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?，無人駕駛電機車已成為當(dāng)前智慧礦山建設(shè)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(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)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(yīng)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(luò)，通過對其組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和通信架構(gòu)等的論述，旨在進(jìn)一步論證 5G 無線通信技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用方式及實施效果，為 5G 無線通信技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考案例及技術(shù)支撐。

1 5G 技術(shù)實施背景及應(yīng)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(fēng)險，且露天環(huán)境中冬季嚴(yán)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(shè)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。可見，WiFi 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(yīng)用意義

當(dāng)前，5G、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)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(jìn)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(jìn)入 1 500 m，深部開采難度大，安全風(fēng)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(shè)的關(guān)鍵技術(shù)[1]，但是 5G 技術(shù)沒有在礦山復(fù)雜地貌條件下的成熟應(yīng)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(luò)，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(jìn)一步集中體現(xiàn)，尤其在礦山應(yīng)用領(lǐng)域更具明顯的優(yōu)勢，將5G 技術(shù)成功應(yīng)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(shè)具有重要的意義。

2 總體設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

5G 無線通信系統(tǒng)設(shè)計總體原則為安全、實用、經(jīng)濟，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(dá)到適應(yīng)無人駕駛電機車應(yīng)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(shè)充分考慮現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)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(jìn)等要求的基礎(chǔ)上，選擇可靠性高、已定型并有一定運行經(jīng)驗的設(shè)備；在具備基本功能的前提下，組網(wǎng)合理、維護方便的基礎(chǔ)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(biāo)為延時和帶寬，露天環(huán)境下組網(wǎng)設(shè)備一般選用傳統(tǒng)宏基站，井下巷道等復(fù)雜環(huán)境下組網(wǎng)設(shè)備一般選用室分 RRU+泄漏電纜的方式。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)化原則 硬件設(shè)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(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)符合相關(guān)規(guī)范要求；設(shè)備選型采用通過安全認(rèn)證的設(shè)備和技術(shù)產(chǎn)品，使系統(tǒng)建設(shè)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(chǔ)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(yīng)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(shè)計，電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 通信拓?fù)鋱D如圖 1 所示。

圖1 電機車無人駕駛系統(tǒng) 5G 通信拓?fù)鋱DFig.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(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一性原則，也設(shè)計為宏基站進(jìn)行信號覆蓋，考慮到環(huán)境限制，基站布置適當(dāng)做加密及增大覆蓋面處理。

(2) 車載終端設(shè)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(wù)器及遠(yuǎn)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(shè)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(shè)備 (800 mm×400 mm×200 mm，50 kg) 和 2 個4G 設(shè)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(shè)，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(shè)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(shè)，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(shè)備存在一定的風(fēng)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(shè)備(800 mm×400 mm×200 mm，50 kg) 和 2 個 4G 設(shè)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(shè)，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(shè)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(shè)備獨立穩(wěn)定供電，5G 設(shè)備需要重新引電，負(fù)荷端共計 6 個 5G 設(shè)備和 4 個 4G 設(shè)備。其中每個 5G 設(shè)備功率為 1 100 W，每個 4G 設(shè)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(shè)。

3.3 機房設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的光纜接入，按雙路由接入進(jìn)行設(shè)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(shè)備通過跳纖上聯(lián)至某區(qū) B 設(shè)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(shè)備通過跳纖上聯(lián)至某地 B 設(shè)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?fù)鋱D如圖 7 所示。

圖7 5G 基站通信光纜拓?fù)鋱DFig.7 Topography of communication cable of 5G base stations

4 電機車 5G 通信設(shè)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(shè)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(shè)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(wù)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(jìn)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(yīng)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(chǔ)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(chǔ)優(yōu)化

無線基礎(chǔ)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(jìn)行優(yōu)化。

(1) 覆蓋優(yōu)化 網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jìn)一步減小切換帶來的影響，對 LTE 平硐內(nèi)和平硐外軌旁進(jìn)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(biāo)均明顯提升，優(yōu)化前后各項指標(biāo)對比如表 1 所列。

表1 優(yōu)化前后指標(biāo)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(jìn)行分析優(yōu)化。

(1) 誤碼率優(yōu)化 對 2 處卡頓點日志進(jìn)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(jìn)行收斂，設(shè)定初始誤碼率收斂目標(biāo)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(jìn)行觀測，監(jiān)控畫面回傳視頻卡頓 8 s 后恢復(fù)，對空口數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(biāo)

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(yīng)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(chǔ)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(yīng)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(jìn)等保護功能。項目實施后，現(xiàn)場實現(xiàn)無人值守，達(dá)到了“無人則安”的安全管控目標(biāo)；“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(yīng)用，對 5G礦山工業(yè)化應(yīng)用具有開創(chuàng)性意義，進(jìn)一步證實了 5G技術(shù)在礦山系統(tǒng)或工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用可行性，對推動智慧礦山建設(shè)、新基建 5G 工業(yè)化應(yīng)用具有重大引領(lǐng)作用及示范效應(yīng)。