从包钢无人驾驶项目看5G业务发展契机

　　姜 雷 

　　中国移动通信集团内蒙古有限公司  010020 　　  

　　内容摘要：对包钢无人驾驶项目进行了研究。概括性描述了建设智慧矿山的国家政策背景、现状以及建设的必要性，论述了项目的提出背景，历程节点，项目价值等整体情况，详细论述了项目落地中5G结合边缘计算如何为智慧矿山无人驾驶提供必要条件，从而探索出5G业务发展中的商务模式以及对未来推广复制落地做出了合理的规划。 

　　关键词： 5G；无人驾驶；边缘计算；矿山 

　　1. 政策背景与需求分析  

　　1.1 国家政策及行业现状 

　　国家政策推动智慧矿山建设，智能化、无人化的矿山生产运营是最终目标。 

　　1.1.1政策 

　　智能化矿山是国家倡导的未来发展趋势。2016年发布《全国矿产资源规划(2016～2020年)》，明确提出未来五年要大力推进矿业领域科技创新，加快建设数字化、智能化、自动化矿山，大力发展“互联网+矿业” 。2018年发布《智慧矿山信息系统通用技术规范》，标志着我国智能化矿山建设已开始真正落地。2019年发布《煤矿机器人重点研发目录》 ，明确将大力推动煤矿现场作业的少人化和无人化。明确到2020年，我国将建成100个初级智能化示范煤矿，2025年全部大型煤矿基本实现智能化。 

　　1.1.2现状 

　　矿山安全生产形势依然严峻。截至2018年底，全国取得安全许可证等证照的生产煤矿4271处，其中内蒙古、陕西、山西三省大型矿山共计1200座。据不完全统计，2019年1月至今我国各类煤矿事故已经让157人遇难。国家煤矿安全监察局通报的近期较大煤矿事故中，四川、贵州、河北等地接连发生4起较大煤矿事故，共造成21人死亡。业内尚无高度自动化、信息化矿山进行商业运营。 

　　在《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中指出2020年3月，国家发展改革委、国家能源局、应急部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部研究制定了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。到 2025 年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化， 形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、地质保障、采掘（剥）、运输、通风、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。到 2035 年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。 

　  1.2 智慧矿山建设必要性 

　　近年来，我国的老龄化越来越明显，矿山行业事故多发，导致矿山企业面临找不到员工的危险，急需用人才与科技代替解决用工荒的难题，而政府推力是驱动智慧矿山信息化标准化系统运行的重要力量，国家相继出台一系列政策引导智慧矿山的建设，包括《国家能源安全战略行动计划（2013—2020）》、《煤炭工业发展“十三五”规划》、《安全生产“十三五”规划》、《中国制造2025》等。各级当地政府也积极推进智慧城市和智慧矿山建设。建立煤炭交易统一结算平台，完善境内煤矿井上、井下网络建设，推进井下无人智能开采工程，推广应用机器人开采，加快工业机器人等技术和装备在煤矿生产中的应用。而企业自身也是通过生产调控、智慧技术保障、智慧职业健康与安全三大系统的应用，助力企业转型升级，使矿山具有人类般的思考、反应和行动能力，实现物物、物人、人人的全面信息集成和响应能力，主动感知、分析、并快速做出正确处理的矿山系统，人为的因素将降低最低程度，实现矿山生产、职业健康与安全、技术和后勤保障等过程快速分析处理。智慧矿山的建设不但是企业自身发展的需要，改善员工的工作环境，提高企业管理效益，减少日益增加的运维成本，也是 

　　1.3矿区痛点——挑战与机遇并存 

　　1.3.1矿区运输痛点日益凸显，亟待转型升级 

　　招工难，矿区工作环境恶劣；司机老龄化严重，年轻司机从业意愿低；招工难、管理难。效率低，传统作业模式智能化程度低，缺乏大数据分析的智能管理手段成本高，人力成本、管理成本持续提升；因司机操作不规范造成的车辆维修、油耗等成本居高不下。安全事故频发，矿区工作环境恶劣，安全事故频频发生，死亡率居高不下，无人驾驶是根本的解决手段。 

　　1.3.2露天矿具备良好的远控基础及自动驾驶条件 

　　由于露天矿具有封闭无人、线路固定以及低速、点对点作业的特点，所以矿区是最适合远控及自动驾驶应用的场景之一。 

　　应把露天矿的劳动密集型向技术密集型转换，应把简单粗放型向精准开采型转换。 

　　2. 项目整体介绍 

　　2.1 包钢（集团）公司白云鄂博铁矿简介 

　　包钢（集团）白云鄂博铁矿位于内蒙古自治区包头市。白云矿区包括主矿、东矿、西矿和东介格勒等矿段，长18km，宽3km，面积 54km²。东矿体长 1200m，宽 350m，呈透镜状；主矿体长 1250m，宽 410m，呈透镜状；西矿体向斜构造控制矿体明显；东介格勒矿体由多个不相连的小矿体组成，长数十米，宽数米到十余米，东西走向，倾角 50°～70°。白云鄂博矿区位于蒙古高原南部，属内陆干燥气候区，春旱风沙大，夏短雨集中，秋爽多日照，冬长天寒冷，冬季长达 7 个月之久。 

