T 2887-2011 計算機(jī)場地通用規(guī)范

GB/T 2829-2002 周期檢驗計數(shù)抽樣程序及表（適用于對過程穩(wěn)定性的檢驗）

GB3836.1-2010 爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求

GB3836.2-2010 爆炸性環(huán)境第2 部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備

GB3836.4-2010 爆炸性環(huán)境第4 部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備

GB/T 4208-2017 外殼防護(hù)等級（IP代碼）

GB/T9969-2008 工業(yè)產(chǎn)品使用說明書總則

MT/T1103-2009 井下移動目標(biāo)標(biāo)識卡及讀卡器

MT 209-1990 煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品 通用技術(shù)要求

MT/T210-1990 煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品基本試驗方法

AQ1043-2007 礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志標(biāo)識

AQ6210-2007 煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件

2.2 5G+的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算IoT Edge技術(shù)

將防碰撞檢測計算放到車載終端物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備上，這樣定位信號到地面服務(wù)器的響應(yīng)時間，縮短為定位信號到車載終端邊緣設(shè)備的響應(yīng)時間，并且定位信號到車載終端邊緣設(shè)備采用5G的CPE模塊接入到5G網(wǎng)絡(luò)，這樣充分利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、廣連接、高帶寬特性，使防碰撞檢測達(dá)到毫秒級。

采用物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算IoT Edge技術(shù)還可以解決車輛井下行駛過程，由于井下基站斷電以及無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)，地面服務(wù)器不能有效獲取車輛軌跡和有效下發(fā)調(diào)度指令等問題。

IoT Edge 是基于物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 中心構(gòu)建的IoT 服務(wù)。此服務(wù)供想要在設(shè)備上（也稱為“在邊緣上”）而不是在云中分析數(shù)據(jù)的客戶使用。通過將部分工作負(fù)荷移至邊緣，設(shè)備將消息發(fā)送到云所花費(fèi)的時間可以更少，并且設(shè)備可以對狀態(tài)更改更快地做出響應(yīng)。

IoT Edge 主要包含二個組件：IoT Edge 模塊、IoT Edge 運(yùn)行時。

IoT Edge 模塊是根據(jù)業(yè)務(wù)自己開發(fā)的代碼，是Iot Edge 的是執(zhí)行單位，可將多個模塊配置為互相通信，創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)處理管道?？墒褂肐oT Edge 來部署開發(fā)復(fù)雜事件處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識別和其他高價值A(chǔ)I。

IoT Edge 運(yùn)行時允許在IoT Edge 設(shè)備上使用自定義邏輯和云邏輯。它位于IoT Edge 設(shè)備上，執(zhí)行管理和通信操作。該運(yùn)行時執(zhí)行多個功能：

（1）在設(shè)備上安裝和更新工作負(fù)荷。

（2）維護(hù)設(shè)備上的IoT Edge 安全標(biāo)準(zhǔn)。

（3）確保IoT Edge 模塊始終處于運(yùn)行狀態(tài)。

（4）報告模塊運(yùn)行狀況，以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

（5）管理下游葉設(shè)備與IoT Edge 設(shè)備之間、IoT Edge 設(shè)備上的模塊之間以及IoT Edge 設(shè)備與云之間的通信。

3 應(yīng)用情況及分析

3.1 在塔山煤礦的二盤區(qū)調(diào)至一盤區(qū)的調(diào)度應(yīng)用情況

收到用車申請任務(wù)，PAD 彈出任務(wù)界面。任務(wù)界面如下圖所示：

圖9 任務(wù)界面設(shè)計

司機(jī)在PAD上點(diǎn)擊“出車”即認(rèn)為接受任務(wù)，系統(tǒng)會自動進(jìn)行導(dǎo)航規(guī)劃。若選擇“稍后”，則稍后可以在任務(wù)列表中選擇接受任務(wù)。導(dǎo)航界面同時顯示當(dāng)前車輛位置至起點(diǎn)的導(dǎo)航路線以及起點(diǎn)至終點(diǎn)導(dǎo)航路線，車輛位置沿導(dǎo)航路線實時更新。中途可以點(diǎn)擊“結(jié)束”提前結(jié)束任務(wù)，也可以在完成任務(wù)后自動結(jié)束。導(dǎo)航界面如下圖所示：

圖10 導(dǎo)航界面

點(diǎn)擊平板上的視頻通話按鈕或PC端的視頻按鈕，進(jìn)行視頻通話，通話界面如圖11所示。車輛啟動倒車信號時，平板會自動調(diào)起倒車?yán)走_(dá)和倒車影像，倒車?yán)走_(dá)及倒車影像界面如圖12所示。

圖11 視頻通話界面圖

12 倒車?yán)走_(dá)及倒車影像界面

關(guān)掉倒車信號，返回主界面。至此完成一輪測試。

3.2 分析

系統(tǒng)充分支持5G應(yīng)用場景，尤其車載終端充分利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率、大容量、低延時的特點(diǎn)，讓井上井下視頻語音通話瞬時接通無卡頓，提高消息推送的速度，讓車輛防碰撞提醒更加及時準(zhǔn)確，在5G信號下實現(xiàn)了井上調(diào)度人員可以通過車載終端實時查看車輛前方的行駛情況，提高了調(diào)度員對司機(jī)的駕駛行為的掌控。

井下候車站接入5G網(wǎng)絡(luò)，井上調(diào)度員可以實時監(jiān)傳輸人流量、路況、線路、站點(diǎn)等情況，結(jié)合智能調(diào)度系統(tǒng)，分析預(yù)測未來人員數(shù)量，通過人員數(shù)量、發(fā)班、路況等因素實現(xiàn)智能排班、自動調(diào)度。

同時，我們也對井下正在實施的5G信號進(jìn)行了關(guān)聯(lián)測試。試驗表明在5G 網(wǎng)絡(luò)下，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，無線信號穩(wěn)定。可以看出，無線接入點(diǎn)的連接質(zhì)量對系統(tǒng)的有效運(yùn)行影響巨大。

4 結(jié)語

智能調(diào)度管理系統(tǒng)及裝備的技術(shù)研究，相比較傳統(tǒng)用車申請流程的冗余復(fù)雜、車輛調(diào)度工作的低效、出井人員的長時間等待、井下交通的較低安全性，切實有效推動了輔助運(yùn)輸工作由“人工調(diào)控”向“智能調(diào)度”轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了計劃用車、合理調(diào)車、最大限度的節(jié)約用車成本，提高了20%～30%的車輛管理運(yùn)行效率。由此證明，礦井無軌膠輪車智能調(diào)度管理系統(tǒng)及裝備在車輛管理上優(yōu)于傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸管理系統(tǒng)。

從成本控制方面來看，礦井無軌膠輪車智能調(diào)度管理系統(tǒng)及裝備在提高車輛運(yùn)行效率的同時，切實優(yōu)化了井下車輛配置，減少了人員等待時間，長此以往減少了大量的成本支出。