馬 丹，陳 文，張 勇，柏 龍（中國(guó)聯(lián)通山東分公司，山東濟(jì)南 250001）

1 概述

1.1 遠(yuǎn)程遙控技術(shù)廣泛應(yīng)用

經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速推進(jìn)，推動(dòng)大型工程機(jī)械的普遍使用。復(fù)雜多變的使用場(chǎng)景，尤其是高危險(xiǎn)性場(chǎng)景對(duì)機(jī)械操控人員提出更高技術(shù)要求和安全考驗(yàn)。而操控人員在封閉的駕駛室內(nèi)對(duì)控制面板進(jìn)行操作，視野狹小，很難對(duì)整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)的狀況有清楚的全局把握，容易降低施工效率，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致施工事故的發(fā)生。

生命是無(wú)價(jià)的，要使操控人員既能完成施工救援作業(yè)，又能夠保障他們的人身不受到威脅，遠(yuǎn)程遙控技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用。

1.2 遠(yuǎn)程遙控技術(shù)亟需高速網(wǎng)絡(luò)傳輸

采用視頻圖像進(jìn)行輔助操控成為了新一代遠(yuǎn)程機(jī)械操控的基本要求，隨著圖像分辨率不斷提高以及VR等新技術(shù)的引入，對(duì)于無(wú)線控制帶寬的要求也在不斷提升。

另外遠(yuǎn)程控制的距離需盡量提高，以便操作人員能夠遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，距離的提升對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和及時(shí)性提出了更高的要求。

現(xiàn)有的幾種無(wú)線傳輸技術(shù)的弱點(diǎn)越來(lái)越顯現(xiàn)：比如ZIGBEE、433 技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)量小，無(wú)法傳送視頻圖像，Wi-Fi技術(shù)在2.4 GHz非授權(quán)頻段，易受干擾，且傳輸距離受限，無(wú)線蜂窩技術(shù)（GSM、LTE 等）帶寬難以保證VR信號(hào)的有效傳輸。

1.3 5G技術(shù)“添翼”遠(yuǎn)程遙控

5G 網(wǎng)絡(luò)是下一代移動(dòng)通信技術(shù)，可提供eMBB、mMTC、uRLLC 業(yè)務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要達(dá)到體驗(yàn)速率100 Mbit/s，峰值速率20 Gbit/s，時(shí)延1 ms。采用5G 技術(shù)作為遠(yuǎn)程遙控工程機(jī)械系統(tǒng)的無(wú)線通信子系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

a）系統(tǒng)帶寬大。遠(yuǎn)程機(jī)械操作的感知體驗(yàn)需要高清圖像的支持，才能使駕駛員有身臨其境的感覺(jué)而隨著圖像清晰度的提高以及VR 等技術(shù)的引入，使得系統(tǒng)帶寬要求不斷提升。5G eMBB 業(yè)務(wù)能夠保證100 Mbit/s 的下載速率，峰值速率可達(dá)Gbit 級(jí)，完全能夠支持4K 以上的高清VR 顯示，提升了遠(yuǎn)程操控的真實(shí)性體驗(yàn)。

b）支持范圍廣?，F(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)程技術(shù)只能支持有限范圍或者視距范圍的操作，而采用5G等蜂窩移動(dòng)通訊作為通信子系統(tǒng)的話可大大擴(kuò)展操作的范圍，真正可以做到千里之外進(jìn)行控制，增加了機(jī)械的環(huán)境適用性，充分保障了駕駛員的人身安全。蜂窩技術(shù)采用授權(quán)頻譜，能夠保證信號(hào)不受干擾，只要有無(wú)線信號(hào)即可進(jìn)行機(jī)械操作。

c）操作時(shí)延低。遠(yuǎn)程操作時(shí)延需要控制在一定的范圍內(nèi)才能保證操控指令下達(dá)到機(jī)器執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，5G 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小時(shí)延可到1 ms，完全能夠滿足實(shí)時(shí)性操控的要求。

2 基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)實(shí)踐

2019 年3 月，山東聯(lián)通與山東臨工集團(tuán)合作打造了5G 遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)項(xiàng)目。通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)與100 km以外的挖掘機(jī)相連，操作人員實(shí)時(shí)控制位于礦場(chǎng)的無(wú)人駕駛挖掘機(jī)，同步回傳真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景及全景視頻實(shí)況。

