5G专网在露天矿远程采运中的研究与应用.pdf
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1、922023年8月第8期研究与探讨5G专网在露天矿远程采运中的研究与应用少人化、无人化是矿山发展的必然趋势。基于5G专网的移动性、低时延、大带宽、高可靠特性,结合物联网传感器、边缘计算等关键技术,针对某露天矿采运开展智能化研究,实现了露天矿采运环节钻机、电铲、矿卡远程操控,为5G+工矿行业应用、远程无人化作业提供了有效实践。5G专网;露天矿采运;远程操控(中国移动通信集团四川有限公司攀枝花分公司,四川 攀枝花 617000)【摘 要】廖露华doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20221009-0003 中图分类号:TN915文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2
2、023)08-0092-06引用格式:廖露华.5G专网在露天矿远程采运中的研究与应用J.移动通信,2023,47(8):92-97.LIAO Luhua.Research and Application of 5G Private Network in Remote Mining and Transportation of Open-pit MinesJ.Mobile Communications,2023,47(8):92-97.Research and Application of 5G Private Network in Remote Mining and Transportation
3、 of Open-pit MinesThe less manned and unmanned are inevitable trend of mine development.Based on the characteristics of mobility,low latency,large bandwidth,and high reliability of 5G private networks,combined with key technologies such as IoT sensors and edge computing,intelligent research is carri
4、ed out on mining and transportation of an open pit mine to realize the remote control of drilling rig,electric shovel and mining truck in the iron mining and transportation process.This work provides effective practice for 5G+industrial and mining industry applications and remote unmanned operations
5、.5G private network;open-pit mining and transportation;remote control(China Mobile Communications Group Sichuan Co.,Ltd.,Panzhihua Branch,Panzhihua 617000,China)LIAO LuhuaAbstract Keywords【关键词】OSID:扫描二维码与作者交流收稿日期:2022-10-090 引言按照国家“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的政策要求,矿山少人无人、智能化、绿色化成为发展的必然趋势1-2,矿山少人化、无人化的核心及重点在于
6、采运作业流程的无人化3。传统露天矿山采运作业流程主要包括穿孔、爆破、铲装、运输等环节,采运作业依赖于人工驾驶钻机、电铲、矿卡等移动装备完成。而露天矿山采面环境复杂多变4,现有的光纤、Wi-Fi、4G 等网络技术难以满足采运作业设备远程化应用的要求5。5G作为新一代移动通信技术,具备低时延、大带宽和高可靠的特性6-7,通过与边缘计算、机器视觉、AI 等技术融合应用,可以支撑矿山基础信息传输网络,实现矿山设备数据的互联互通8,进而支撑矿山智能化进阶9。1 整体架构露天矿采运远程智能化应用是一个复杂的系统工程,需要针对露天矿实际作业环境及作业流程开展方案设计和技术实现,露天矿采运智能化应用整体架构如
7、图1所示。架构包含应用层、物理层、网络层、信息管理层。其中,网络层、信息管理层作为复杂系统实现的基石,包含部署 5G 专网和 5G 边缘数据中心;物理层主要指露天采矿相关的装备改造及远程操控中心;应用层主要包括与远程操控及自动驾驶相关的系统和管理平台。围绕当前露天矿作业面临的环境差、招工难、安全管理等实际问题,以支撑工矿行业改善作业环境、提升本质安全和降本增效等核心目标10,本研究开展 5G 专网在露天矿山采面的覆盖,解决露天矿采面工作设备远程操控及无人驾驶的高清视频回传、大带宽上行、控制指令低时延第47卷总第516期93 2023年8月第8期以露天矿电铲设备为例,进行网络化、智能化改造,如图
8、 2 所示。2 5G专网需求与规划2.1 无线网5G 专网通过提供大带宽上行,有效降低网络传输的时延及抖动,保障 5G 无人矿山应用场景的稳定运行13。本研究在某露天铁矿智慧化项目中规划了 2 台矿卡、1 台电铲、1 台牙轮钻机的远程操控应用,相关数据采集与控制回传对 5G 网络要求如表 1 所示。装备侧视频数据采集传输指标以满足实际应用体验为目标,现有的技术条件下,视频采集及编码约 200 ms、解码显示约 100 ms。远程控制类业务包括调度信息、位置定位、控制指令等多种数据流,本研究中车载工控机与矿山远程操控中心采用 TCP私有协议,其心跳报文用来监测链路状态,发包周期一般高可靠等刚性需
