雙鏈路通信在露天礦山無人駕駛通信系統中的應用

朱 濤，劉振遠

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆天池能源有限公司南露天煤礦是全國單礦產能最大的露天煤礦，2016 年以來，南露天煤礦致力于通過智能化礦山建設推動露天煤礦技術升級和產業變革，并取得長足技術進步和優秀的應用效果。南露天煤礦于2023 年3 月通過國家首批智能化示范煤礦驗收，其露天煤礦無人駕駛運輸項目至2020 年開展以來[1]，已實現多編組24 h 混編常態化無人運營，其運營里程，運輸趟次及方量均處于全國領先。根據南露天煤礦智能化發展規劃，在2023 年下半年會持續擴充無人駕駛設備規模，增加無人駕駛運輸系統產能。

對于露天煤礦無人駕駛運輸系統來說，其運行穩定性和連續性是影響生產指標的重要因素。礦山無人駕駛依托無線網絡覆蓋進行車云通信，無線網絡覆蓋效果直接影響無人駕駛車輛運行效果。就現有主流5G 礦區網絡覆蓋效果來看，各大運營商均存在覆蓋成本過高，因生產推進導致盲區補償覆蓋不及時等難點，如何妥善解決上述難點成為露天礦山無人駕駛應用亟待解決關鍵問題[2]。經天池能源南露天與運營商，通信設備供應商及無人駕駛技術研發單位共同研究，采用自建LTE 專網與5G 公網雙鏈路共同覆蓋模式，可較好實現礦區無人駕駛所需無線網絡覆蓋。

1 礦山無人駕駛通信網絡應用分析

露天礦山無人駕駛系統多采用5G 網絡通信，并采用低頻廣域覆蓋，高頻重點區域帶寬增強模式。網絡建設多為運營商建設及運維，日常使用中，存在諸多痛點。

運營商網絡一般為一次性建設，受限于規劃范圍，隨著礦山開采深入，初期建設的覆蓋區域無法滿足作業區域變化，極易出現遮擋盲區和覆蓋不足情況。運營商網絡基站增補及遷移受業務流程限制，周期較長，礦方又無法自行進行基站遷移和增補，從而造成作業區域內網絡覆蓋逐漸劣化，影響正常無人駕駛作業運行。

5G 基站需要供電及光纖，露天礦山作業場景容易出現供電中斷及光纖線路故障情況，進而造成單一或部分基站故障，形成局部臨時性盲區。運營商運維體系無法實現即時響應及故障排除，礦方自身也不具備相應運維能力，從而造成故障時間過長影響無人駕駛運行。

5G 基站造價較高，在某些短期臨時性區域覆蓋場景下，無法快速增加基站滿足覆蓋需求，投入產出比不合算。同時5G 基站后端配套設備較多，數據業務開通流程及時間過長，無法實現基站快速部署及應用[3]。

由于現有5G 網絡存在上述實際應用問題，對無人駕駛應用造成較大影響，無人駕駛業務中斷又會造成較大的經濟損失和生產連續性影響，如何建立有效的通信備份手段就成為無人駕駛通信網絡亟需解決的問題。

2 備份通信鏈路選擇

露天礦山無人駕駛對于通信網絡需求主要為車云通信中無人駕駛礦卡與云控平臺之間數據交互，包括車輛監測、感知、視頻流、控制指令、任務信息等數據。主要通信需求集中于上行帶寬，基礎上行帶寬要求20 Mbit/s，數據延時50 ms 以內，以滿足無人駕駛遠程遙控視頻流數據、大容量點云數據上傳需求[4]。備份通信鏈路需在主鏈路無連接時，確保車云通信暢通，保障無人駕駛礦卡正常運行，不因網絡問題導致停運情況發生。

備份通信鏈路要求覆蓋區域廣，上行帶寬可滿足無人駕駛車云通信需求，基站架設方便快捷，對供電及光纖線路依賴程度低等要求。目前可供選擇的通信制式主要為LTE 專網和MESH 網絡，其中MESH 網絡工作在2 GHz 和5.8 GHz 頻段，此頻段內有大量無線網橋設備和AP 設備應用，干擾嚴重且無法排除，故選擇LTE 專網作為備份鏈路通信制式。

LTE 專網工作頻段在1 447～1 467 MHz，工信部2015 年3 月9 日發布公告《關于1447－1467 兆赫茲（MHz）頻段寬帶數字集群專網系統頻率使用事宜的通知》中規定此頻段用于寬帶數字集群專網系統使用，頻段干擾較少且受保護。LTE 專網基于標準4G－LTE 通信制式，遵循3GPP Release 9 標準，在專用頻段范圍內提供廣域覆蓋服務，單基站覆蓋半徑約為1 500～2 000 m，可提供不低于20 Mbit/s 的上行帶寬，端到端通信延時30～50 ms?？蓾M足無人駕駛備份鏈路使用要求。LTE 專網基站結構簡單，為一體化基站，架設僅需固定支撐物和供電，數據回傳采用無線回傳，礦方可自架設、遷移和運維，無需專業電信專業運維團隊支撐，適合礦山日常生產使用[5]。

