雙鏈路通信在露天礦山無人駕駛通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱 濤，劉振遠(yuǎn)

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆天池能源有限公司南露天煤礦是全國單礦產(chǎn)能最大的露天煤礦，2016 年以來，南露天煤礦致力于通過智能化礦山建設(shè)推動露天煤礦技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)變革，并取得長足技術(shù)進(jìn)步和優(yōu)秀的應(yīng)用效果。南露天煤礦于2023 年3 月通過國家首批智能化示范煤礦驗(yàn)收，其露天煤礦無人駕駛運(yùn)輸項(xiàng)目至2020 年開展以來[1]，已實(shí)現(xiàn)多編組24 h 混編常態(tài)化無人運(yùn)營，其運(yùn)營里程，運(yùn)輸趟次及方量均處于全國領(lǐng)先。根據(jù)南露天煤礦智能化發(fā)展規(guī)劃，在2023 年下半年會持續(xù)擴(kuò)充無人駕駛設(shè)備規(guī)模，增加無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)能。

對于露天煤礦無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)來說，其運(yùn)行穩(wěn)定性和連續(xù)性是影響生產(chǎn)指標(biāo)的重要因素。礦山無人駕駛依托無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行車云通信，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果直接影響無人駕駛車輛運(yùn)行效果。就現(xiàn)有主流5G 礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果來看，各大運(yùn)營商均存在覆蓋成本過高，因生產(chǎn)推進(jìn)導(dǎo)致盲區(qū)補(bǔ)償覆蓋不及時等難點(diǎn)，如何妥善解決上述難點(diǎn)成為露天礦山無人駕駛應(yīng)用亟待解決關(guān)鍵問題[2]。經(jīng)天池能源南露天與運(yùn)營商，通信設(shè)備供應(yīng)商及無人駕駛技術(shù)研發(fā)單位共同研究，采用自建LTE 專網(wǎng)與5G 公網(wǎng)雙鏈路共同覆蓋模式，可較好實(shí)現(xiàn)礦區(qū)無人駕駛所需無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

1 礦山無人駕駛通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

露天礦山無人駕駛系統(tǒng)多采用5G 網(wǎng)絡(luò)通信，并采用低頻廣域覆蓋，高頻重點(diǎn)區(qū)域帶寬增強(qiáng)模式。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)多為運(yùn)營商建設(shè)及運(yùn)維，日常使用中，存在諸多痛點(diǎn)。

運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)一般為一次性建設(shè)，受限于規(guī)劃范圍，隨著礦山開采深入，初期建設(shè)的覆蓋區(qū)域無法滿足作業(yè)區(qū)域變化，極易出現(xiàn)遮擋盲區(qū)和覆蓋不足情況。運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)基站增補(bǔ)及遷移受業(yè)務(wù)流程限制，周期較長，礦方又無法自行進(jìn)行基站遷移和增補(bǔ)，從而造成作業(yè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋逐漸劣化，影響正常無人駕駛作業(yè)運(yùn)行。

5G 基站需要供電及光纖，露天礦山作業(yè)場景容易出現(xiàn)供電中斷及光纖線路故障情況，進(jìn)而造成單一或部分基站故障，形成局部臨時性盲區(qū)。運(yùn)營商運(yùn)維體系無法實(shí)現(xiàn)即時響應(yīng)及故障排除，礦方自身也不具備相應(yīng)運(yùn)維能力，從而造成故障時間過長影響無人駕駛運(yùn)行。

5G 基站造價較高，在某些短期臨時性區(qū)域覆蓋場景下，無法快速增加基站滿足覆蓋需求，投入產(chǎn)出比不合算。同時5G 基站后端配套設(shè)備較多，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)開通流程及時間過長，無法實(shí)現(xiàn)基站快速部署及應(yīng)用[3]。

由于現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)存在上述實(shí)際應(yīng)用問題，對無人駕駛應(yīng)用造成較大影響，無人駕駛業(yè)務(wù)中斷又會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)連續(xù)性影響，如何建立有效的通信備份手段就成為無人駕駛通信網(wǎng)絡(luò)亟需解決的問題。

2 備份通信鏈路選擇

露天礦山無人駕駛對于通信網(wǎng)絡(luò)需求主要為車云通信中無人駕駛礦卡與云控平臺之間數(shù)據(jù)交互，包括車輛監(jiān)測、感知、視頻流、控制指令、任務(wù)信息等數(shù)據(jù)。主要通信需求集中于上行帶寬，基礎(chǔ)上行帶寬要求20 Mbit/s，數(shù)據(jù)延時50 ms 以內(nèi)，以滿足無人駕駛遠(yuǎn)程遙控視頻流數(shù)據(jù)、大容量點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳需求[4]。備份通信鏈路需在主鏈路無連接時，確保車云通信暢通，保障無人駕駛礦卡正常運(yùn)行，不因網(wǎng)絡(luò)問題導(dǎo)致停運(yùn)情況發(fā)生。

