双链路通信在露天矿山无人驾驶通信系统中的应用

朱 涛，刘振远

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆天池能源有限公司南露天煤矿是全国单矿产能最大的露天煤矿，2016 年以来，南露天煤矿致力于通过智能化矿山建设推动露天煤矿技术升级和产业变革，并取得长足技术进步和优秀的应用效果。南露天煤矿于2023 年3 月通过国家首批智能化示范煤矿验收，其露天煤矿无人驾驶运输项目至2020 年开展以来[1]，已实现多编组24 h 混编常态化无人运营，其运营里程，运输趟次及方量均处于全国领先。根据南露天煤矿智能化发展规划，在2023 年下半年会持续扩充无人驾驶设备规模，增加无人驾驶运输系统产能。

对于露天煤矿无人驾驶运输系统来说，其运行稳定性和连续性是影响生产指标的重要因素。矿山无人驾驶依托无线网络覆盖进行车云通信，无线网络覆盖效果直接影响无人驾驶车辆运行效果。就现有主流5G 矿区网络覆盖效果来看，各大运营商均存在覆盖成本过高，因生产推进导致盲区补偿覆盖不及时等难点，如何妥善解决上述难点成为露天矿山无人驾驶应用亟待解决关键问题[2]。经天池能源南露天与运营商，通信设备供应商及无人驾驶技术研发单位共同研究，采用自建LTE 专网与5G 公网双链路共同覆盖模式，可较好实现矿区无人驾驶所需无线网络覆盖。

1 矿山无人驾驶通信网络应用分析

露天矿山无人驾驶系统多采用5G 网络通信，并采用低频广域覆盖，高频重点区域带宽增强模式。网络建设多为运营商建设及运维，日常使用中，存在诸多痛点。

运营商网络一般为一次性建设，受限于规划范围，随着矿山开采深入，初期建设的覆盖区域无法满足作业区域变化，极易出现遮挡盲区和覆盖不足情况。运营商网络基站增补及迁移受业务流程限制，周期较长，矿方又无法自行进行基站迁移和增补，从而造成作业区域内网络覆盖逐渐劣化，影响正常无人驾驶作业运行。

5G 基站需要供电及光纤，露天矿山作业场景容易出现供电中断及光纤线路故障情况，进而造成单一或部分基站故障，形成局部临时性盲区。运营商运维体系无法实现即时响应及故障排除，矿方自身也不具备相应运维能力，从而造成故障时间过长影响无人驾驶运行。

5G 基站造价较高，在某些短期临时性区域覆盖场景下，无法快速增加基站满足覆盖需求，投入产出比不合算。同时5G 基站后端配套设备较多，数据业务开通流程及时间过长，无法实现基站快速部署及应用[3]。

由于现有5G 网络存在上述实际应用问题，对无人驾驶应用造成较大影响，无人驾驶业务中断又会造成较大的经济损失和生产连续性影响，如何建立有效的通信备份手段就成为无人驾驶通信网络亟需解决的问题。

2 备份通信链路选择

露天矿山无人驾驶对于通信网络需求主要为车云通信中无人驾驶矿卡与云控平台之间数据交互，包括车辆监测、感知、视频流、控制指令、任务信息等数据。主要通信需求集中于上行带宽，基础上行带宽要求20 Mbit/s，数据延时50 ms 以内，以满足无人驾驶远程遥控视频流数据、大容量点云数据上传需求[4]。备份通信链路需在主链路无连接时，确保车云通信畅通，保障无人驾驶矿卡正常运行，不因网络问题导致停运情况发生。

备份通信链路要求覆盖区域广，上行带宽可满足无人驾驶车云通信需求，基站架设方便快捷，对供电及光纤线路依赖程度低等要求。目前可供选择的通信制式主要为LTE 专网和MESH 网络，其中MESH 网络工作在2 GHz 和5.8 GHz 频段，此频段内有大量无线网桥设备和AP 设备应用，干扰严重且无法排除，故选择LTE 专网作为备份链路通信制式。

LTE 专网工作频段在1 447～1 467 MHz，工信部2015 年3 月9 日发布公告《关于1447－1467 兆赫兹（MHz）频段宽带数字集群专网系统频率使用事宜的通知》中规定此频段用于宽带数字集群专网系统使用，频段干扰较少且受保护。LTE 专网基于标准4G－LTE 通信制式，遵循3GPP Release 9 标准，在专用频段范围内提供广域覆盖服务，单基站覆盖半径约为1 500～2 000 m，可提供不低于20 Mbit/s 的上行带宽，端到端通信延时30～50 ms。可满足无人驾驶备份链路使用要求。LTE 专网基站结构简单，为一体化基站，架设仅需固定支撑物和供电，数据回传采用无线回传，矿方可自架设、迁移和运维，无需专业电信专业运维团队支撑，适合矿山日常生产使用[5]。

