龍首礦電機車無人駕駛系統(tǒng)5G 網(wǎng)絡構(gòu)建與優(yōu)化

趙 鵬，駱軍軍，馮金慶

金川集團股份有限公司龍首礦 甘肅金昌 737100

有軌運輸系統(tǒng)是礦山平面運輸?shù)闹饕绞剑瑹o人駕駛電機車已成為當前智慧礦山建設的重要內(nèi)容。在電機車無人駕駛系統(tǒng)中，無線通信是其成功實施的重要因素，起著決定性作用。電機車無人駕駛系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)為 WiFi，存在帶寬窄、易干擾、頻繁中斷等問題，在系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、效率提升方面存在不足。

5G 無線通信技術(shù)誕生以來，以其大數(shù)據(jù)量、高帶寬、低延時等優(yōu)勢廣泛應用于工業(yè)控制領域，也是工業(yè)控制從有線到無線發(fā)展的重要技術(shù)變革，礦山有軌運輸系統(tǒng)電機車無人駕駛就是 5G 無線通信的典型應用場景。

針對龍首礦 1703 水平有軌運輸電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 無線通信網(wǎng)絡，通過對其組網(wǎng)、網(wǎng)絡優(yōu)化和通信架構(gòu)等的論述，旨在進一步論證 5G 無線通信技術(shù)在礦山領域的應用方式及實施效果，為 5G 無線通信技術(shù)的工業(yè)化應用提供參考案例及技術(shù)支撐。

1 5G 技術(shù)實施背景及應用意義

1.1 實施背景

龍首礦 1703 水平有軌運輸系統(tǒng)全年拉運量 232萬 t，運輸線路全長 2.2 km，包括 1.0 km 平硐和 1.2 km 露天 2 種線路，車輛運行工藝為雙機牽引折返式運行模式。傳統(tǒng)的有軌運輸系統(tǒng)操作方式為現(xiàn)場操作，駕駛電機車、扳道、裝礦等都存在粉塵、噪聲、車輛傷害等風險，且露天環(huán)境中冬季嚴寒、夏季酷暑，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境非常惡劣。

根據(jù)現(xiàn)場實際需求以及“智慧礦山”建設的發(fā)展要求，龍首礦在 2019 年 10 月完成了基于2.4 GHz WiFi 無線通信的電機車無人駕駛系統(tǒng)，實現(xiàn)了 1703水平有軌運輸系統(tǒng) 5 列電機車的無人駕駛和智能調(diào)度。系統(tǒng)建成以來，機車調(diào)度系統(tǒng)和機車控制系統(tǒng)運行效果良好，但 WiFi 無線通信系統(tǒng)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，一是 WiFi 無線通信的數(shù)據(jù)量小、帶寬窄，車載移動視頻信號易出現(xiàn)卡頓、延時長等問題；二是基站覆蓋面較小，信號切換較為頻繁，易出現(xiàn)信號丟失現(xiàn)象；三是地表區(qū)域 WiFi 信號易受干擾，信號中斷現(xiàn)象較為明顯；四是 WiFi 信號延時較長，機車的控制精度較差，存在安全隱患?？梢姡琖iFi 無線通信系統(tǒng)是制約車輛穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，亟需升級改造。

1.2 應用意義

當前，5G、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的廣泛應用使得全球礦業(yè)正在經(jīng)歷新的革命。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國資源開發(fā)逐步進入深部，超過 1 500 m的金屬礦山近 50 座，未來 15 年內(nèi)，1/3的金屬礦山將進入 1 500 m，深部開采難度大，安全風險高，生產(chǎn)效率低，發(fā)展智能化乃至無人化采礦技術(shù)，是我國資源開發(fā)尤其是深部資源開采的必然選擇和必經(jīng)之路。5G 技術(shù)正憑借大帶寬、廣連接、低時延的特性，成為助力智慧礦山建設的關(guān)鍵技術(shù)[1]，但是 5G 技術(shù)沒有在礦山復雜地貌條件下的成熟應用案例，需要做大量的探索性工作[2]。