2.1 整體組網(wǎng)架構(gòu)

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)方案架構(gòu)如圖1所示，包括無(wú)人駕駛挖掘機(jī)、遠(yuǎn)程控制室、5G 通信網(wǎng)絡(luò)、5G通信終端（或模塊）、攝像頭及相關(guān)控制設(shè)備。

遠(yuǎn)程控制室：位于臨沂市區(qū)臨工集團(tuán)總部。

礦場(chǎng)：位于平邑縣臨工集團(tuán)智能礦山綜合實(shí)驗(yàn)基地，兩者相距100 km，礦場(chǎng)內(nèi)放置一輛無(wú)人駕駛挖掘機(jī)，挖掘機(jī)內(nèi)外共安裝4 臺(tái)高清攝像頭和1 臺(tái)VR 攝像頭。

5G通信終端：使用CPE設(shè)備。

5G網(wǎng)絡(luò)：采用NSA組網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)。

2.1.1 視頻流傳輸原理

在挖掘機(jī)內(nèi)外安裝高清攝像頭和VR 全景攝像頭，實(shí)時(shí)采集挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖像，經(jīng)過(guò)拼接和編碼壓縮后，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制室。遠(yuǎn)端控制室收到視頻信號(hào)后經(jīng)過(guò)解碼，在VR 一體化頭盔及大屏上顯示，遠(yuǎn)端控制室的駕駛員通過(guò)VR 頭盔就可以看到挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同角度的全景視頻，使遠(yuǎn)程遙控的體驗(yàn)更接近現(xiàn)場(chǎng)操作的感覺(jué)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置多個(gè)攝像頭，還可以在不同攝像頭之間切換，觀察不同方位的現(xiàn)場(chǎng)視頻。

圖1 遠(yuǎn)程控制挖掘機(jī)組網(wǎng)圖

2.1.2 控制信號(hào)傳輸原理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回傳的圖像，駕駛員在遠(yuǎn)端控制室里操控方向盤等機(jī)械電子設(shè)備，控制信號(hào)經(jīng)由5G 終端（CPE）通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的挖掘機(jī)。挖掘機(jī)上同樣安裝有5G 通信終端或模塊，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)接收遠(yuǎn)端控制室的控制信號(hào)，通過(guò)MU 動(dòng)作執(zhí)行單元，將IP 信號(hào)轉(zhuǎn)換為挖掘機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)（CAN 信號(hào)），通過(guò)挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線控制挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)操作（包括前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)向、挖掘動(dòng)作、燈光、鳴笛等）。同時(shí)，挖掘機(jī)的狀態(tài)信息通過(guò)傳感器和5G 網(wǎng)絡(luò)上傳給遠(yuǎn)端控制室，遠(yuǎn)端控制室收到狀態(tài)信號(hào)后在控制室的顯示屏上進(jìn)行顯示。

2.2 主要功能模塊

2.2.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

一般的工程機(jī)械都必須包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤行走系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)這五大基本系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 工程機(jī)械遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

在五大基本系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的是操作控制系統(tǒng)，是工程車輛的“大腦”。傳統(tǒng)的工程車輛操作臺(tái)與操作控制系統(tǒng)之間采用CAN 通信，一般的控制器都有CAN 接口，控制信息通過(guò)有線方式進(jìn)行傳輸。因此，要實(shí)現(xiàn)工程車輛的無(wú)線遙控，只要將CAN 通信轉(zhuǎn)為無(wú)線通信即可（如圖2 中紅色部分），本項(xiàng)目無(wú)線通信方式采用5G技術(shù)。

2.2.2 各功能模塊實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)可以分成三大部分（見圖3）。

圖3 功能模塊圖

a）挖掘機(jī)及其上的視頻、控制設(shè)備，包括挖掘機(jī)、攝像機(jī)、視頻編碼器、總線控制器、傳感器、GPS等。此項(xiàng)目中所使用的挖掘機(jī)除具備傳統(tǒng)挖掘機(jī)的各種功能外，還支持電控，能夠通過(guò)遠(yuǎn)端控制信號(hào)進(jìn)行遙控操作。挖掘機(jī)內(nèi)安裝一個(gè)全景攝像頭，挖掘機(jī)機(jī)身上安裝2 個(gè)攝像頭（動(dòng)臂攝像頭和前攝像頭），通過(guò)視頻編碼器連接至5G CPE設(shè)備。挖掘機(jī)及其上的視頻、控制設(shè)備由山東臨工集團(tuán)提供，全景攝像頭和5G通信終端由山東聯(lián)通提供，并配合完成IP協(xié)議及CAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

