龙首矿电机车无人驾驶系统5G 网络构建与优化

赵 鹏，骆军军，冯金庆

金川集团股份有限公司龙首矿 甘肃金昌 737100

有轨运输系统是矿山平面运输的主要方式，无人驾驶电机车已成为当前智慧矿山建设的重要内容。在电机车无人驾驶系统中，无线通信是其成功实施的重要因素，起着决定性作用。电机车无人驾驶系统中，传统的无线通信系统为 WiFi，存在带宽窄、易干扰、频繁中断等问题，在系统安全性、稳定性、效率提升方面存在不足。

5G 无线通信技术诞生以来，以其大数据量、高带宽、低延时等优势广泛应用于工业控制领域，也是工业控制从有线到无线发展的重要技术变革，矿山有轨运输系统电机车无人驾驶就是 5G 无线通信的典型应用场景。

针对龙首矿 1703 水平有轨运输电机车无人驾驶系统 5G 无线通信网络，通过对其组网、网络优化和通信架构等的论述，旨在进一步论证 5G 无线通信技术在矿山领域的应用方式及实施效果，为 5G 无线通信技术的工业化应用提供参考案例及技术支撑。

1 5G 技术实施背景及应用意义

1.1 实施背景

龙首矿 1703 水平有轨运输系统全年拉运量 232万 t，运输线路全长 2.2 km，包括 1.0 km 平硐和 1.2 km 露天 2 种线路，车辆运行工艺为双机牵引折返式运行模式。传统的有轨运输系统操作方式为现场操作，驾驶电机车、扳道、装矿等都存在粉尘、噪声、车辆伤害等风险，且露天环境中冬季严寒、夏季酷暑，现场作业环境非常恶劣。

根据现场实际需求以及“智慧矿山”建设的发展要求，龙首矿在 2019 年 10 月完成了基于2.4 GHz WiFi 无线通信的电机车无人驾驶系统，实现了 1703水平有轨运输系统 5 列电机车的无人驾驶和智能调度。系统建成以来，机车调度系统和机车控制系统运行效果良好，但 WiFi 无线通信系统存在不稳定现象，一是 WiFi 无线通信的数据量小、带宽窄，车载移动视频信号易出现卡顿、延时长等问题；二是基站覆盖面较小，信号切换较为频繁，易出现信号丢失现象；三是地表区域 WiFi 信号易受干扰，信号中断现象较为明显；四是 WiFi 信号延时较长，机车的控制精度较差，存在安全隐患。可见，WiFi 无线通信系统是制约车辆稳定运行的关键因素，亟需升级改造。

1.2 应用意义

当前，5G、大数据等新一代信息技术的广泛应用使得全球矿业正在经历新的革命。相关数据显示，我国资源开发逐步进入深部，超过 1 500 m的金属矿山近 50 座，未来 15 年内，1/3的金属矿山将进入 1 500 m，深部开采难度大，安全风险高，生产效率低，发展智能化乃至无人化采矿技术，是我国资源开发尤其是深部资源开采的必然选择和必经之路。5G 技术正凭借大带宽、广连接、低时延的特性，成为助力智慧矿山建设的关键技术[1]，但是 5G 技术没有在矿山复杂地貌条件下的成熟应用案例，需要做大量的探索性工作[2]。

5G 技术具备高性能、低延迟与高容量等特性[3]，它在信息交互上传输量大、速度快，可以满足无人驾驶的高速、大容量数据传输要求。基于5G 网络，无人驾驶数据传输速度可以实现大幅飞跃，人、车、路实现有效协同交互，其高效率、高安全性将更进一步集中体现，尤其在矿山应用领域更具明显的优势，将5G 技术成功应用在矿山有轨运输电机车无人驾驶上对推动智慧矿山建设具有重要的意义。

2 总体设计方案

2.1 设计原则

5G 无线通信系统设计总体原则为安全、实用、经济，以实现网络安全可靠、功能高效实用、配置合理经济，并满足系统实时性、开放性、互换性、可用性、易操作性、易维护性的要求，达到适应无人驾驶电机车应用及智慧矿山现代化生产管理模式的需求。