城市內主流雙鏈路通信使用的雙卡雙待設備在礦山無人駕駛場景并不適用，礦山無人駕駛運營商網絡覆蓋不佳的原因在于覆蓋成本過高和盲區補償不及時，單純增加運營商數量使用雙卡雙待并不能根本解決問題，同時增加通信鏈路使用成本，不能取得應有效果，因此不采用雙卡雙待設備進行鏈路備份使用。

備份通信鏈路覆蓋要求為對于地形變化較大區域和重點設備密集區域例如剝離平盤，排土場等區域進行補充覆蓋，確保主網絡出現盲區或其他網絡故障，可使用備份網絡進行通信，避免出現因通信系統問題導致生產暫停。

3 雙鏈路通信架構

礦山無人駕駛雙鏈路通信要求在2 種無線網絡覆蓋下，無人駕駛礦卡基于網絡聯通狀況，自主選擇可用通信鏈路，完成車云通信業務。硬件架構要求建立2 條獨立通信鏈路，連接無人駕駛礦卡與智能云控平臺，2 條通信鏈路具備獨立無線通信設備，分別連接2 套無線網絡進行數據通信[6]。2 種制式無線通信設備與云控平臺使用獨立IP 地址，用以供無人駕駛礦卡計算單元區分不同通信鏈路。

基于上述雙鏈路通信架構要求，在無人駕駛礦卡上同時部署基于5G 網絡的DTU 通信設備和基于LTE 專網的CPE 通信設備，2 種通信設備同時接入無人駕駛礦卡網絡交換設備，與車載計算單元連接?；緜仍诂F有5G 網絡覆蓋基礎上，增設LTE 專網基站，對地形變化較大區域進行補充覆蓋，確保所有無人駕駛作業區域至少存在1 種制式網絡覆蓋。2套網絡覆蓋基站分別由各自核心網網絡出口依托2條獨立物理網絡鏈路接入不同通信前置機，最終接入無人駕駛云控平臺。雙鏈路通信硬件架構如圖1。

圖1 雙鏈路通信硬件架構

雙鏈路通信架構中，5G－DTU 與CPE 分別使用不同網段IP 地址，即可起到防止整體車載無人駕駛系統網絡內部發生網絡風暴廣播，阻塞上行鏈路帶寬，又可方便車載計算單元的通信服務基于不同地址進行通信鏈路切換。云控平臺一側設置2 套通信前置機服務，并采用相互獨立地址分別連接2 條物理通信鏈路，通信前置機可同時通過2 條獨立通信鏈路與無人駕駛礦卡進行車云通信。

4 雙鏈路切換方式

無人駕駛礦卡與云控平臺之間存在2 條物理通信鏈路，業務上要求快速、穩定的進行通信鏈路切換，在保持通信鏈路暢通的同時，盡可能避免因鏈路切換造成業務暫停。因此，鏈路切換方式成為雙鏈路通信重要技術問題。無人駕駛業務要求在主鏈路出現通信故障時，立即切換至備份鏈路進行通信，并且切換過程中不得出現數據丟失情況，切換時間要求小于500 ms，并且在生產業務端實現無感切換。

在其他移動通信場景中，采用雙鏈路切換多使用物理路由網關設備，在移動端安裝雙鏈路網關，由網關進行鏈路切換管控，對于礦山無人駕駛來說，增加雙鏈路網關，增加了通信設備從而增加故障點和數據延時，同時車云通信基于TCP 的可靠長連接，網關設備進行切換時勢必無法保障TCP 連接穩定性，從而造成連接中斷，只能通過數據重傳保障數據不丟失。在服務器端增加鏈路聚合設備也是無法避免上述問題。因此，在礦山無人駕駛雙鏈路通信中，采用雙鏈路熱備方式進行數據通信，極大程度上減少因切換帶來的數據丟失和業務中斷[7]。

雙鏈路熱備方式是在主網絡和備份網絡覆蓋條件下，同時使用2 條通信鏈路進行數據通信，每1 份數據包增加唯一流水號，同時通過2 條鏈路進行數據傳輸，車端通信服務和云端通信服務依據唯一流水號進行數據去重處理，在數據校驗確保數據包完成的情況下，去重后將唯一數據包發送至后端服務。采用此種方式優勢在于2 條鏈路同時傳輸，只要有1 條通信鏈路正常通信，即可確保數據完整性，并且沒有切換時間，因此不會造成業務中斷情況發生。去重服務經過算法優化，確保在大容量通信情況下，基本不增加整體數據傳輸時間。車端通信服務和云端通信服務實時監控2 條通信鏈路通信質量[8]，在單一鏈路中斷情況下，不進行去重服務，同時丟棄損壞數據包，減少數據處理流程環節。雙鏈路熱備數據處理流程如圖2。