b）遠(yuǎn)端控制室內(nèi)的相關(guān)控制設(shè)備，包括操控座椅、儀表臺(tái)、顯示器、視頻編碼器、遠(yuǎn)端控制器、VR 頭盔等。其中，操控座椅包括手柄、方向盤、油門、剎車、電氣開關(guān)等，遠(yuǎn)端控制器將控制信號(hào)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳送至現(xiàn)場(chǎng)挖掘機(jī)。遠(yuǎn)端控制室及相關(guān)控制設(shè)備由山東臨工集團(tuán)提供，VR 頭盔和5G 通信終端由山東聯(lián)通提供。

c）5G通信網(wǎng)絡(luò)。

（a）本項(xiàng)目共建設(shè)2 套NSA 5G 基站，礦場(chǎng)和遠(yuǎn)程控制室的信號(hào)分別通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。同時(shí)，為了降低挖掘機(jī)控制信號(hào)及圖像在5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延，本項(xiàng)目采用移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC 服務(wù)器（見圖4），將核心網(wǎng)用戶面（GW-U）下沉，挖掘機(jī)控制信號(hào)和視頻信號(hào)不用繞行至核心機(jī)房，直接在MEC 轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低了端到端傳輸時(shí)延。

（b）無(wú)線網(wǎng)建設(shè)方案：在礦場(chǎng)和遠(yuǎn)端控制室各建設(shè)1 套5G 宏站，采用NSA option3X 組網(wǎng)，新建4G/5G基站，對(duì)接現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng)（EPC+）；錨點(diǎn)采用1 800 MHz頻段，采用1 835～1 840（5 MHz 帶寬）作為錨點(diǎn)頻率選擇，5G 采用3.5 GHz。BBU 采用4G/5G 共框模式，配置4G 和5G 射頻模塊，其中5G 為射頻和天線一體化模塊AAU5613；4G 采用1 800 MHz RRU5909，配套建設(shè)1副天線。

（c）MEC建設(shè)方案：在下沉的園區(qū)機(jī)房建設(shè)MEC，包括3套服務(wù)器、3套交換機(jī)和2套防火墻（見表1），可支持15G流量并發(fā)，用戶數(shù)不限。

圖4 MEC組網(wǎng)圖

表1 MEC配置表

核心網(wǎng)GW-U 功能下沉到邊緣機(jī)房，實(shí)現(xiàn)本地分流功能，滿足大帶寬、低時(shí)延業(yè)務(wù)訴求，同時(shí)配置防火墻確保業(yè)務(wù)安全；核心網(wǎng)GW-C放置于核心機(jī)房，與控制面連接，對(duì)用戶進(jìn)行鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)、策略控制等。

2.3 主要性能指標(biāo)

2.3.1 通信帶寬

普通視頻：2K視頻需要5.8 Mbit/s傳輸帶寬，4K視頻需要22 Mbit/s傳輸帶寬。

VR 全景視頻：采用目前普通VR 分辨率2K 視頻，每路VR視頻需要傳輸帶寬22 Mbit/s。

經(jīng)測(cè)試，上行速率為163 Mbit/s，下行速率為1 030 Mbit/s，滿足通信帶寬的需求。

2.3.2 通信時(shí)延

通過(guò)MEC的建設(shè)，端到端整體時(shí)延在15 ms內(nèi)，滿足遠(yuǎn)程遙控的要求。

2.3.3 圖像穩(wěn)定性

整體遠(yuǎn)程遙控過(guò)程中，圖像傳輸穩(wěn)定、畫面清晰、無(wú)卡頓，滿足了遠(yuǎn)程遙控的要求。

總之，5G 網(wǎng)絡(luò)在帶寬、時(shí)延、穩(wěn)定性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)，保證了高清視頻信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸質(zhì)量和速度。

