05   冀东水泥5G无人驾驶二期项目

所在地市：阳泉市

参与单位：阳泉市冀东水泥责任有限公司、中国联合网络通信有限公司阳泉市分公司

技术特点：利用5G混合专网，UPF+MEC下沉到用户端，提供低时延、大带宽，结合V2X+云计算+AI等技术实现无人矿卡自动驾驶。

应用成效：无人驾驶可实现连续作业，减少人工，提生产效率，稳定生产运行，每年新增利润240万元，采用纯电车对比燃油车降低成本138.47万元/年。

一、企业简介

阳泉冀东水泥有限责任公司成立于2009年09月01日。公司经营范围包括符合国家政策的水泥、水泥熟料制造、销售；商品混凝土的制造等，目前公司主营业务为水泥生产，水泥生产原料来自于厂区矿山材料开采。

二、案例背景

在上世纪 90 年代，智慧矿山开始在国外兴起，目前在澳大利发展最为成熟。截至 2020 年 2 月，全球约 500 辆自动驾驶运输卡车中有近 80%在澳大利亚。中国也陆续出台了一系统的政策来推动智慧矿山的发展，尤其是2020年国家发改委等八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出到 2025 年实现露天煤矿无人化运输。在相关政策的推动下，矿山自动驾驶将加速落地。 2016 年《全国矿产资源规划（2016-2020）》 明确提出未来五年要大力推进矿山领域科技创新，加快建设数字化、智能化、自动化矿山。2017 年《安全生产“十三五”规划》要求在矿山领域实施“机械化换人、自动化减人”，推广应用工业机器人、智能装备等，减少危险岗位人员数量和人员操作。2019年1月国家镁矿安全监察局公告 2019 年第1号《煤矿机器人重点研发目录》提出重点研发露天矿卡无人驾驶系统。 2020年3月国家发改委等八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出到 2025 年，大型露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。 2020 年4月工业和信息化部、发展改革委、自然资源部联合发布《有色金属行业智能工厂（矿山）建设指南（试行）》提出打造具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应的智能矿山。

冀东水泥生产所需材料需自行开采运输，主要面临以下几个方面的问题需要解决；

1）、矿山工作环境恶劣，招聘越来越困难

矿山运载需要经验丰富的从业人员进行操作，但矿山工作环境相对比较恶劣，安全事故频发，同时作业远离生活区，很多矿区作业人员都罹患不同程度的职业病，导致目前面临人员流动性高、司机老龄化严重,年轻司机从业意愿低、招聘驾驶员困难。

2）、矿山事故多发，造成人员伤亡

所有的矿一旦遇到安全事故就停工整顿，造成的经济损失非常大。因此政府和企业都希望最大限度降低伤亡人数。无人化是最终解决的路径。

3）、企业面临较大成本压力

卡车司机成本：每台矿用卡车需要配备 2-3 名司机，司机薪资成本需要 20-60 万，并且司机成本不断攀升。 燃油成本：在矿用卡车整个生命周期，燃油成本占比通常在40%以上。设备损耗成本：人工司机很难平稳驾驶，造成车辆、尤其是轮胎的损耗非常大。

三、实施方案

1. 整体架构

阳泉冀东水泥矿区年产能 350 万吨，在阳泉冀东水泥矿进行矿卡无人驾驶系统部署和调试，在云端智能调度与管理系统的作业调度下，与配套的挖机协同作业，形成完整的露天矿无人运输作业系统，实现阳泉冀东安全无人运输、高效生产。

项目基于5G+V2X车联网的网络架构采用“云-管-端”的网络结构。“云”实现连接管理、业务处理和整体指挥调度。“管”通过5G+V2X 车联网技术实现云端和车端的高可靠、低时延通信；“端”实现车辆的智能化网联，通过车载传感器、动态高精度3D地图、车载车联网通信系统，在无人驾驶端实现车辆的感知-规划-决策-控制。

2. 主要功能

在5G网络条件下，通过对现有矿卡进行线控改装，自动驾驶系统部署，对挖机进行协同作业系统部署，实现挖机卡车协同作业、矿卡无人驾驶运输、自动卸料的矿区采、运、排全流程自动化作业。通过智能集群调度平台管理，可以与矿区复杂生产作业无缝衔接，同时具备车辆远程遥控接管的功能。

1）、自动驾驶

无人驾驶矿卡接收到来自机群管控中心的规划路径数据，可自主行驶到指定地点进行矿区作业。并根据接收到的最大车速，最高转速，油门最大开度等信息，可将车辆燃油经济性提升到最佳程度。

2）、协同装载

无人矿卡及半自主挖掘机可进行智能挖卡协同作业，更加高效、顺畅的完成土方、矿石等物料装载，并自主起步驶离装载点， 沿规划路径进入车道内行驶。

3）、智能避障

无人矿卡拥有先进的智能自主避障功能，智能感知系统能精准辨别障碍物大小及类型，从而采取最优的避障路径，低速安全通过。采用多传感器融合的方式可在夜晚及雨雪天气下正常作业运行。 