備份通信鏈路要求覆蓋區(qū)域廣，上行帶寬可滿足無人駕駛車云通信需求，基站架設(shè)方便快捷，對供電及光纖線路依賴程度低等要求。目前可供選擇的通信制式主要為LTE 專網(wǎng)和MESH 網(wǎng)絡(luò)，其中MESH 網(wǎng)絡(luò)工作在2 GHz 和5.8 GHz 頻段，此頻段內(nèi)有大量無線網(wǎng)橋設(shè)備和AP 設(shè)備應(yīng)用，干擾嚴(yán)重且無法排除，故選擇LTE 專網(wǎng)作為備份鏈路通信制式。

LTE 專網(wǎng)工作頻段在1 447～1 467 MHz，工信部2015 年3 月9 日發(fā)布公告《關(guān)于1447－1467 兆赫茲（MHz）頻段寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》中規(guī)定此頻段用于寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)使用，頻段干擾較少且受保護(hù)。LTE 專網(wǎng)基于標(biāo)準(zhǔn)4G－LTE 通信制式，遵循3GPP Release 9 標(biāo)準(zhǔn)，在專用頻段范圍內(nèi)提供廣域覆蓋服務(wù)，單基站覆蓋半徑約為1 500～2 000 m，可提供不低于20 Mbit/s 的上行帶寬，端到端通信延時30～50 ms?？蓾M足無人駕駛備份鏈路使用要求。LTE 專網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)簡單，為一體化基站，架設(shè)僅需固定支撐物和供電，數(shù)據(jù)回傳采用無線回傳，礦方可自架設(shè)、遷移和運(yùn)維，無需專業(yè)電信專業(yè)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)支撐，適合礦山日常生產(chǎn)使用[5]。

城市內(nèi)主流雙鏈路通信使用的雙卡雙待設(shè)備在礦山無人駕駛場景并不適用，礦山無人駕駛運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的原因在于覆蓋成本過高和盲區(qū)補(bǔ)償不及時，單純增加運(yùn)營商數(shù)量使用雙卡雙待并不能根本解決問題，同時增加通信鏈路使用成本，不能取得應(yīng)有效果，因此不采用雙卡雙待設(shè)備進(jìn)行鏈路備份使用。

備份通信鏈路覆蓋要求為對于地形變化較大區(qū)域和重點(diǎn)設(shè)備密集區(qū)域例如剝離平盤，排土場等區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋，確保主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)盲區(qū)或其他網(wǎng)絡(luò)故障，可使用備份網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，避免出現(xiàn)因通信系統(tǒng)問題導(dǎo)致生產(chǎn)暫停。

3 雙鏈路通信架構(gòu)

礦山無人駕駛雙鏈路通信要求在2 種無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，無人駕駛礦卡基于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通狀況，自主選擇可用通信鏈路，完成車云通信業(yè)務(wù)。硬件架構(gòu)要求建立2 條獨(dú)立通信鏈路，連接無人駕駛礦卡與智能云控平臺，2 條通信鏈路具備獨(dú)立無線通信設(shè)備，分別連接2 套無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[6]。2 種制式無線通信設(shè)備與云控平臺使用獨(dú)立IP 地址，用以供無人駕駛礦卡計算單元區(qū)分不同通信鏈路。

基于上述雙鏈路通信架構(gòu)要求，在無人駕駛礦卡上同時部署基于5G 網(wǎng)絡(luò)的DTU 通信設(shè)備和基于LTE 專網(wǎng)的CPE 通信設(shè)備，2 種通信設(shè)備同時接入無人駕駛礦卡網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，與車載計算單元連接?；緜?cè)在現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋基礎(chǔ)上，增設(shè)LTE 專網(wǎng)基站，對地形變化較大區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋，確保所有無人駕駛作業(yè)區(qū)域至少存在1 種制式網(wǎng)絡(luò)覆蓋。2套網(wǎng)絡(luò)覆蓋基站分別由各自核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)出口依托2條獨(dú)立物理網(wǎng)絡(luò)鏈路接入不同通信前置機(jī)，最終接入無人駕駛云控平臺。雙鏈路通信硬件架構(gòu)如圖1。

圖1 雙鏈路通信硬件架構(gòu)