　　白云鄂博铁矿具体特性如图1所示。 

　　图1 白云鄂博铁矿特性图 

　　2.2 项目提出背景 

　　为响应《中国制造2025》规划，落实国家“智慧矿山”发展行动纲要要求，推动露天矿智能化升级改造，加快推进智能矿山及安全运营建设，在白云鄂博铁矿露天采区打造国家级智能矿山。2018年9月，包头钢铁（集团）有限责任公司、北京航空航天大学、内蒙古北方重型汽车股份有限公司、中国移动通信集团内蒙古有限公司、北京踏歌智行科技有限公司、华为技术有限公司召开六方会议，启动：“5G网络条件下无人驾驶及远程操控的智能矿山技术的开发及应用”项目，正式拉开了白云鄂博铁矿智能矿山建设的序幕。而我公司因为前期与包钢集团在OA办公、IMS固话等项目方面有过深度合作，具备良好的客情基础。通过不断努力，双方决定，携手共建白云鄂博智慧矿山项目，彻底解决罢工问题。 

　　内蒙古移动与包钢集团、华为公司、踏歌智行、北京航空航天大学以及北方股份等合作伙伴共同携手合作，在白云鄂博矿实施5G智慧矿区无人化运输建设，实现矿卡车辆的无人驾驶和采矿设备的无人操作，以及矿山生产运营、调度自动化管理。至今已实现矿区4台无人矿卡和2台电铲作业编组的无人驾驶作业。 

　　2.3 项目历程节点 

　　（1）2018年9月，包钢集团、中国移动及其他合作伙伴签订合作协议。 

　　（2）2019年2月，中国移动5G试验站正式开通。 

　　（3）2019年8月，“四台无人驾驶矿卡在白云鄂博矿编组运营通过专家组评审。 

　　（4）2019年9月，“5G赋能 智造未来”智慧矿区无人驾驶解决方案推介会。 

　　（5）2019年11月，亮相中国移动2019年全球合作伙伴大会。 

　　（6）2020年1月，智慧矿山产业推进联盟在内蒙古包头成立。 

　　2.4 项目企业价值 

　　5G时代引领，构建绿色、安全、高效、智慧的白云鄂博矿山，助力企业降本增效。具体如图2所示。 

　　图2 项目价值展示图 

　　2.5 2020年项目计划 

　　2020年项目计划如表1所示。 

　　表1 2020年项目计划表 

　　3．项目方案落地 

　　3.1 项目方案介绍  

　　3.1.1整体架构 

　　项目总体为“云-管-端”架构，平台分为业务、存储和运营等三个域。通过打造4/5G专网以及将指挥系统部署在本地私有云平台，从而加强安全性，提高系统运转效率，为前端无人驾驶应用提供保障。图3以“云-管-端”架构剖析智慧矿山无人驾驶管理平台。 

　　图3 智慧矿山无人驾驶管理平台展示图 

　　3.1.2 5G为矿山智慧化提供必要条件 

　　（1）一网两平台 

　　以5G工业定制网络为载体，满足工业海量大连接、高可靠低时延控制、高容量大带宽连接的智能工业场景需求，以管理、业务为切入点，打造“一网两平台”的智能工业模式，如图4所示。

　　图4 “一网两平台”智能工业模式图 

　　一网：打造有线无线一体化智慧专网，开展5G、NB建设，提供便捷、灵活的全地域接入条件 

　　协同管理平台：构建以OA应用为基础的综合事务办公平台，为多应用模式开放接口。 

　　智慧管控平台：通过5G网络、NB-IOT网络、智能传感器、可穿戴设备、视频采集等系统应用，实现对生产主要要素：人员、车辆、能源、装备设施的数据联网采集，进行集中存储、集中管控、集中分析。 

　　（2）专网搭建 

　　包头首个5G基站落地包钢。 

　　包钢白云鄂博矿区建立5G网络示范区，促进5G网络在智慧矿山领域的落地使用，针对白云鄂博矿东矿和主矿作业区、维修区、生活区等涉及无人驾驶所有区域进行现场勘测，并在东矿区进行了5G建网。现场东矿矿坑直径2KM左右，用3个站点从上向下覆盖矿坑。 

　　（3）边缘计算 

　　图5 边缘计算 

　　项目需求： 

　　Ø 在包钢厂区内构建MEC的通用环境，部署UPF ； 

　　Ø 支持对接本地网络和公网（可选）； 

　　技术方案： 

　　Ø 新建MEC UPF一套（后续考虑容灾应部署两套）； 

　　Ø 与集团协商打通南京大区控制面与管理面路径，接入南京大区核心网，并对厂区5G用户及终端发放新卡新号； 

　　Ø 使用南京大区管理面进行MEC UPF的拉远部署及后期运维管理； 

　　Ø 本次部署的UPF支持转发能力15G，接入用户数5万； 

　　(4)无人驾驶 

　　无人矿车高6.8米，150吨载重，拥有激光雷达、毫米波雷达、差分GPS定位、5G-V2X无线通讯等多项先进技术，能够实现车辆远程操控、车辆融合定位、自主避险等功能，有效提高矿车作业效率。 