5G 技術(shù)具備高性能、低延遲與高容量等特性[3]，它在信息交互上傳輸量大、速度快，可以滿足無人駕駛的高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸要求?；?G 網(wǎng)絡，無人駕駛數(shù)據(jù)傳輸速度可以實現(xiàn)大幅飛躍，人、車、路實現(xiàn)有效協(xié)同交互，其高效率、高安全性將更進一步集中體現(xiàn)，尤其在礦山應用領域更具明顯的優(yōu)勢，將5G 技術(shù)成功應用在礦山有軌運輸電機車無人駕駛上對推動智慧礦山建設具有重要的意義。

2 總體設計方案

2.1 設計原則

5G 無線通信系統(tǒng)設計總體原則為安全、實用、經(jīng)濟，以實現(xiàn)網(wǎng)絡安全可靠、功能高效實用、配置合理經(jīng)濟，并滿足系統(tǒng)實時性、開放性、互換性、可用性、易操作性、易維護性的要求，達到適應無人駕駛電機車應用及智慧礦山現(xiàn)代化生產(chǎn)管理模式的需求。

(1) 安全性原則 系統(tǒng)建設充分考慮現(xiàn)場環(huán)境的復雜性及礦山生產(chǎn)的安全性，堅持安全第一的原則。

(2) 實用性、可靠性原則 系統(tǒng)在滿足結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、性能先進等要求的基礎上，選擇可靠性高、已定型并有一定運行經(jīng)驗的設備；在具備基本功能的前提下，組網(wǎng)合理、維護方便的基礎上，系統(tǒng)實用性和可靠性為首要考慮因素?；诖?，組網(wǎng)重點技術(shù)指標為延時和帶寬，露天環(huán)境下組網(wǎng)設備一般選用傳統(tǒng)宏基站，井下巷道等復雜環(huán)境下組網(wǎng)設備一般選用室分 RRU+泄漏電纜的方式。

(3) 標準化原則 硬件設備能與現(xiàn)場工藝儀表和控制執(zhí)行機構(gòu)形成規(guī)范化的標準接口，系統(tǒng)符合相關(guān)規(guī)范要求；設備選型采用通過安全認證的設備和技術(shù)產(chǎn)品，使系統(tǒng)建設滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

(4) 結(jié)構(gòu)簡單、維護方便原則 充分考慮礦山地壓變形等環(huán)境因素，在保障功能和安全的基礎上，采用結(jié)構(gòu)簡單、維護簡便的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(5) 擴展性、兼容性原則 考慮到今后智慧礦山的深入發(fā)展需求，系統(tǒng)接口和通道應具備擴張和兼容功能。

2.2 方案內(nèi)容

該方案由兩部分內(nèi)容組成，一是 5G 現(xiàn)場組網(wǎng)，二是電機車終端設計，電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 通信拓撲圖如圖 1 所示。

圖1 電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 通信拓撲圖Fig.1 Topography of 5G communication for electric locomotive driverless operation system

(1) 現(xiàn)場組網(wǎng) 項目位于龍首礦 1703 水平，現(xiàn)場由 1.2 km 平硐和 1.0 km 露天環(huán)境組成。露天環(huán)境可完全采用傳統(tǒng)宏基站覆蓋，因平硐為直線結(jié)構(gòu)，空間較大，考慮標準化統(tǒng)一性原則，也設計為宏基站進行信號覆蓋，考慮到環(huán)境限制，基站布置適當做加密及增大覆蓋面處理。

(2) 車載終端設計 電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 無線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為控制信號和車載視頻信號，在集控室部署 LNS 路由器，分配公網(wǎng) IP，通過互聯(lián)網(wǎng)專線接入運營商城域網(wǎng)。LNS 路由器端提供 2 個RJ45 接口，分別對接視頻監(jiān)控服務器及遠程控制系統(tǒng)交換機。每臺電機車安裝 1 臺 5G CPE 和 1 臺 LAC路由器，提供 2 個 RJ45 接口分別對接高清攝像頭及電機車控制系統(tǒng)；LNS 和 LAC 之間配置 L2 TP 隧道協(xié)議，建立 Bridge 橋接通道，實現(xiàn)車載端與集控室端內(nèi)網(wǎng)通信。