4）、自主卸载

无人矿卡自主运输矿石等物料至指定排土场，并进行自主转弯、掉头，在感知系统的引导下安全低速倒车，通过自适应挡墙实现在卸载区车辆能够根据挡墙位置进行局部规划路径倒车，精准停靠在卸载点，实现精准卸料。卸载完成后自主驶离卸载点。

5）、应急接管

安全是无人运输解决方案的第一原则。无人矿卡在发生故障时可及时将故障信息反馈至机群管控中心，技术人员通过远程操作完成故障车的人为接管，杜绝安全隐患。

3. 设计理念

1）紧跟国家政策和行业发展趋势

在上世纪 90 年代，智慧矿山开始在国外兴起。截至2020年2月，全球约 500 辆自动驾驶运输卡车进入实际运营生产。我国陆续出台了一系列政策来推动智慧矿山的发展。2020 年国家发改委等八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出到2025 年实现露天煤矿无人化运输。

2）切实解决客户实际问题

 解决矿山事故多发，造成人员伤亡的安全问题

 解决矿山工作环境恶劣，招聘越来越困难的问题

 解决企业逐步面临较大成本压力问题

 解决企业运营智能化程度低、效率低的问题

 解决企业环保的问题

3）系统方案设计遵循先进、安全、实用、可扩展原则

先进性原则：产品采用先进成熟的软件架构、设计理念和开发手段，选用技术先进、成熟稳定的基础支撑软件，充分应用智慧矿山、自动驾驶、5G+V2X 网络通信技术领域中已经取得的成熟研究成果，紧跟技术发展脉络，充分预见未来技术发展趋势，保证系统在不替换现有设施、不损失前期投资的情况下方便升级和扩容，最大地延长系统的整体生命周期，确保系统长期稳定发挥生产作用。

安全性原则：充分利用软件安全保障模块提供的功能，保障整个系统的软件访问、硬件使用、车辆驾驶、协同作业等部分的安全性。充分利用身份识别和认证、访问控制和决策、信息加密和权限等手段保证全面、系统化的安全机制和措施。

实用性原则：根据智慧矿山用户在生产作业活动中的具体需求，结合工作实际进行软件系统的设计和开发，确保系统实用、高效、方便的用户体验。

扩展性原则：系统遵循标准化准则，采用开放性好、标准化强的技术建设智慧矿山系统，保障系统易于扩展和丰富业务流程。并充分考虑与原有系统的集成功能，可安全的开放API系统调用或集成第三方API。充分考虑未来的发展和移植，具有良好的系统弹性。

4）功能设计与矿山实际生产无缝对接

在5G网络条件下，通过对现有矿卡进行线控改装，自动驾驶系统部署，对挖机进行协同作业系统部署，实现挖机卡车协同作业、矿卡无人驾驶运输、自动卸料的矿区采、运、排全流程自动化作业。通过智能集群调度平台管理，可以与矿区复杂生产作业无缝衔接，同时具备车辆远程遥控接管的功能。

4. 项目方案

1）系统参考规范

GB/T 31168-2014 《信息安全技术 云计算服务安全能力要求》GB/T 31167-2014 《信息安全技术 云计算服务安全指南》GB/T 34942-2017 《信息安全技术 云计算服务安全能力评估方法》 GB/T 37972-2019 《信息安全技术 云计算服务运行监管框架》工信部《汽车驾驶自动化分级》（报批稿，2021 年 1 月 1 日起执行） T/CASE 53-2017 《合作式智能运输系统车用通信系统用层及用数据交互标准》 ISO/CD 23150:2019(E) 《 Road vehicles - Data communication between sensors and data fusion unit for automated driving functions - Logical interface》

2）整体网络架构

无人矿卡远程驾驶系统是由无人驾驶矿卡、5G 网络、智能调度与管理系统、远程监控与应急接管系统、智能驾舱、大屏监控等组成的人车协同共驾系统。其中定位数据、车辆感知数据和控制数据，都需要通过5G无线通讯网络传输；为了满足系统对时延、速率、可靠性等通讯指标的严格要求，5G网络是满足这种通讯要求的最佳选择，利用5G低时延，大带宽和高可靠性的特性，实现对车辆的实时监控和远程控制，提高无人矿卡运行的安全性。  

同时结合冀东水泥智慧矿山工业互联网应用，部署MEC 资源池，通过本地 UPF 下沉到矿区，大大缩短网络接入时延，为自动驾驶、远程驾驶提供更加强大可靠的网络保障。

四、实施成效

1)项目部署情况及示范作用

项目完成8 台矿卡的线控改造，并完成挖卡协同，无人车辆运输，自动卸料的全业务流程运行。同时按照场景不断训练、优化算法，调优参数，按照有人车100%的效率进行交付。