(1) 安全性原则 系统建设充分考虑现场环境的复杂性及矿山生产的安全性，坚持安全第一的原则。

(2) 实用性、可靠性原则 系统在满足结构简单、维护方便、性能先进等要求的基础上，选择可靠性高、已定型并有一定运行经验的设备；在具备基本功能的前提下，组网合理、维护方便的基础上，系统实用性和可靠性为首要考虑因素。基于此，组网重点技术指标为延时和带宽，露天环境下组网设备一般选用传统宏基站，井下巷道等复杂环境下组网设备一般选用室分 RRU+泄漏电缆的方式。

(3) 标准化原则 硬件设备能与现场工艺仪表和控制执行机构形成规范化的标准接口，系统符合相关规范要求；设备选型采用通过安全认证的设备和技术产品，使系统建设满足《金属非金属矿山安全规程》的相关规定。

(4) 结构简单、维护方便原则 充分考虑矿山地压变形等环境因素，在保障功能和安全的基础上，采用结构简单、维护简便的系统结构。

(5) 扩展性、兼容性原则 考虑到今后智慧矿山的深入发展需求，系统接口和通道应具备扩张和兼容功能。

2.2 方案内容

该方案由两部分内容组成，一是 5G 现场组网，二是电机车终端设计，电机车无人驾驶系统 5G 通信拓扑图如图 1 所示。

图1 电机车无人驾驶系统 5G 通信拓扑图Fig.1 Topography of 5G communication for electric locomotive driverless operation system

(1) 现场组网 项目位于龙首矿 1703 水平，现场由 1.2 km 平硐和 1.0 km 露天环境组成。露天环境可完全采用传统宏基站覆盖，因平硐为直线结构，空间较大，考虑标准化统一性原则，也设计为宏基站进行信号覆盖，考虑到环境限制，基站布置适当做加密及增大覆盖面处理。

(2) 车载终端设计 电机车无人驾驶系统 5G 无线通信传输的数据主要为控制信号和车载视频信号，在集控室部署 LNS 路由器，分配公网 IP，通过互联网专线接入运营商城域网。LNS 路由器端提供 2 个RJ45 接口，分别对接视频监控服务器及远程控制系统交换机。每台电机车安装 1 台 5G CPE 和 1 台 LAC路由器，提供 2 个 RJ45 接口分别对接高清摄像头及电机车控制系统；LNS 和 LAC 之间配置 L2 TP 隧道协议，建立 Bridge 桥接通道，实现车载端与集控室端内网通信。

3 5G 组网设计方案

3.1 站址选择

根据理论计算确定站间距，并经过实地勘测，选定 5 个站址，共计 8 个扇区。其中平硐内二扇区站址2 个、一扇区站址 1 个，其天线安装于平硐顶部或平硐侧；平硐外二扇区站址 1 个、一扇区站址 1 个，其天线安装于轨道旁灯杆和集控室旁原有拉线杆上。站址点位如图 2 所示。

图2 基站点位示意Fig.2 Scheme of point location of base stations

(1) 1 号点位天线 1 号点位在墙体侧面新建 2个 1.2 m 附墙抱杆，2 个抱杆水平相距 2.0 m，抱杆挂高离地为 1.8 m，固定在墙体侧面。在此安装 2 个5G 设备 (800 mm×400 mm×200 mm，50 kg) 和 2 个4G 设备 (ϕ150 mm×700 mm，15 kg)，分纤箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁挂于侧帮，光缆和电源线延平硐侧帮电缆挂钩敷设，如图 3 所示。

图3 1 号点位天线安装示意Fig.3 Installation sketch of antenna at point location 1

(2) 2 号点位天线 2 号点位新建 1 个 1.2 m 附墙抱杆，固定在墙体侧面，抱杆挂高离地为 3.2 m，抱杆底端离下侧门上边缘 0.4 m。在此安装 1 个 5G 设备 (800 mm×400 mm×200 mm，50 kg)，分纤箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁挂于侧帮，光缆和电源线延平硐侧帮电缆挂钩敷设，如图 4 所示。