圖2 雙鏈路熱備數據處理流程

車云通信中地圖數據下發和視頻推流場景較為特殊，地圖下發為下行數據，并且地圖數據較大，不易拆包組包；車載視頻推流為上行數據，數據量大且基于UDP 通信，因此需要對以上2 種通信場景進行特殊處理。地圖下發為非實時通信需求，根據車端請求及云端地圖變化進行下發，在此種業務需求條件下，將地圖數據打包成完整文件，并冠以唯一文件流水號，通過2 條通信鏈路進行下發，車端接收地圖文件后進行文件完整性校驗，丟棄損壞文件和重復文件后，將唯一完好地圖文件傳輸給車端地圖服務使用。車端視頻推流受視頻連續性要求，無法進行拆包發送，因此采用2 條鏈路進行上傳，云端同時接收2條鏈路的視頻流，車云通信服務實時監測2 條鏈路通信質量，包括信號質量和通信時延，當主通信鏈路正常時，流媒體服務器使用主通信鏈路的視頻流。主通信鏈路斷開時，流媒體無縫切換備份通信鏈路視頻流[9]。在一定時間間隔下，主通信鏈路恢復后切換回主通信鏈路的視頻流。確保同一時間內有1 份視頻流數據可以正常使用，并且不出現頻繁切換的情況造成視頻畫面卡頓。

雙鏈路熱備方式可以充分利用雙網覆蓋的優勢，有效避免因物理切換造成數據丟失、業務中斷情況，以及因切換邏輯控制不佳造成短時間內重復切換的問題。在實際通信業務應用過程中，確保業務連續性和流暢性。并且無需增加額外的物理切換設備，減少故障點和設備改動，有效契合的無人駕駛通信業務的使用需求。

5 現場應用效果

露天礦山無人駕駛在天池能源南露天煤礦已規?；瘧?，目前南露天煤礦部署的無人駕駛礦卡數量位居全國第一，無人駕駛承擔的運輸任務已占據南露天煤礦剝離運輸任務30%以上，并且持續增加。無人駕駛運行穩定性直接影響礦山正常生產運營，在此背景下，南露天煤礦在現有5G 通信網絡基礎上，增設了LTE 專網的備份網絡，并使用雙鏈路通信模式進行無人駕駛車云數據傳輸。經現場實際測試和生產業務環境下長時間運行，雙鏈路通信效果良好，有效避免了單一網絡故障帶來的生產中斷情況。

南露天煤礦目前部署中國聯通5G 網絡基站，采用N1 頻段（2.1 GHz）和N8 頻段（900 MHz）雙頻組網，覆蓋區域包括無人駕駛所有運行區域。聯通5G 網絡采用核心網及UPF 本地部署模式，基于DNN 分流技術將車端數據直接回傳至礦內MEC 機房。LTE 專網基站有效覆蓋半徑1.5 km，可有效對裝載區域和卸載區域進行備份補充覆蓋。LTE 專網基站使用電信級網橋進行數據回傳，車端數據直接回傳礦內機房。

南露天煤礦無人駕駛于2023 年5 月應用雙鏈路通信，運行3 個月以來，雙鏈路通信表現良好，LTE 專網備份鏈路在局部5G 網絡基站遷移和5G基站光纖接續等場景中，承擔主要通信覆蓋任務，可靠保障了現場無人駕駛作業的連續性，并且確保裝載區域和卸載區域的通信業務完整性。

南露天煤礦將持續推進無人駕駛規?；瘧?，部署更多無人駕駛礦卡進行露天礦采剝運輸。同時將增加現場主網絡和備份網絡基站數量，確保打造高速可靠的無線通信網絡，以滿足無人駕駛通信使用需求。在雙鏈路應用層面持續優化通信協議算法，進一步縮短數據延時和提升數據通信效率，并增強車輛對于弱網環境下的適應能力，有效利用車車通信鏈路進行數據傳輸，降低對網絡覆蓋的依賴，全面提升無人駕駛系統的可靠性和作業連續性。

6 結語

露天礦山無人駕駛作為礦山智能化建設的重要組成部分，隨著國家礦山智能化建設的持續推進，將發揮更加重要的引領效應。雙鏈路通信作為礦山無人駕駛通信可靠性保障的重要手段，在經過現場實際驗證后，具有較高的推廣價值和研究價值，在無人駕駛規?；瘧玫倪M程中，礦企、電信運營商和無人駕駛科技企業共同合作，積極探索先進通信技術在工業領域的落地應用，起到了良好的示范作用。