项目具有很重要的示范意义，是5G/V2X、无人驾驶在水泥矿山行业领域的率先应用，更是采、运、排全业务流程在水泥矿区的率先商业落地。

2.项目商用满足功能解决痛点

①　解决传统矿山环境恶劣，地点偏远封闭、安全事故频发的安全问题。

②　解决矿山机械运作单一，人员难招聘，成本居高不下的问题。

③　解决矿石挖掘开采、矿石的装载、运输、卸载自动化程度低、效率低的问题。

④　解决矿用车辆体型巨大，人工驾驶导致耗油量及车辆损耗较高，经济性及环保性差的问题。

⑤　解决整个矿山的运营流程自动化、智能化程度低下，整体协调、调度能力差的问题。

3.多项关键技术在项目中应用在行业场景中实践

（1）挖卡协同，车辆自动寻找挖机并调整身位技术。

（2）集中调度管理以及与现有卡调系统的衔接协同。

（3）自动驾驶在露天矿区，重载下坡、空载上坡应用。

（4）5G/V2X 以及后续MEC 在矿区自动驾驶应用。

（5）仿真技术在矿区自动驾驶测试、部署上的应用。

国内矿山无人驾驶处于初级阶段。本项目在国内最先落地实施智慧矿山自动驾驶采、运、排一体化解决方案。该方案基于5G/V2X、自动驾驶等技术，结合集群调度系统、挖卡协同系统，打造代表国内最先进矿山生产作业的管理、调度、指挥、运营一站式解决方案，本方案将作为行业引领者，引领我国智慧矿山向前发展。

4、安全效益：智慧矿山的本质是无人矿山、安全矿山。运输矿车的无人化可大幅度减少矿山生产区域的工作人员。只保留挖机工作人员及其他辅助人员，工作人员的减少大幅度减少了因工作人员工作失误、意外情况的发生导致的人员伤亡。另外智慧矿山自动驾驶多重保障机制也让设备的运行，整体矿山的运转更为安全。

5、示范效应：目前全国露天开采矿山很少采用无人驾驶技术，属于起步阶段。冀东水泥无人驾驶项目作为水泥行业矿山第一个实现采、运、排无人驾驶项目，将对全国的露天开采矿山起到很好的示范效应。目前纵向在冀东水泥集团，通过培优会宣传，下一步将进行推广。横向山西省委书记视察后，要求在全省进行推广。整个项目在能源大省山西推广开来，将对全国同行业发展起到很好的带动作用。将有力推动我国智慧矿山快速健康向前发展。

五、创新亮点

1）、国内领先的矿山采运排一体化解决方案

为项目定制挖机与无人驾驶矿卡协同，矿卡无人驾驶运输和自主卸载的，国内领先的采、运、排一体化解决方案。 

该方案突出的优势在于无人矿山管控中心以大数据分析与深度学习为基础，通过对虚拟的矿山进行预测分析，根据其分析结果对生产作业进行调度引导。通过不间断的模型重建、预测分析指导现实世界中的现实生产作业。尤其当车辆数量增长到一定数量时，矿山生产作业成本会降低，综合效益会提升，集群调度控制和仿真管理的优势将明显优于其它作业系统。由于生产作业实时性要求比较高，5G 网络建设可以大大提高带宽、速率并降低延时。5G 网络对于快速将仿真模型的计算结果应用到现实生产作业中起到了关键的通信桥梁作用。 

中国联通作为通信运营商引领 5G 研究，近年来在5G 行业应用推广上取得令人瞩目的成绩。中国联通参与 CCSA、IMT2020、5GAA 20 个研究课题中的 13 个研究项目，在其中 2 个研究课题中扮演着第一个发起者和研究者的角色，7 个研究课题的共同发起人和共同研究者。中国联通聚焦创新合作战略，抢先布局MEC 边缘云；从 2017 年制定MEC 整体部署策略与演进规划，2018 年自主设计MEC 平台体系架构，2019 年完成试商用版本建设及多地部署，到 2020 年实现平台商用并对外提供一体化解决方案。在广东成MEC 全国运营中心，在全国重点城市完成上千个边缘节点的建设；自主研发的MEC 平台已在全国商用上线，打造多款拳头产品， 在八大重点行业取得商用突破。

图释：中国联通 5G 车路协同的自动驾驶整体解决方案

2）、先进的五层安全保障机制，确保安全生产为前提

为确保矿区无人运输中的人员与设备安全，分别通过智能化安全调度、全系统冗余、驾驶模式冗余、多层次多级别故障监测与安全处理机制、全方位安全防护体系采取措施，形成全方位立体化的安全防护系统。其中安全管理系统独立于自动驾驶软件之外，确保任何时刻都能进行安全停车，确保绝对安全可靠。从而避免因无人驾驶系统导致的人员安全事故，避免车辆侧翻、刮碰、失控、跌落等安全事件、以及网络入侵造成的安全事故的发生。该系统通过了信息安全管理体系认证（无人矿山运输系统设计开发），符合GB/T22080 -2016/ISO/IEC27001：2013 标准。

六、案例图片