03山西紫金矿业5G+自动驾驶智慧金矿科研项目

所在地市：忻州市

参与单位：山西紫金矿业有限公司、中国移动通信集团山西

有限公司

技术特点：井下自动驾驶应用针对井下自动驾驶远控引入5G 切片低时延链路层技术G.mtn，将TDM复用和统计复用融合，实现网络切片和低时延转发，赋能自动驾驶实现真正的基于5G的高可靠远程控制。通过多级边缘计算可实现业务环境灵活下沉与部署，为融合感知等计算复杂度较高的自动驾驶业务提供低时延端到端连接与强大算力；通过网络切片，提升自动驾驶不同业务的差异化管理水平，通过功能、性能、隔离、运维等多方面的灵活设计，创建满足自动驾驶行业需求的定制化专用网络。

应用成效：本项目对5G+井下自动驾驶技术、无人化技术成熟度各项关键技术做了验证，建立无人化矿山样板。通过井下5G+远程驾驶、无人驾驶的能力，解决了井下安全隐患大、人员招聘难、管理成本高的困难，提高了生产安全能力（无人矿卡可以有效避免车辆侧翻和其他安全问题发生时影响驾驶员生命安全）；降低了运营成本（无人驾驶系统替代驾驶员，可以节省驾驶员人工成本，同时可以节省后勤成本、有效降低燃油消耗、车辆维护费用、轮胎等易损件消耗、减少井下通风需求，综合降低成本可达2000万）；优化管理效率（无人运输的效率比传统人工运输提升了30%）。

一、企业简介

山西紫金矿业有限公司成立于2005年9月26日，位于山西省繁峙县砂河镇义兴寨。是一家以从事有色金属矿采选业为主的企业，企业注册资本为15910万人民币，实缴资本为15910万人民币。公司的经营范围包括黄金及有色金属和非金属矿产的开采（政策允许内）选冶、加工、矿产品销售、矿产地质、矿产资源勘查（在本采矿权范围内）及其信息技术服务。开采规模为20.00万吨/年，采用明竖井+盲竖井联合开拓方式，采矿方法采用削壁充填法、浅孔留矿法(嗣后充填)和上向水平分层充填采矿法。

自成立以来，在山西省地方各级政府及部门的大力支持下，公司始终坚持“矿业立企，报国惠民”的宗旨，依法经营，合规建设，取得了良好的经济与社会效益。连续十年被评为繁峙县“纳税大户”，荣获了上级部门及集团 50 多项荣誉。

二、案例背景

为响应国家“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划，培育新产品新模式新业态，推进行业领域数字化转型，培育跨界融合新生态，围绕矿山行业、物联网、大数据、人工智能等深度融合的关键环节，大力推进智能化装备、智能化系统等技术的研发、创新和应用，山西紫金矿业有限公司加快“物的智能化、人的智能化、流程智能化”系统战略部署，为显著提高生产效率、降低安全风险，提出建设井下设备自动化、智能化、无人化的5G智慧金矿。

三、实施方案

1.整体架构

5G专网设计架构

基于5G网络的智能矿山管理系统整体架构主要包括设备终端、网络层（接入网络、工业网络）、管理平台三部分。由于井下5G专网有数据隔离、专网专用等需求，采用尊享网络架构，独享的基站建设，环网采用支持5G承载新特性的SPN设备进行组网，满足5G业务需求，并具备面向未来进行系统扩容和升级的能力，组网图如下：

图 1山西紫金矿业ToB尊享方案网络拓扑图

自动驾驶整体架构

图 2井下电铲无人驾驶解决架构图

整个系统分为5个部分：

1.远程驾驶控制系统

2.智能感知系统

3.自动驾驶决策系统

4.车辆控制系统（车辆）

5.交换系统（工业以太交换和CAN交换）

依赖系统及条件：

1.井下5G专网通信系统

2.高精度电子地图平台

3.其他可能有助于自动驾驶的系统信息

2.主要功能

山西紫金矿业5G智慧金矿项目通过井下5G专网的建设实现了紫金矿业井下电动铲车自动驾驶试验，主要研究功能内容如下：

1、电铲的远程驾驶和操控技术。远程驾驶和操控的灵活性和效率均对带宽、时延等网络性能都有较高的需求。通过该项目验证单台设备的远程操作对网络性能指标的准确需求，为后续整个工作面的远程化控制提供精准的网络需求和规划依据。

2、井下恶劣工况下的车辆定位技术。在地面GNSS差分技术在精确定位车辆位置方面起着重要作用。在车辆短时间失去GNSS信号时或借助IMU惯导辅助车辆定位。但是井下没有GNSS信号，且电铲等井下车辆需要长时间井下作业。需要研究如何以可接受的成本实现IMU惯导设备长时间连续作业的长期累积误差的补偿方法。