　　通过构建露天铁矿矿石石方-铁矿原石运输矿无人驾驶作业集群，最大程度减少工程现场作业人员数量，有效确保人员安全，搭建远程智能调度监控平台，建设车车-车网-军地通信系统，最终实现矿山生产运营自动化管理。 

　　(5)智能平台管控 

　　智能办公场景建设：通过领先技术能力，提供停车、会议、人脸识别、企业补贴核销、IMS、IP电话等产品方案，实现企业员工智能停车、依据人脸进出门禁，通过微信小程序和会议系统与远方矿山内实时通话会议。 

　　搭建远程智能调度监控平台，建设车车-车网-军地通信系统。24小时对矿区车辆运作情况多角度实时监控。提高生产效率及作业安全性。最终实现矿山生产运营自动化管理。如图6所示。 

　　图6 矿山生产运营自动化管理模式图 

　　为包钢集团搭建一套智能调度系统，系统使用中国移动和对讲调度指挥平台,终端数量约为1000台左右。 

　　(6)5G+全方位立体监控 

　　多种路侧摄像头+无人机监控设备立体覆盖，5G天线技术立体覆盖，将立体空间的矿山环境视频回传本地监控平台，实现全方位立体监控，助力矿区安全。如图7所示。 

　　图7 5G+全方位立体监控模式图 

　　此运行方式摄像头上行带宽4Mbps/每台，下行带宽100Kbps/每台, 图像传输时延200ms,车辆控制时延20ms，可靠性要求99% 

　　(7)5G+电铲远程操控 

　　5G大带宽实现作业端多路高清摄像头实时回传至远程操控室，5G低时延保证操控室控制信及时到达电铲进行精准作业操控。 

　　如图8所示。 

　　图8 5G+电铲远程操控模式图 

　　此运行方式摄像上行带宽至少需要8Mbps，下行带宽100Kbps/每台, 图像传输时延200ms,车辆控制时延20ms，可靠性要求99.999% 

　　4.  项目商业模式 

　　4.1 商业模式 

　　包钢白云鄂博项目专用推进模式计划清单如图9所示。 

　　图9 包钢白云鄂博项目专用推进模式计划清单图 

　　4.2 商业模式及收入 

　　    项目属于实施阶段，项目信息暂无法公开。 

　　图10 商业模式及收入图 

　　5. 推广复制落地 

　　5.1 省内项目推广计划 

　　2020年，以无人驾驶为牵引，渗透无人机巡检、远程机修等5G应用，努力打造信息化智慧矿山，对照包头白云鄂博5G智慧矿区项目，内蒙古全区在产煤矿358家，其中井下183家，露天175家，年产量在500万吨以上的有37家，结合上述矿山清单，加强露天矿和井下场景的方案推广复制，目前已经在鄂尔多斯等各地市公司圈定N家矿山集团客户，进行快速项目复制落地。 

　　5.2 省外项目推广计划 

　　5.2.1 全力推进包钢示范项目相关工作，完善项目方案，给集团和全国做支撑，同时做好全国客户来现场学习考察的支撑工作。目前已有云南、山西等省份带客户到包头白云鄂博进行实地的考察和学习。 

　　5.2.2 配合集团，联合上研院，共同完善项目方案，在全国范围积极推广，将案例在全国进行宣传推广复制。 

　　5.2.3 2020年1月8日在包头成立智慧矿山产业联盟，后续组织召开联盟发布会、方案推介会等，在全国范围进行推广宣传。 

　　5.3 项目复制推广经验及建议 

　　国务院发布《中国制造2025》发展规划，把人工智能、无人驾驶提升到国家战略发展高度，在能源领域，智能矿山、绿色矿山、无人矿山成为行业发展的趋势。 

　　2020年1月，“智能矿山产业推进联盟”在包头成立，联盟成员包含：包头钢铁（集团）有限责任公司、中国移动通讯集团内蒙古有限公司、内蒙古北方重型汽车股份有限公司、北京踏歌智行科技有限公司、北京航空航天大学、华为技术有限公司内蒙古分公司、北京理工雷科电子信息技术有限公司、包钢新源科技有限公司，共8家公司。 

　　为了充分发挥各方各自在行业地位、产品创新、科研资源、市场拓展及产业化方面的优势，本着“优势互补，创新协同，资源共享，共谋发展”的原则，各方同意签署本协议，建立智能无人矿山产业推进联盟。 

　　参考文献： 

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　　[7] 中国移动5G联合创新中心. 中国移动5G移动边缘计算白皮书[Z]. 2017 

　　作者简介 

　　姜雷（1979-5.18），男，本科，主要研究方向：通信及数字化