城市内主流双链路通信使用的双卡双待设备在矿山无人驾驶场景并不适用，矿山无人驾驶运营商网络覆盖不佳的原因在于覆盖成本过高和盲区补偿不及时，单纯增加运营商数量使用双卡双待并不能根本解决问题，同时增加通信链路使用成本，不能取得应有效果，因此不采用双卡双待设备进行链路备份使用。

备份通信链路覆盖要求为对于地形变化较大区域和重点设备密集区域例如剥离平盘，排土场等区域进行补充覆盖，确保主网络出现盲区或其他网络故障，可使用备份网络进行通信，避免出现因通信系统问题导致生产暂停。

3 双链路通信架构

矿山无人驾驶双链路通信要求在2 种无线网络覆盖下，无人驾驶矿卡基于网络联通状况，自主选择可用通信链路，完成车云通信业务。硬件架构要求建立2 条独立通信链路，连接无人驾驶矿卡与智能云控平台，2 条通信链路具备独立无线通信设备，分别连接2 套无线网络进行数据通信[6]。2 种制式无线通信设备与云控平台使用独立IP 地址，用以供无人驾驶矿卡计算单元区分不同通信链路。

基于上述双链路通信架构要求，在无人驾驶矿卡上同时部署基于5G 网络的DTU 通信设备和基于LTE 专网的CPE 通信设备，2 种通信设备同时接入无人驾驶矿卡网络交换设备，与车载计算单元连接。基站侧在现有5G 网络覆盖基础上，增设LTE 专网基站，对地形变化较大区域进行补充覆盖，确保所有无人驾驶作业区域至少存在1 种制式网络覆盖。2套网络覆盖基站分别由各自核心网网络出口依托2条独立物理网络链路接入不同通信前置机，最终接入无人驾驶云控平台。双链路通信硬件架构如图1。

图1 双链路通信硬件架构

双链路通信架构中，5G－DTU 与CPE 分别使用不同网段IP 地址，即可起到防止整体车载无人驾驶系统网络内部发生网络风暴广播，阻塞上行链路带宽，又可方便车载计算单元的通信服务基于不同地址进行通信链路切换。云控平台一侧设置2 套通信前置机服务，并采用相互独立地址分别连接2 条物理通信链路，通信前置机可同时通过2 条独立通信链路与无人驾驶矿卡进行车云通信。

4 双链路切换方式

无人驾驶矿卡与云控平台之间存在2 条物理通信链路，业务上要求快速、稳定的进行通信链路切换，在保持通信链路畅通的同时，尽可能避免因链路切换造成业务暂停。因此，链路切换方式成为双链路通信重要技术问题。无人驾驶业务要求在主链路出现通信故障时，立即切换至备份链路进行通信，并且切换过程中不得出现数据丢失情况，切换时间要求小于500 ms，并且在生产业务端实现无感切换。

在其他移动通信场景中，采用双链路切换多使用物理路由网关设备，在移动端安装双链路网关，由网关进行链路切换管控，对于矿山无人驾驶来说，增加双链路网关，增加了通信设备从而增加故障点和数据延时，同时车云通信基于TCP 的可靠长连接，网关设备进行切换时势必无法保障TCP 连接稳定性，从而造成连接中断，只能通过数据重传保障数据不丢失。在服务器端增加链路聚合设备也是无法避免上述问题。因此，在矿山无人驾驶双链路通信中，采用双链路热备方式进行数据通信，极大程度上减少因切换带来的数据丢失和业务中断[7]。

双链路热备方式是在主网络和备份网络覆盖条件下，同时使用2 条通信链路进行数据通信，每1 份数据包增加唯一流水号，同时通过2 条链路进行数据传输，车端通信服务和云端通信服务依据唯一流水号进行数据去重处理，在数据校验确保数据包完成的情况下，去重后将唯一数据包发送至后端服务。采用此种方式优势在于2 条链路同时传输，只要有1 条通信链路正常通信，即可确保数据完整性，并且没有切换时间，因此不会造成业务中断情况发生。去重服务经过算法优化，确保在大容量通信情况下，基本不增加整体数据传输时间。车端通信服务和云端通信服务实时监控2 条通信链路通信质量[8]，在单一链路中断情况下，不进行去重服务，同时丢弃损坏数据包，减少数据处理流程环节。双链路热备数据处理流程如图2。