图4 2 号点位天线安装示意Fig.4 Installation sketch of antenna at point location 2

(3) 3 号点位天线 在 3 号点位侧面安装设备存在一定的风险，因此在平硐顶部新建 2 个 1.2 m附墙抱杆，2 个抱杆水平相距 2.0 m，抱杆挂高离地为 3.2 m，固定在平硐顶部。在此安装 2 个 5G 设备(800 mm×400 mm×200 mm，50 kg) 和 2 个 4G 设备(ϕ150 mm×700 mm，15 kg)，分纤箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁挂于侧帮，光缆和电源线延平硐侧帮电缆挂钩敷设，如图 5 所示。

图5 3 号点位天线安装示意Fig.5 Installation sketch of antenna at point location 3

(4) 4 号点位天线 4 号点位天线直接安装在路灯杆上，挂高离地为 9 m。在此安装 1 个 5G 设备(800 mm×400 mm×200 mm，50 kg)，分纤箱 (460 mm×340 mm×100 mm) 壁挂于轨旁配电箱侧，光缆布线占用铁杆架空吊线第 1 层，电源线布线占用铁杆架空吊线第 2 层。

3.2 基站电源计算

为了给通信设备独立稳定供电，5G 设备需要重新引电，负荷端共计 6 个 5G 设备和 4 个 4G 设备。其中每个 5G 设备功率为 1 100 W，每个 4G 设备功率为300 W，共计总功率 7 800 W，总电流为 34 A。选择总输入电源线为 RVVZ-3×10 mm2，沿轨旁线路敷设。

3.3 机房设备安装

在集控室机房新增 1 个综合机柜 (600 mm×600 mm×2 200 mm)，用于安装 5G-BBU 和传输设备，其总功率为 2 600 W，包括 BBU 供电模块。机房综合机柜安装如图 6 所示。

图6 机房综合机柜安装示意Fig.6 Installation sketch of integrated cabinets in computer room

3.4 光缆接入设计

为确保 5G 基站的安全运行，龙首矿有轨运输集控室机房传输承载 A2 设备的光缆接入，按双路由接入进行设计：①第 1 路由，由龙首矿最近某基站布放1 条 24 芯光缆至龙首矿有轨运输集控机房成端，A2设备通过跳纤上联至某区 B 设备；② 第 2 路由，由某地光缆交接箱引接 1 条 24 芯光缆，布放至龙首矿有轨运输集控机房成端，A2 设备通过跳纤上联至某地 B 设备。

5G 基站接入光缆由龙首矿有轨运输集控机房引接，分别引出 2 条 24 芯光缆，沿现有轨道铁杆吊线 (弱电层) 布放至 1、2、3、4 号点位基站，每个基站成端 12 芯；基站点安装 24 芯光缆分纤箱 (500 mm×550 mm×450 mm)，用于光缆成端及电力电缆接线。5G 基站通信光缆拓扑图如图 7 所示。

图7 5G 基站通信光缆拓扑图Fig.7 Topography of communication cable of 5G base stations

4 电机车 5G 通信设计方案

4.1 方案内容

(1) 分别在控制台和电机车侧各部署 1 台 SRG 路由器。

(2) 控制台侧 SRG 路由器 WAN 口连接城域网设备，并配置公网固定 IP，LAN 口连接控制台交换机并连接电机车控制设备。

(3) 电机车侧 SRG 路由器 WAN 口连接 CPE，每个 CPE 下挂 2 部高清摄像头；LAN 口连接电机车交换机。

(4) 2 台 SRG 路由器之间启用 L2 TP 平硐，SRG业务侧启用 Bridge 通道，实现两内网二层互通。

(5) 测试电机车通过 5G 通道与控制器连通，并进行数据回传。

4.2 方案实现及优化

相对于传统的 5G 应用实现，电机车无人驾驶系统须确保运行状态下高速率视频实时回传，因此，5G方案须解决以下技术问题。①无线基础优化：电机车无人驾驶系统 5G 通信的无线环境要求质量更高，需满足高覆盖率、高通信质量以及减小非必要切换带来的速率波动；② 视频卡顿：视频数据实时回传要求低时延和低误码率，数据包的发送要避免拆包和重传；③上行容量：高清视频具有较高的视频码率，5G上行带宽是 5G 性能短板，在会车等多通信电重叠的情况下，须解决上行容量问题。

