基于5G技术的工程机械远程控制的系统设计

谭云月

（中移物联网有限公司，重庆 401120）

0 引 言

工程机械在各个领域都有着广泛的应用，特别是在矿山开发和土方作业等领域中，驾驶员需要在一些环境恶劣的地方作业，存在作业环境艰苦、驾驶员易疲劳和心理负担重等缺点，而采用远程控制就可以解决以上问题，将驾驶员从危险高压的环境中解脱出来[1]。随着物联网、5G等技术的迅猛发展，特别是5G通信具有大带宽、低时延、海量接入等特点，使得通过5G技术远程对工程机械进行实时的低时延、高感知的操作成为可能[2-3]。

目前，随着5G技术的不断进步以及5G网络的逐渐覆盖，5G的应用正处于爆发前的阶段。将5G技术应用在工程机械的远程控制中的条件也逐渐成熟。因此，本文提出一种基于5G技术的工程机械远程控制的系统设计。该系统设计基于5G网络，利用部署于MEC的数据中转平台建立远端操作室与工程机械远程控制终端之间的通信，工程机械远程控制终端通过CAN、数字量和模拟量采集接口等物理接口同工程机械联通，操作室的指令通过5G网络下发到终端，并且通过5G网络回传视频信号监视现场环境[4]。

1 系统总体架构

工程机械远程控制系统利用物联网、5G等技术，将远程操作室中的控制终端采集到的操作员在座椅上操作的CAN、数字量和模拟量数据，利用部署于MEC的数据中转平台，通过5G网络传输到位于工程机械上的控制终端上，完成控制操作的端到端传输，并且将现场的视频信号和工程机械回传的CAN信号回传到远程操作室的控制终端上[5-6]。工程机械远程控制系统整体分为三大部分，包括远程操作节点、数据中转平台和工程机械控制节点。其中远程控制节点和工程机械控制节点采用同一种控制终端，该控制终端包括控制单元、CAN信号传输单元、数字量和模拟量传输单元、串口传输单元、通信单元、电源单元等部分组成；远程控制节点中的控制终端与操作座椅和大屏系统相连接，传输操作数据并且将回传的视频数据传输到大屏系统上显示；工程机械控制节点的控制终端安装在工程机械上，输出远端操作室发出的CAN信号并且将工程机械的CAN信号回传；数据中转平台是部署于MEC上的服务器，用于端到端的数据转发，包括控制数据和视频数据，并且对配对控制的终端进行设备管理[7]。

系统总体框架如图1所示。

图1 工程机械远程控制系统总体框架

远程操作节点和工程机械控制节点通过控制单元完成所有的操作任务；远程操作节点通过CAN信号传输单元、数字量和模拟量传输单元传输座椅操作数据，工程机械控制节点通过CAN信号传输单元传输工程机械的CAN数据；最后通过通信模块利用5G网络将数据上传至数据终端平台并将数据发送到配对的对端；电源模块则保障整个终端节点的正常运行。

工程机械远程控制系统通过数据中转平台进行远程管理。数据中转平台既是端到端通信的转发平台，也是设备的管理平台，对上线设备进行远程控制，包括端到端设备配对、故障监控等功能[8]。

2 工程机械远程控制系统终端节点设计

工程机械远程控制系统终端节点作为工程机械远程控制系统的重要组成部分，负责采集工程机械的操作指令和视频信息，利用数据中转平台进行数据中转后把数据传输到端对端的终端节点，它包括控制单元、CAN信号传输单元、数字量和模拟量传输单元、串口传输单元、通信单元、电源单元等部分。

工程机械远程控制系统终端节点拓扑结构如图2所示。

图2 工程机械远程控制系统终端节点拓扑结构

控制单元的主要器件为一片高性能的核心板，在该核心板上运行Linux系统，控制单元以此为主控制器，完成对终端的各个单元的控制和操作。控制单元的主要功能是掌控整个终端的运行逻辑，处理来自通信单元的各类控制数据及其他信息。

CAN信号传输单元、数字量和模拟量传输单元、串口传输单元作为物理接口直接接入操作室的座椅对应的物理传输接口或者工程机械上对应的物理传输接口，负责接收来自下级设备的各种数字和模拟信号、串口数据和CAN数据，并且将来自远端的数据发送到下级设备[9]。

通信单元则由一个具备WiFi/5G通信能力的路由模块为核心，根据实际情况选择移动网络接入还是WiFi无线接入，放置在设备端的摄像机通过通信单元的网口接入，实现设备端的画面回传至操作端的功能。电源单元包括外部电力供应和应急电池，保证整个终端节点能够正常工作[10]。

3 工程机械远程控制系统数据中转平台设计

工程机械远程控制系统数据中转平台作为整个系统的重要组成部分，主要负责进行设备管理、业务管理和远程设备端到端数据转发处理，部署在MEC可以有效地降低通信时延、提升操作反应。它由设备管理平台和数据中转平台两部分组成，远程控制系统数据中转平台框架如图3所示。

图3 工程机械远程控制系统数据中转平台框架

3.1 设备管理平台

设备管理平台主要作用是对接入设备进行管理，它包括设备接入、设备状态查询、命令收发、运行与命令日志查询这四大功能模块。

设备接入模块的主要功能是与设备按照通信协议进行交互，并进行设备接入工作，保障设备与平台进行信息和命令的交互。

设备状态查询模块是可以在设备管理平台上查看设备的各项信息，包括在线状态、配对信息、设备的位置信息等等。

设备管理平台的命令收发模块主要负责将来自平台对设备的操作命令下发至终端设备中，并且接收来自终端设备的命令反馈。

运行与命令日志查询模块主要是记录设备与平台的各种交互操作的状态，并形成日志供运维人员和研发人员查询。

3.2 数据中转平台

数据中转平台作为整个云端的核心功能，是完成端到端的数据转发、实现整个系统的最基本最核心的功能。它具备设备监控、基础管理、数据监测、数据转发、系统管理这五大功能模块。

设备监控模块是对整个设备管理平台上所有已接入设备的状态和转发的数据进行监控分析，判断设备的各项状态是否正常。

基础管理模块是对已接入设备进行配置和管理，利用设备管理平台的命令收发模块实现设备的配置操作。

数据监测模块是对所有已接入设备的转发数据进行管理，查看转发数据的流量、网络的延迟和抖动等情况。

数据转发模块对端到端设备进行绑定操作，使设备端和操作端进行一一对应，并且对两者的操作指令和反馈数据进行数据转发，确保操作指令能够正确下发、反馈数据能够正确反馈到对应的操作端。

系统管理模块主要是针对用户进行交互，包括账号的各项功能的管理、授权管理以及短信报警等功能。

4 结 语

基于5G技术的工程机械远程控制系统的设计，主要是利用5G大带宽、低时延的特性，加上服务器下沉至MEC等手段，解决了传统远程控制中延时大、画面质量低、操作手感差等缺点。终端与平台相互配合可以完成端到端远程控制的全流程，并且做到视频和设备运行数据的实时监控，云平台的设备管理能力和效率也显著提高。该系统设计有利于提升工程机械在危险场所运行时的安全性，更好地保护操作员的生命安全，做到“机械化换人，自动化减人”。