雙鏈路通信架構(gòu)中，5G－DTU 與CPE 分別使用不同網(wǎng)段IP 地址，即可起到防止整體車載無人駕駛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴廣播，阻塞上行鏈路帶寬，又可方便車載計算單元的通信服務(wù)基于不同地址進(jìn)行通信鏈路切換。云控平臺一側(cè)設(shè)置2 套通信前置機(jī)服務(wù)，并采用相互獨(dú)立地址分別連接2 條物理通信鏈路，通信前置機(jī)可同時通過2 條獨(dú)立通信鏈路與無人駕駛礦卡進(jìn)行車云通信。

4 雙鏈路切換方式

無人駕駛礦卡與云控平臺之間存在2 條物理通信鏈路，業(yè)務(wù)上要求快速、穩(wěn)定的進(jìn)行通信鏈路切換，在保持通信鏈路暢通的同時，盡可能避免因鏈路切換造成業(yè)務(wù)暫停。因此，鏈路切換方式成為雙鏈路通信重要技術(shù)問題。無人駕駛業(yè)務(wù)要求在主鏈路出現(xiàn)通信故障時，立即切換至備份鏈路進(jìn)行通信，并且切換過程中不得出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況，切換時間要求小于500 ms，并且在生產(chǎn)業(yè)務(wù)端實(shí)現(xiàn)無感切換。

在其他移動通信場景中，采用雙鏈路切換多使用物理路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在移動端安裝雙鏈路網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行鏈路切換管控，對于礦山無人駕駛來說，增加雙鏈路網(wǎng)關(guān)，增加了通信設(shè)備從而增加故障點(diǎn)和數(shù)據(jù)延時，同時車云通信基于TCP 的可靠長連接，網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行切換時勢必?zé)o法保障TCP 連接穩(wěn)定性，從而造成連接中斷，只能通過數(shù)據(jù)重傳保障數(shù)據(jù)不丟失。在服務(wù)器端增加鏈路聚合設(shè)備也是無法避免上述問題。因此，在礦山無人駕駛雙鏈路通信中，采用雙鏈路熱備方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大程度上減少因切換帶來的數(shù)據(jù)丟失和業(yè)務(wù)中斷[7]。

雙鏈路熱備方式是在主網(wǎng)絡(luò)和備份網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下，同時使用2 條通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每1 份數(shù)據(jù)包增加唯一流水號，同時通過2 條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，車端通信服務(wù)和云端通信服務(wù)依據(jù)唯一流水號進(jìn)行數(shù)據(jù)去重處理，在數(shù)據(jù)校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)包完成的情況下，去重后將唯一數(shù)據(jù)包發(fā)送至后端服務(wù)。采用此種方式優(yōu)勢在于2 條鏈路同時傳輸，只要有1 條通信鏈路正常通信，即可確保數(shù)據(jù)完整性，并且沒有切換時間，因此不會造成業(yè)務(wù)中斷情況發(fā)生。去重服務(wù)經(jīng)過算法優(yōu)化，確保在大容量通信情況下，基本不增加整體數(shù)據(jù)傳輸時間。車端通信服務(wù)和云端通信服務(wù)實(shí)時監(jiān)控2 條通信鏈路通信質(zhì)量[8]，在單一鏈路中斷情況下，不進(jìn)行去重服務(wù)，同時丟棄損壞數(shù)據(jù)包，減少數(shù)據(jù)處理流程環(huán)節(jié)。雙鏈路熱備數(shù)據(jù)處理流程如圖2。

圖2 雙鏈路熱備數(shù)據(jù)處理流程

車云通信中地圖數(shù)據(jù)下發(fā)和視頻推流場景較為特殊，地圖下發(fā)為下行數(shù)據(jù)，并且地圖數(shù)據(jù)較大，不易拆包組包；車載視頻推流為上行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大且基于UDP 通信，因此需要對以上2 種通信場景進(jìn)行特殊處理。地圖下發(fā)為非實(shí)時通信需求，根據(jù)車端請求及云端地圖變化進(jìn)行下發(fā)，在此種業(yè)務(wù)需求條件下，將地圖數(shù)據(jù)打包成完整文件，并冠以唯一文件流水號，通過2 條通信鏈路進(jìn)行下發(fā)，車端接收地圖文件后進(jìn)行文件完整性校驗(yàn)，丟棄損壞文件和重復(fù)文件后，將唯一完好地圖文件傳輸給車端地圖服務(wù)使用。車端視頻推流受視頻連續(xù)性要求，無法進(jìn)行拆包發(fā)送，因此采用2 條鏈路進(jìn)行上傳，云端同時接收2條鏈路的視頻流，車云通信服務(wù)實(shí)時監(jiān)測2 條鏈路通信質(zhì)量，包括信號質(zhì)量和通信時延，當(dāng)主通信鏈路正常時，流媒體服務(wù)器使用主通信鏈路的視頻流。主通信鏈路斷開時，流媒體無縫切換備份通信鏈路視頻流[9]。在一定時間間隔下，主通信鏈路恢復(fù)后切換回主通信鏈路的視頻流。確保同一時間內(nèi)有1 份視頻流數(shù)據(jù)可以正常使用，并且不出現(xiàn)頻繁切換的情況造成視頻畫面卡頓。