图2 双链路热备数据处理流程

车云通信中地图数据下发和视频推流场景较为特殊，地图下发为下行数据，并且地图数据较大，不易拆包组包；车载视频推流为上行数据，数据量大且基于UDP 通信，因此需要对以上2 种通信场景进行特殊处理。地图下发为非实时通信需求，根据车端请求及云端地图变化进行下发，在此种业务需求条件下，将地图数据打包成完整文件，并冠以唯一文件流水号，通过2 条通信链路进行下发，车端接收地图文件后进行文件完整性校验，丢弃损坏文件和重复文件后，将唯一完好地图文件传输给车端地图服务使用。车端视频推流受视频连续性要求，无法进行拆包发送，因此采用2 条链路进行上传，云端同时接收2条链路的视频流，车云通信服务实时监测2 条链路通信质量，包括信号质量和通信时延，当主通信链路正常时，流媒体服务器使用主通信链路的视频流。主通信链路断开时，流媒体无缝切换备份通信链路视频流[9]。在一定时间间隔下，主通信链路恢复后切换回主通信链路的视频流。确保同一时间内有1 份视频流数据可以正常使用，并且不出现频繁切换的情况造成视频画面卡顿。

双链路热备方式可以充分利用双网覆盖的优势，有效避免因物理切换造成数据丢失、业务中断情况，以及因切换逻辑控制不佳造成短时间内重复切换的问题。在实际通信业务应用过程中，确保业务连续性和流畅性。并且无需增加额外的物理切换设备，减少故障点和设备改动，有效契合的无人驾驶通信业务的使用需求。

5 现场应用效果

露天矿山无人驾驶在天池能源南露天煤矿已规模化应用，目前南露天煤矿部署的无人驾驶矿卡数量位居全国第一，无人驾驶承担的运输任务已占据南露天煤矿剥离运输任务30%以上，并且持续增加。无人驾驶运行稳定性直接影响矿山正常生产运营，在此背景下，南露天煤矿在现有5G 通信网络基础上，增设了LTE 专网的备份网络，并使用双链路通信模式进行无人驾驶车云数据传输。经现场实际测试和生产业务环境下长时间运行，双链路通信效果良好，有效避免了单一网络故障带来的生产中断情况。

南露天煤矿目前部署中国联通5G 网络基站，采用N1 频段（2.1 GHz）和N8 频段（900 MHz）双频组网，覆盖区域包括无人驾驶所有运行区域。联通5G 网络采用核心网及UPF 本地部署模式，基于DNN 分流技术将车端数据直接回传至矿内MEC 机房。LTE 专网基站有效覆盖半径1.5 km，可有效对装载区域和卸载区域进行备份补充覆盖。LTE 专网基站使用电信级网桥进行数据回传，车端数据直接回传矿内机房。

南露天煤矿无人驾驶于2023 年5 月应用双链路通信，运行3 个月以来，双链路通信表现良好，LTE 专网备份链路在局部5G 网络基站迁移和5G基站光纤接续等场景中，承担主要通信覆盖任务，可靠保障了现场无人驾驶作业的连续性，并且确保装载区域和卸载区域的通信业务完整性。

南露天煤矿将持续推进无人驾驶规模化应用，部署更多无人驾驶矿卡进行露天矿采剥运输。同时将增加现场主网络和备份网络基站数量，确保打造高速可靠的无线通信网络，以满足无人驾驶通信使用需求。在双链路应用层面持续优化通信协议算法，进一步缩短数据延时和提升数据通信效率，并增强车辆对于弱网环境下的适应能力，有效利用车车通信链路进行数据传输，降低对网络覆盖的依赖，全面提升无人驾驶系统的可靠性和作业连续性。

6 结语

露天矿山无人驾驶作为矿山智能化建设的重要组成部分，随着国家矿山智能化建设的持续推进，将发挥更加重要的引领效应。双链路通信作为矿山无人驾驶通信可靠性保障的重要手段，在经过现场实际验证后，具有较高的推广价值和研究价值，在无人驾驶规模化应用的进程中，矿企、电信运营商和无人驾驶科技企业共同合作，积极探索先进通信技术在工业领域的落地应用，起到了良好的示范作用。