4.2.1 无线基础优化

无线基础优化主要对 LTE 锚点站点以及 5G 站点，从覆盖、质量以及切换性能 3 个方面进行优化。

(1) 覆盖优化 网络覆盖检测，4G 锚点轨旁覆盖率较差，问题主要集中在 3 个区域，通过 RF 优化(1 号点位新增 LTE 扇区，2 号点位优化调整方位角，3 号点位增加功率)，平均信号接收功率由 -85.86 dBm提升至 -75.41 dBm，提升 10 dBm。

(2) 质量优化 优化前，卸矿点 4G、5G SINR 均不理想。通过 RF 优化，锚点站质差区域 SINR 由 2 dB提升至 13 dB，提升幅度 11 dB。对 5 号点位进行扇区调整和参数优化，5G 质差区域 SINR 由 6 dB 提升至20 dB。

(3) 切换优化 RF 优化前，4G 基站存在频繁切换，矿车单程切换 15 次以上。为进一步减小切换带来的影响，对 LTE 平硐内和平硐外轨旁进行分组合并，减轻切换带来的卡顿现象，锚点单程切换降低至1 次。RF 优化前，5G 单程运行平均切换 11 次，个别区域存在频繁切换现象，影响数据传输稳定性，通过天馈 RF 优化及参数优化，减少非必要切换，切换次数降至 6 次，且均为必要切换。

通过增补站点、天馈调整以及轨旁合并和参数优化，4G 锚点和 5G 站点各项指标均明显提升，优化前后各项指标对比如表 1 所列。

表1 优化前后指标对比Tab.1 Comparison of indexes before and after optimization

4.2.2 视频卡顿优化

电机车在运行中经过平硐口和天桥处经常出现视频卡顿现象，对此问题进行分析优化。

(1) 误码率优化 对 2 处卡顿点日志进行分析(见图 8)，2 处卡顿点的上行初始误码率大于10%，重传率大于5%。对上行误码率进行收敛，设定初始误码率收敛目标值为 1%。优化后上行误码率控制在1.5% 以内，重传率由 8.97% 降至 1.35%。

图8 卡顿点日志分析Fig.8 Analysis on record of lagging point

图9 优化前后对比Fig.9 Comparison before and after optimization

(2) 乒乓切换优化 对某次车辆运行情况进行观测，监控画面回传视频卡顿 8 s 后恢复，对空口数据进行抓包分析。读取基站切换日志 (见图 10)，发现基站在卡顿时间内连续发生多次切换，针对切换性能进一步优化。

图10 视频卡顿时速率变化统计Fig.10 Statistics of velocity variation on video lagging

通过 RF 优化增强主轨旁覆盖，以及通过参数策略延迟切换，乒乓切换问题得到解决。经采用以上 2种措施优化后，误码率及重传率下降，乒乓切换得到处理，定点卡顿问题基本得到解决。

5 电机车无人驾驶技术指标

传统 WiFi 通信延时在 50～ 500 ms 不等，上行速率不稳定，实测最大 50 Mb/s，且中断频繁；5G无线通信应用后，时延小于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，可满足 3 列车 (6 台电机车)的无线通信需求；在车辆定位误差小于0.5 m的基础上，车辆控制误差小于100 mm。

6 结语

“5G+电机车无人驾驶”系统在金川集团股份有限公司龙首矿 1703 水平成功应用，实现了 5 列电机车的无人驾驶和智能调度，做到了机车运行线路智能规划及自动扳道，具备防撞、防追尾、防冒进等保护功能。项目实施后，现场实现无人值守，达到了“无人则安”的安全管控目标；“装矿、扳道、电机车司机”等岗位全部在集控室完成，极大改善职工岗位环境；现场操作人员减少 24 人，拉运效率提高22%，年增加经济效益约 520 万元。

“5G+电机车无人驾驶”系统成功应用，对 5G矿山工业化应用具有开创性意义，进一步证实了 5G技术在矿山系统或工业领域应用可行性，对推动智慧矿山建设、新基建 5G 工业化应用具有重大引领作用及示范效应。