雙鏈路熱備方式可以充分利用雙網(wǎng)覆蓋的優(yōu)勢，有效避免因物理切換造成數(shù)據(jù)丟失、業(yè)務(wù)中斷情況，以及因切換邏輯控制不佳造成短時間內(nèi)重復(fù)切換的問題。在實(shí)際通信業(yè)務(wù)應(yīng)用過程中，確保業(yè)務(wù)連續(xù)性和流暢性。并且無需增加額外的物理切換設(shè)備，減少故障點(diǎn)和設(shè)備改動，有效契合的無人駕駛通信業(yè)務(wù)的使用需求。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

露天礦山無人駕駛在天池能源南露天煤礦已規(guī)模化應(yīng)用，目前南露天煤礦部署的無人駕駛礦卡數(shù)量位居全國第一，無人駕駛承擔(dān)的運(yùn)輸任務(wù)已占據(jù)南露天煤礦剝離運(yùn)輸任務(wù)30%以上，并且持續(xù)增加。無人駕駛運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響礦山正常生產(chǎn)運(yùn)營，在此背景下，南露天煤礦在現(xiàn)有5G 通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，增設(shè)了LTE 專網(wǎng)的備份網(wǎng)絡(luò)，并使用雙鏈路通信模式進(jìn)行無人駕駛車云數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試和生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)境下長時間運(yùn)行，雙鏈路通信效果良好，有效避免了單一網(wǎng)絡(luò)故障帶來的生產(chǎn)中斷情況。

南露天煤礦目前部署中國聯(lián)通5G 網(wǎng)絡(luò)基站，采用N1 頻段（2.1 GHz）和N8 頻段（900 MHz）雙頻組網(wǎng)，覆蓋區(qū)域包括無人駕駛所有運(yùn)行區(qū)域。聯(lián)通5G 網(wǎng)絡(luò)采用核心網(wǎng)及UPF 本地部署模式，基于DNN 分流技術(shù)將車端數(shù)據(jù)直接回傳至礦內(nèi)MEC 機(jī)房。LTE 專網(wǎng)基站有效覆蓋半徑1.5 km，可有效對裝載區(qū)域和卸載區(qū)域進(jìn)行備份補(bǔ)充覆蓋。LTE 專網(wǎng)基站使用電信級網(wǎng)橋進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，車端數(shù)據(jù)直接回傳礦內(nèi)機(jī)房。

南露天煤礦無人駕駛于2023 年5 月應(yīng)用雙鏈路通信，運(yùn)行3 個月以來，雙鏈路通信表現(xiàn)良好，LTE 專網(wǎng)備份鏈路在局部5G 網(wǎng)絡(luò)基站遷移和5G基站光纖接續(xù)等場景中，承擔(dān)主要通信覆蓋任務(wù)，可靠保障了現(xiàn)場無人駕駛作業(yè)的連續(xù)性，并且確保裝載區(qū)域和卸載區(qū)域的通信業(yè)務(wù)完整性。

南露天煤礦將持續(xù)推進(jìn)無人駕駛規(guī)?；瘧?yīng)用，部署更多無人駕駛礦卡進(jìn)行露天礦采剝運(yùn)輸。同時將增加現(xiàn)場主網(wǎng)絡(luò)和備份網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)量，確保打造高速可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足無人駕駛通信使用需求。在雙鏈路應(yīng)用層面持續(xù)優(yōu)化通信協(xié)議算法，進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)延時和提升數(shù)據(jù)通信效率，并增強(qiáng)車輛對于弱網(wǎng)環(huán)境下的適應(yīng)能力，有效利用車車通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，降低對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的依賴，全面提升無人駕駛系統(tǒng)的可靠性和作業(yè)連續(xù)性。

6 結(jié)語

露天礦山無人駕駛作為礦山智能化建設(shè)的重要組成部分，隨著國家礦山智能化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，將發(fā)揮更加重要的引領(lǐng)效應(yīng)。雙鏈路通信作為礦山無人駕駛通信可靠性保障的重要手段，在經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證后，具有較高的推廣價值和研究價值，在無人駕駛規(guī)?；瘧?yīng)用的進(jìn)程中，礦企、電信運(yùn)營商和無人駕駛科技企業(yè)共同合作，積極探索先進(jìn)通信技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的落地應(yīng)用，起到了良好的示范作用。