3 5G 組網(wǎng)設計方案

3.1 站址選擇

根據(jù)理論計算確定站間距，并經(jīng)過實地勘測，選定 5 個站址，共計 8 個扇區(qū)。其中平硐內(nèi)二扇區(qū)站址2 個、一扇區(qū)站址 1 個，其天線安裝于平硐頂部或平硐側(cè)；平硐外二扇區(qū)站址 1 個、一扇區(qū)站址 1 個，其天線安裝于軌道旁燈桿和集控室旁原有拉線桿上。站址點位如圖 2 所示。

圖2 基站點位示意Fig.2 Scheme of point location of base stations

(1) 1 號點位天線 1 號點位在墻體側(cè)面新建 2個 1.2 m 附墻抱桿，2 個抱桿水平相距 2.0 m，抱桿掛高離地為 1.8 m，固定在墻體側(cè)面。在此安裝 2 個5G 設備 (800 mm×400 mm×200 mm，50 kg) 和 2 個4G 設備 (?150 mm×700 mm，15 kg)，分纖箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁掛于側(cè)幫，光纜和電源線延平硐側(cè)幫電纜掛鉤敷設，如圖 3 所示。

圖3 1 號點位天線安裝示意Fig.3 Installation sketch of antenna at point location 1

(2) 2 號點位天線 2 號點位新建 1 個 1.2 m 附墻抱桿，固定在墻體側(cè)面，抱桿掛高離地為 3.2 m，抱桿底端離下側(cè)門上邊緣 0.4 m。在此安裝 1 個 5G 設備 (800 mm×400 mm×200 mm，50 kg)，分纖箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁掛于側(cè)幫，光纜和電源線延平硐側(cè)幫電纜掛鉤敷設，如圖 4 所示。

圖4 2 號點位天線安裝示意Fig.4 Installation sketch of antenna at point location 2

(3) 3 號點位天線 在 3 號點位側(cè)面安裝設備存在一定的風險，因此在平硐頂部新建 2 個 1.2 m附墻抱桿，2 個抱桿水平相距 2.0 m，抱桿掛高離地為 3.2 m，固定在平硐頂部。在此安裝 2 個 5G 設備(800 mm×400 mm×200 mm，50 kg) 和 2 個 4G 設備(?150 mm×700 mm，15 kg)，分纖箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁掛于側(cè)幫，光纜和電源線延平硐側(cè)幫電纜掛鉤敷設，如圖 5 所示。

圖5 3 號點位天線安裝示意Fig.5 Installation sketch of antenna at point location 3

(4) 4 號點位天線 4 號點位天線直接安裝在路燈桿上，掛高離地為 9 m。在此安裝 1 個 5G 設備(800 mm×400 mm×200 mm，50 kg)，分纖箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁掛于軌旁配電箱側(cè)，光纜布線占用鐵桿架空吊線第 1 層，電源線布線占用鐵桿架空吊線第 2 層。

3.2 基站電源計算

為了給通信設備獨立穩(wěn)定供電，5G 設備需要重新引電，負荷端共計 6 個 5G 設備和 4 個 4G 設備。其中每個 5G 設備功率為 1 100 W，每個 4G 設備功率為300 W，共計總功率 7 800 W，總電流為 34 A。選擇總輸入電源線為 RVVZ-3×10 mm2，沿軌旁線路敷設。

3.3 機房設備安裝

在集控室機房新增 1 個綜合機柜 (600 mm×600 mm×2 200 mm)，用于安裝 5G-BBU 和傳輸設備，其總功率為 2 600 W，包括 BBU 供電模塊。機房綜合機柜安裝如圖 6 所示。