3、研究井下恶劣工况下的传感器选型、标定和数据处理算法。

研究井下光照不足的场景下的自动驾驶系统使用的毫米波雷达的影响，不同波段毫米波雷达的适用性和性能。

4、井下恶劣工况下的多传感器融合算法研究。井下工况导致地面自动驾驶系统常用的传感器在井下特殊环境其功能和性能都受到了很大影响，井下自动驾驶的传感器类型、性能、数据质量、处理方法与地面工况会有很大差异，一些经典算法可能失效，除了研究各传感器数据的处理算法，还要研究这种情况下多传感器融合的适当方法。

5、充分研究井下自动驾驶对V2X的技术需求，包括车人协同，车路协同，车车协同，车云协同的内容和实现方法。

6、井下无人作业将涉及远程驾驶、无人驾驶、近场遥控、人工驾驶多种情况并行的情况，其决策规划的复杂性远高于地面的各种无人驾驶场景，需要研究这种复杂情况下的规划决策算法。

7、研究电铲车在井下复杂环境的姿态控制和平衡控制算法性能。

8、根据未来井下无人作业系统的需求，定义出对自动驾驶系统相关的接口规范、配套基础设施规范、业务管理规范。

3.设计理念

目前商用的自动驾驶产品，多针对乘用车辆，且多为辅助驾驶，无人驾驶仍处于测试阶段。针对矿山大型车辆的自动驾驶技术尚处于起步阶段，多为试点应用，且普遍存在价格昂贵，功能与矿山实际业务需求有差距，新功能开发费用高昂，响应时间不可控的问题。特别是井下自动驾驶技术，几乎处于空白状态。

忻州移动通过与山西紫金矿业有限公司的需求调研，为实现紫金矿业作业室内化、生产过程遥控化、采掘作业全流程、全周期的数字化和智能化的目标，为紫金矿业建设独享的5G专用网络，满足国内首个地下无人试验采场高带宽、低时延、高安全、高可靠的数据传输需求。同时紫金矿业在井下多模态感知融合技术、井下环境精确定位技术、各种传感器在井下环境的精度补偿技术、远程控制的网络保障技术、井下的自动补光技术、电铲车的远程控制和姿态控制技术、适合井下复杂环境的远程控制和自动驾驶的软硬件平台技术方面进行了研究。

4.项目方案

4.1 5G专网技术方案

中国移动在2.6GHz频段共有160MHz频谱资源，项目中井下5G采用100M带宽组网，考虑到井下无线环境密闭，不会对大网产生干扰，且井下上行带宽需求较大，5G网络采用上下行3:1的大上行时隙配比。

井下基站的BBU、RHUB、pRRU之间采用光缆连接，设备间采用光缆熔纤跳接的方式连接，每个设备至少预留2芯的备用纤芯。应根据设备的位置和拓扑结构确定光缆的纤芯需求和单段光缆长度。BBU应放置在变电所内，RHUB和pRRU应根据覆盖需求和井下现场条件放置在地面或壁挂安装。pRRU为4T4R设备，外接2个双通道板状天线，根据测算，单边天线的覆盖距离在150m左右，两个pRRU的间距在300米左右。

5G专网覆盖区域为：950矿房、830工作面 1号矿石溜井（长21米）和2号矿石溜井（长21米），建设1个5G基站，使用1台BBU，3台rHUB，13台pRRU。

4.2  5G环网技术方案

SPN分别在物理层、链路层和转发控制层采用创新技术，满足包括5G业务在内的综合业务传输网络需要。SPN采用创新以太分片组网技术（Ethernet Cross Connect）和面向传送的分段路由技术（SR-TP），并融合光层DWDM（密集型光波复用）技术的层网络技术体制，可实现基于以太网的多层技术融合。

SPN四大关键技术：

一是面向连接的L3分段路由技术（SR-TP），实现三层到边缘，满足灵活组网需求；

二是切片低时延链路层技术G.mtn，将TDM复用和统计复用融合，实现网络切片和低时延转发；

三是支持WDM和简化的ROADM（光分插复用器）技术，实现带宽扩展及光层灵活组网；

项目采用支持5G承载新特性的SPN设备进行组网（组网图见图1），满足5G业务需求，并具备面向未来进行系统扩容和升级的能力，分步引入MTN/FLexE、SR、IPv6等SPN关键组网特性。

4.3  核心网建设方案

为满足矿区数据不出矿区的建设要求，独立建设服务ToB用户的UPF设备，ToB边缘UPF设备将采用软硬件一体化建设方式。矿区专用UPF位于紫金矿业机房。紫金矿业时延：7（空口时延开启预调度）+2*2（UPF处理时延）+0.5（传输路径）+0.5*0.01*3（传输设备和交换机）=11.515ms