9、求11。5G 专网的网络带宽、时延、可靠性设计必须满足露天矿作业涉及的钻机、电铲、矿卡的远程操控及自动驾驶业务正常运行,以业务的高可用、高可靠和高安全为准则,根据网络建设全生命周期,进行一体化的规划、建设和优化12。具体包括以下四个步骤。步骤一:现场勘察及 5G 规划建模。精准评估 5G 网络应用业务环境,仿真 5G 网络对业务的支撑情况。步骤二:5G 无人矿山网络指标需求分析。对露天矿装备进行网络化、智能化改造,基于各类设备产生数据的不同特性,构建 5G 无人矿山各类装备数据传输所需要网络指标需求模型。步骤三:远程操控端到端一体化部署。完成露天矿牙轮钻机、电铲、矿卡远控跨域端到端的设计方案并
10、落地实施。步骤四:连接级测试及系统调优。实现业务确定性SLA 保障。廖露华:5G 专网在露天矿远程采运中的研究与应用图1 露天矿智能化应用整体架构图2 露天矿电铲智能化改造第47卷总第516期942023年8月第8期研究与探讨配置 50100 ms,为确保优秀的远程控制操作体验,要求网络时延 RTT+应用处理时延 发包周期,因此应确保网络时延不超过 40 ms。综上,确定 5G 专网的时延不超过40 ms、抖动不超过 40 ms、端到端时延则不超过 400 ms的网络指标。同时,电铲、电钻的远控场景和矿卡的自动驾驶场景需要实时上传摄像头拍摄的高清画面,对上行带宽需求大。因此上行带宽根据不同摄像
11、头设置码率及 I 帧碰撞模型综合计算获得。本研究单台矿卡、电铲和钻机对上行 UL 带宽要求如表 1 所示,因此总上行带宽需求为不小于 362+57+48=177 Mbps,至少分配在 2 个 5G 小区上进行承载。项目开展过程中,会根据不同场景的体验差异进行针对性优化。表1 露天矿设备的视频及控制回传对5G专网要求视频和控制回传时延设备数量UL带宽/Mbps 抖动/ms 可靠性单矿卡端到端400 ms5G网络40 ms摄像头:4个PLC:1364099.9%单电铲端到端400 ms5G网络40 ms摄像头:11个574099.9%PLC:1单钻机端到端400 ms5G网络40 ms摄像头:13
12、个PLC:1484099.9%规划 5G 网络针对露天铁矿 1135 采面区域,覆盖采矿电铲、钻机生产作业区域和运输矿卡自动驾驶运输道路,如图 2 所示。采矿作业区为长度约 700 m、宽度 150200 m,区域内主要进行采矿作业,各类设备相对集中,网络上行容量需求大。运输道路为相对较窄、高低落差大、蜿蜒且为可能变化道路,最高落差约 80 m、道路宽度 1520 m。根据 5G 网络覆盖性能仿真,选择 2 套 5G 32T 宏基站实现作业区5G信号覆盖。基站1部署于采面南帮1150水平,实现采矿作业区域的覆盖;基站 2 部署于 1210 采面的三叉路口位置,实现矿山运输道路和矿石和岩石破碎站
13、的覆盖。基站 1 拉远出 1 个扇面对基站 1 和 2 之间的盲区补充覆盖。露天矿作业区及运输道路的5G站址分布及覆盖如图3所示:图3 露天矿作业区及运输道路5G站址分布及覆盖图基站通过 SPN 传输接入节点设备和传输光纤网络,打通矿山 5G 基站到露天矿边缘 UPF 和 5GC 核心网的通信路由,并实现多个矿区互为容灾 UPF 的通信路由,支撑承载路由的环形组网和可靠容灾。露天矿山的网络安全隔离和差异化业务保障,可通过网络切片功能实现,即基于 S-NSSAI(网络切片 ID)进行端到端识别。在无线接入侧、承载网侧和核心网侧,切片基于不同的技术方案,端到端衔接成完整的切片逻辑通道,整体方案架构
14、设计如图 4 所示。5G 核心网控制面可基于相关规范和业务需求,为露天矿山的 5G 应用规划不同的切片。核心网用户面 UPF基于 S-NSSAI 规划不同的 APN、外联口、VLAN 实现不同业务的 N6 域隔离。承载网可通过 FlexE 技术实现传输网络的物理切片,或通过 VPN 技术实现传输网络的逻辑隔离,保障传输网络的安全可靠。无线网络根据不同 5QI的调度优先级等策略实现不同数据流的差异化保障。为保障远控类业务时延的可靠性,智能设备的远控类和视频类业务需设置不同的 5QI,建议远控类业务建立在 GBR承载上、5QI设为83,视频类业务建立在non-GBR承载上、5QI 可选择 6。2.
15、2 边缘数据中心5G 边缘数据中心是满足矿山智能化引入的新型基础设施,其架构如图 5 所示。它既是 5G 无人矿山网络控制、计算及存储资源、应用承载的物理载体,也是 5G 无人矿山安全、可靠运行的重要保障。本研究在 5G 边缘数据中心一体化机箱中部署了 5G 无人矿山专享 UPF(User 图4 露天矿端到端切片规划示意图第47卷总第516期95 2023年8月第8期Plane Function,用 户 面 功 能)和 MEP(Multi-access Edge Platform,边缘计算平台)。图5 露天矿5G边缘数据中心架构图露天矿 5G 边缘 UPF 组网架构如图 6 所示。边缘UPF
16、为 5G 专网专享,可根据矿山边缘应用需求进行配置或拓展,5G 基站通过边缘路由接入本地专享 UPF,提供数据转发,提供分流、计费、监听等网络功能,保障数据不出矿区并提供边缘计算能力14。MEP 为边缘计算平台,提供 MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算)应用的集成部署、网络能力开放等中间件功能。ME APP 为部署在边缘计算平台上的各类 APP 应用,服务于远程操控及自动驾驶系统。本研究采用的 UPF 和MEP 配置见表 2 和表 3。5G 边缘计算平台15承载了铲运管理、红绿灯接入、钻机数据对接、NTP、文件共享服务、瑞星安全管理、远程调测接入、5G 网络状况实
17、时监测、仿真驾驶等实时生产作业系统共计 26 台虚拟服务器,超融合、高性能、虚拟化及可线性扩容的能力,有效保障了矿山实时生产类业务的稳定运行,未来可以成为整个矿山生产作业的数据中心大脑,满足系统对生产数据的通信安全性和网络实时性诉求,支撑 5G 无人矿山智能化控制系统相关应用。图6 露天矿5G边缘UPF组网架构图表2 露天矿5G边缘UPF配置名称数量单位描述虚拟化软件1CPUusionSphere 虚拟化套件高级版(融合了 FS、OpenStack、PaaS);VCPU 共 342 个,使用 268 个;RAM 内存共 966 GB,使用 655 GB;ROM 存储共 7 470 GB,使用
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