圖6 機房綜合機柜安裝示意Fig.6 Installation sketch of integrated cabinets in computer room

3.4 光纜接入設計

為確保 5G 基站的安全運行，龍首礦有軌運輸集控室機房傳輸承載 A2 設備的光纜接入，按雙路由接入進行設計：①第 1 路由，由龍首礦最近某基站布放1 條 24 芯光纜至龍首礦有軌運輸集控機房成端，A2設備通過跳纖上聯(lián)至某區(qū) B 設備；② 第 2 路由，由某地光纜交接箱引接 1 條 24 芯光纜，布放至龍首礦有軌運輸集控機房成端，A2 設備通過跳纖上聯(lián)至某地 B 設備。

5G 基站接入光纜由龍首礦有軌運輸集控機房引接，分別引出 2 條 24 芯光纜，沿現(xiàn)有軌道鐵桿吊線 (弱電層) 布放至 1、2、3、4 號點位基站，每個基站成端 12 芯；基站點安裝 24 芯光纜分纖箱 (500 mm×550 mm×450 mm)，用于光纜成端及電力電纜接線。5G 基站通信光纜拓撲圖如圖 7 所示。

圖7 5G 基站通信光纜拓撲圖Fig.7 Topography of communication cable of 5G base stations

4 電機車 5G 通信設計方案

4.1 方案內(nèi)容

(1) 分別在控制臺和電機車側(cè)各部署 1 臺 SRG 路由器。

(2) 控制臺側(cè) SRG 路由器 WAN 口連接城域網(wǎng)設備，并配置公網(wǎng)固定 IP，LAN 口連接控制臺交換機并連接電機車控制設備。

(3) 電機車側(cè) SRG 路由器 WAN 口連接 CPE，每個 CPE 下掛 2 部高清攝像頭；LAN 口連接電機車交換機。

(4) 2 臺 SRG 路由器之間啟用 L2 TP 平硐，SRG業(yè)務側(cè)啟用 Bridge 通道，實現(xiàn)兩內(nèi)網(wǎng)二層互通。

(5) 測試電機車通過 5G 通道與控制器連通，并進行數(shù)據(jù)回傳。

4.2 方案實現(xiàn)及優(yōu)化

相對于傳統(tǒng)的 5G 應用實現(xiàn)，電機車無人駕駛系統(tǒng)須確保運行狀態(tài)下高速率視頻實時回傳，因此，5G方案須解決以下技術(shù)問題。①無線基礎優(yōu)化：電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 通信的無線環(huán)境要求質(zhì)量更高，需滿足高覆蓋率、高通信質(zhì)量以及減小非必要切換帶來的速率波動；② 視頻卡頓：視頻數(shù)據(jù)實時回傳要求低時延和低誤碼率，數(shù)據(jù)包的發(fā)送要避免拆包和重傳；③上行容量：高清視頻具有較高的視頻碼率，5G上行帶寬是 5G 性能短板，在會車等多通信電重疊的情況下，須解決上行容量問題。

4.2.1 無線基礎優(yōu)化

無線基礎優(yōu)化主要對 LTE 錨點站點以及 5G 站點，從覆蓋、質(zhì)量以及切換性能 3 個方面進行優(yōu)化。

(1) 覆蓋優(yōu)化 網(wǎng)絡覆蓋檢測，4G 錨點軌旁覆蓋率較差，問題主要集中在 3 個區(qū)域，通過 RF 優(yōu)化(1 號點位新增 LTE 扇區(qū)，2 號點位優(yōu)化調(diào)整方位角，3 號點位增加功率)，平均信號接收功率由 -85.86 dBm提升至 -75.41 dBm，提升 10 dBm。

(2) 質(zhì)量優(yōu)化 優(yōu)化前，卸礦點 4G、5G SINR 均不理想。通過 RF 優(yōu)化，錨點站質(zhì)差區(qū)域 SINR 由 2 dB提升至 13 dB，提升幅度 11 dB。對 5 號點位進行扇區(qū)調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化，5G 質(zhì)差區(qū)域 SINR 由 6 dB 提升至20 dB。