综合考虑终端设备和服务器的处理时延，矿区专用UPF的可以满足无人驾驶时延为50ms的业务需求。

4.4  自动驾驶远程操控一体化融合设计

图 3自动驾驶远程操控融合体系

自动驾驶系统采用无人驾驶和远程操控一体化融合设计。

自动驾驶控制器负责传感器数据融合处理、远程操控指令处理、定位导航、规划决策、车辆姿态解算控制。

传感器组件包含激光雷达、惯性导航、超声波雷达、转角传感器、360°全景摄像头、广角摄像头、铲装摄像头、蓝牙定位标识等，最终选择根据详细设计方案确定。

车辆控制器VCU实现对车辆的动作控制和车辆运行数据采集预处理。包括接受自动驾驶控制器的控制指令，并转换成整车执行机构匹配的控制信号实现整车控制；将车辆运行数据采集处理后传给自动驾驶控制器。

自动驾驶控制器和车辆VCU之间通过CAN接口通信。

4.5  自动驾驶决策系统架构

图 4规划决策架构

自动驾驶决策系统计算平台是实现智能驾驶全景感知、高精度地图&传感器融合定位、决策、规划、AI算法的基础设施。

本项目由于采取了远程驾驶和无人驾驶融合的先进方案，规划决策单元将综合环境感知、远程驾驶、生产调度系统等多系统的输出信息，最终输出车辆控制指令。其复杂性超出一般的自动驾驶范畴。

为确保在井下恶劣复杂的生产环境中安全可靠工作，系统选用了符合工业标准和车规级产品需求的开放架构移动计算平台。

4.6  多模态传感器融合感知

根据传感器的技术原理，自动驾驶的定位技术主要可以分为基于信号定位、航位推算和地图匹配三大类：

基于信号的定位：采用飞行时间测距法（Time of Flight，ToF）获得汽车与卫星的距离，然后使用三球定位原理得到汽车的绝对位置，在地面主要就是通过全球卫星GNSS 的卫星信号进行定位，此外还包括使用WiFi、UWB、FM 微波等其他信号获取信息等技术；

航迹递推（Dead Reckoning）：依靠惯性传感器获得加速度和角速度信息，根据上一时刻其策划的位置和航向递推出当前的位置和航向；

地图匹配（Map Matching，MM）：基于视觉摄像头（Camera）或激光雷达（LiDAR）采集到的数据特征与高精度地图数据中的特征进行匹配，得到车辆的位置和姿态。

图 5多模态数据融合架构

井下恶劣环境下，各种传感器都有其优势和劣势，而且摄像头、激光雷达、毫米波雷达这些地面自动驾驶核心的定位传感器，其性能在井下环境都存在不同程度的降低甚至失效的可能。因此，在井下自动驾驶的感知和定位更需要融合感知。

4.7  自动驾驶计算平台

自动驾驶控制器作为自动驾驶核心部件，是自动驾驶的“大脑”，通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达，以及IMU等设备，完成的功能包含图像识别、数据处理等。因此，其需要具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通讯、高速通讯的能力。

图 6 自动驾驶控制器架构图

自动驾驶控制器大多采用SOC+MCU的结构。

SOC具备高性能，用于完成基于机器学习的视觉算法、SLAM算法、多传感器融合算法等性能需求高的任务。

MCU具备实时性。MCU上运行高可靠性的实时系统，以确保任务在确定的时间内响应、确定的时间内完成。MCU通过CAN接口完成与车体的通信和控制。

四、实施成效

本项目通过井下5G+远程驾驶、无人驾驶的能力，解决了井下安全隐患大、人员招聘难、管理成本高的困难，提高了生产安全能力（无人矿卡可以有效避免车辆侧翻和其他安全问题发生时影响驾驶员生命安全）；降低了运营成本（无人驾驶系统替代驾驶员，可以节省驾驶员人工成本，同时可以节省后勤成本、有效降低燃油消耗、车辆维护费用、轮胎等易损件消耗、减少井下通风需求，综合降低成本可达2000万）；优化管理效率（无人运输的效率比传统人工运输提升了30%）。

紫金矿业自身拥有庞大体量与市场，对井下自动驾驶业务需求明确，拥有较好的研发队伍，且在业内拥有广泛影响力的大型企业集团，通过和优秀的自动驾驶研发企业、科研院所合作，自主研发井下自动驾驶技术，实现自主可控，将显著降低智慧矿山建设投入，提升业务响应速度，降低后期维护升级成本。

本项目对5G+井下自动驾驶技术和无人化技术成熟度和各项关键技术做了验证，建立无人化矿山的样板点。为集团后续的无人化矿山建设方案打下坚实的技术基础。

五、创新亮点

1、井下自动驾驶远控引入5G 切片低时延链路层技术G.mtn，将TDM复用和统计复用融合，实现网络切片和低时延转发，定制化专用网络。

2、传感器在恶劣工况下的传感器数据处理算法及多传感器数据融合方法。

3、采用车载摄像头和巷道摄像联合同步处理的井下设备的远程控制方法。

4、充分利用5G+C-V2X技术，实现车、人、路、云高度协同的自动驾驶解决方案，将井下智能化作业面作为整体来设计，使得无人驾驶技术不再是独立的技术。

5、无人驾驶、远程驾驶、近场驾驶、生产调度多模态控制下复杂决策规划系统研究。

六、案例图片