2.4 效益分析

2.4.1 實(shí)用性分析

一是采用5G+MEC 技術(shù)替代原有工業(yè)無(wú)線方案，不僅可以降低客戶的網(wǎng)絡(luò)成本，提高遠(yuǎn)程遙控的范圍，而且擴(kuò)展了遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式。原有工業(yè)無(wú)線方案專用的數(shù)傳電臺(tái)和圖傳電臺(tái)的成本在10 萬(wàn)元人民幣以上，而5G 通信終端或模塊的成本在千元人民幣級(jí)別，算上通信費(fèi)用，總成本降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

二是引入VR 全景視頻技術(shù)，利用5G 高帶寬能力傳輸挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)全景視頻，提高了遠(yuǎn)程遙控操作的體驗(yàn)和精準(zhǔn)性。

2.4.2 業(yè)務(wù)拓展

一是達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議。通過(guò)此次合作，山東聯(lián)通已與山東臨工集團(tuán)達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，下一步將深入探討5G 在遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程教學(xué)、AR、VR 等業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，共同打造合作共贏的生態(tài)圈。

二是本方案采用模塊化設(shè)計(jì)，控制模塊、視頻模塊、通信模塊都采用通用模塊，并且控制信號(hào)采用通用車載CAN 總線，可以方便移植到其他遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景，如遠(yuǎn)程駕駛無(wú)人車（見圖5）。

2019 年4 月14 日，山東聯(lián)通與北京智行者科技有限公司合作，成功實(shí)現(xiàn)了基于5G技術(shù)的室內(nèi)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)遙控?zé)o人車，并在CCTV1《挑戰(zhàn)不可能》節(jié)目中播出。節(jié)目現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)單邊橋、限寬車陣、突發(fā)狀況、緊急測(cè)試輪胎陣、停車入庫(kù)等多個(gè)關(guān)卡進(jìn)行挑戰(zhàn)，難度遠(yuǎn)超駕校考試，不僅對(duì)快速反應(yīng)能力及駕駛技術(shù)有著極高的要求，也極大考驗(yàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。

圖5 遠(yuǎn)程駕駛無(wú)人車組網(wǎng)圖

整個(gè)過(guò)程，5G 網(wǎng)絡(luò)速率和信號(hào)持續(xù)保持穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)時(shí)上行速率高達(dá)百兆，端到端時(shí)延在12 ms以內(nèi)；車速40 km/h因時(shí)延造成的剎車誤差不到10 cm，挑戰(zhàn)中車輛在遇到突發(fā)狀況時(shí)緊急制動(dòng)仍可最大限度保證安全并成功避障；低速時(shí)誤差在1～2 cm，完美通過(guò)限寬車陣和極窄車位入庫(kù)考驗(yàn)。

2.4.3 社會(huì)效益

山東聯(lián)通與山東臨工集團(tuán)聯(lián)合打造的5G 遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)機(jī)械企業(yè)尚屬首次，不僅實(shí)現(xiàn)了惡劣環(huán)境下的挖掘機(jī)作業(yè)，也為未來(lái)無(wú)人工地的實(shí)現(xiàn)提供了可能。操控員可以足不出戶地實(shí)時(shí)操控百里甚至千里之外的挖掘機(jī)，可以不受時(shí)間、氣候、環(huán)境的影響推進(jìn)工程進(jìn)度，為未來(lái)無(wú)人工地的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

2.4.4 品牌效應(yīng)

一是培養(yǎng)行業(yè)潛在客戶。通過(guò)和垂直行業(yè)伙伴合作，取得行業(yè)伙伴信任，這些垂直行業(yè)伙伴都是后續(xù)運(yùn)營(yíng)商5G垂直行業(yè)的潛在客戶和業(yè)務(wù)拓展對(duì)象，也是目前階段各運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始爭(zhēng)取和搶奪的對(duì)象。

二是提升運(yùn)營(yíng)品牌。通過(guò)5G試驗(yàn)網(wǎng)和業(yè)務(wù)探索，推動(dòng)5G產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)模式不斷走向成熟，并把這種模式加以包裝、宣傳和推廣，提升在產(chǎn)業(yè)鏈的話語(yǔ)權(quán)和公司的品牌效應(yīng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)家已正式發(fā)布5G 牌照，5G 將以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供數(shù)十倍于4G 的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力，開啟萬(wàn)物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代。山東聯(lián)通基于5G+MEC技術(shù)的遠(yuǎn)程遙控實(shí)踐證明了5G 技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械遠(yuǎn)程控制的必要性，為5G在智能制造和車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考和借鑒意義。