(3) 切換優(yōu)化 RF 優(yōu)化前，4G 基站存在頻繁切換，礦車單程切換 15 次以上。為進一步減小切換帶來的影響，對 LTE 平硐內(nèi)和平硐外軌旁進行分組合并，減輕切換帶來的卡頓現(xiàn)象，錨點單程切換降低至1 次。RF 優(yōu)化前，5G 單程運行平均切換 11 次，個別區(qū)域存在頻繁切換現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，通過天饋 RF 優(yōu)化及參數(shù)優(yōu)化，減少非必要切換，切換次數(shù)降至 6 次，且均為必要切換。

通過增補站點、天饋調(diào)整以及軌旁合并和參數(shù)優(yōu)化，4G 錨點和 5G 站點各項指標均明顯提升，優(yōu)化前后各項指標對比如表 1 所列。

表1 優(yōu)化前后指標對比Tab.1 Comparison of indexes before and after optimization

4.2.2 視頻卡頓優(yōu)化

電機車在運行中經(jīng)過平硐口和天橋處經(jīng)常出現(xiàn)視頻卡頓現(xiàn)象，對此問題進行分析優(yōu)化。

(1) 誤碼率優(yōu)化 對 2 處卡頓點日志進行分析(見圖 8)，2 處卡頓點的上行初始誤碼率大于10%，重傳率大于5%。對上行誤碼率進行收斂，設定初始誤碼率收斂目標值為 1%。優(yōu)化后上行誤碼率控制在1.5% 以內(nèi)，重傳率由 8.97% 降至 1.35%。

圖8 卡頓點日志分析Fig.8 Analysis on record of lagging point

圖9 優(yōu)化前后對比Fig.9 Comparison before and after optimization

(2) 乒乓切換優(yōu)化 對某次車輛運行情況進行觀測，監(jiān)控畫面回傳視頻卡頓 8 s 后恢復，對空口數(shù)據(jù)進行抓包分析。讀取基站切換日志 (見圖 10)，發(fā)現(xiàn)基站在卡頓時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次切換，針對切換性能進一步優(yōu)化。

圖10 視頻卡頓時速率變化統(tǒng)計Fig.10 Statistics of velocity variation on video lagging

通過 RF 優(yōu)化增強主軌旁覆蓋，以及通過參數(shù)策略延遲切換，乒乓切換問題得到解決。經(jīng)采用以上 2種措施優(yōu)化后，誤碼率及重傳率下降，乒乓切換得到處理，定點卡頓問題基本得到解決。

5 電機車無人駕駛技術(shù)指標

傳統(tǒng) WiFi 通信延時在 50～ 500 ms 不等，上行速率不穩(wěn)定，實測最大 50 Mb/s，且中斷頻繁；5G無線通信應用后，時延小于20 ms，最高上行速率200 Mb/s，最低上行速率 90 Mb/s，平均上行速率150 Mb/s，可滿足 3 列車 (6 臺電機車)的無線通信需求；在車輛定位誤差小于0.5 m的基礎上，車輛控制誤差小于100 mm。

6 結(jié)語

“5G+電機車無人駕駛”系統(tǒng)在金川集團股份有限公司龍首礦 1703 水平成功應用，實現(xiàn)了 5 列電機車的無人駕駛和智能調(diào)度，做到了機車運行線路智能規(guī)劃及自動扳道，具備防撞、防追尾、防冒進等保護功能。項目實施后，現(xiàn)場實現(xiàn)無人值守，達到了“無人則安”的安全管控目標；“裝礦、扳道、電機車司機”等崗位全部在集控室完成，極大改善職工崗位環(huán)境；現(xiàn)場操作人員減少 24 人，拉運效率提高22%，年增加經(jīng)濟效益約 520 萬元。

“5G+電機車無人駕駛”系統(tǒng)成功應用，對 5G礦山工業(yè)化應用具有開創(chuàng)性意義，進一步證實了 5G技術(shù)在礦山系統(tǒng)或工業(yè)領域應用可行性，對推動智慧礦山建設、新基建 5G 工業(yè)化應用具有重大引領作用及示范效應。