1、2IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶1.缩略语 2.智慧矿山网联自动驾驶应用3.智慧矿山网联自动驾驶作业场景与典型业务4.智慧矿山网联自动驾驶应用总体技术架构 5.总结与展望6.主要贡献单位P1P2P5P15P34P36目录 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶1IM
2、T-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶LTE-V2X基于LTE的车联网无线通信技术 (Long Term Evolution - Vehicle to Everything)MEC多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing)4G第四代移动通信技术(the 4th Generation mobile communication technology)1. 缩略语LTE长期演进(Long Term Evolution)5G第五代移动通信技术(5th-Generation)2IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2.1 概念内涵采矿业是我国国民经济的基
3、础和支柱产业，而矿山智慧化是当前采矿业发展的重要趋势1。一般而言，智慧矿山是指将现代信息、控制技术与采矿技术融合，在纷繁复杂的资源开采信息背后找出最高效、安全、环保的生产路径，智能化地响应生产过程中的各种变化和需求。智慧矿山的首要目标是高效、安全和环保，而矿卡的自动驾驶应用可以减少剥离、装卸、运输等露天矿山上关键生产环节的人工需求，并实现生产环节之间的高效协同，助力智慧矿山建设。具体而言，一方面，自动驾驶应用可以解决矿卡司机需要长时间面对噪声、浮尘、震动等的问题；另一方面，减少以至杜绝相关环节因人为因素导致的安全生产事故，并降低司机用工及车辆维护成本，提升矿山整体的作业效率2。此外，矿山场景复
4、杂度较公共交通场景相对简单（人员严格管控、矿车行驶限速严格控制、行驶路线相对固定），矿卡的自动驾驶应用也相对容易实现。智能化与网联化协同是当前国内矿卡自动驾驶发展的主流技术路线。借助5G、LTE-V2X等网联技术，可以让矿卡实现车与路、车与车、车与管理平台的全方位连接，实现网联化自动驾2. 智慧矿山网联自动驾驶应用驶，从而让矿卡处于最优化的工作状态。具体包括：矿卡可以根据管理平台智能化的路径调度指令，实现矿卡与矿卡之间、矿卡与挖掘机间的高效协同，提升作业的安全性与效率；矿卡可以根据管理平台对行驶状态监测数据的分析，实现变速、制动、油门、转向等系统智能化线控，较人为操作更为精细与科学，减少轮胎磨
5、损和燃油消耗，增加车辆工作时长；管理平台可以通过矿卡车轴称重传感器，实时远程监测车辆载重数据，判断车辆的使用效率并作出最优化调度调整。2.2 发展态势从国际看，矿山自动化、智能化相关研究起步较早。在上世纪90年代，加拿大、美国、芬兰、澳大利亚等国家即开始推动采矿各环节的自动化技术发展，以解决劳动力成本高昂且劳动力短缺的问题，并陆续提出了“数字矿山”、“智慧矿山”概念。在此背景下，一些国外企业较早开展露天矿山的自动驾驶应用研发，目前该应用已相对成熟。美国卡特彼勒、日本小松等工程机械企业在澳大利亚、智利、巴西等多地的露天矿通过部署由智能网联矿卡、通信网络、系统平台组成的矿卡自动驾1从采矿技术的角度
6、来区分，采矿基本可分为两种形式，一种是地表采矿，即露天开采，另一种是地下采矿，简称坑采。本白皮书中所称的矿山自动驾驶是指露天矿中的矿用卡车的自动驾驶。2据澳大利亚铁矿石出口商FMG集团测算，其137台自动驾驶矿车生产效率比传统人工运输提升了30%，数据来源：https:/ 案例与模式随着测试和试商用的逐渐展开，国内智慧矿山网联自动驾驶的应用案例逐渐增多，并且体现出智能化和网联化协同发展，以网联技术促进自动驾驶应用落地的特征。例如，踏歌智行联合包头钢铁集团、中国移动、华为、北方重工等共同打造“5G网络条件下基于无人驾驶的智慧矿山建设”项目，在内蒙古包头白云鄂博稀土矿区开展应用示范，并与国家电投、
7、中环协力等企业合作在多个矿区推动技术落地；慧拓智能与国家能源集团、航天重工等联合开展工信部“特定场景车联网应用管理和支撑服务系统应用示范”项目建设，同时与大唐国际宝利煤矿等企业合作，落地矿山场景下网联自动驾驶应用；跃薪智能与华为积极合作，在洛阳钼矿开发应用基于5G技术的远程遥控驾驶挖掘机。图2-1：国内企业积极探索智慧矿山自动驾驶3https:/ 智慧矿山网联自动驾驶作业场景与典型业务利进行，还存在作业保障（加油补水、维修保养等）场景。而从智能网联应用的角度出发，为实现上述作业流程，提高自动驾驶的效率和安全性，则需要矿卡远程遥控驾驶、矿卡与其他工程机械之间作业协同、矿卡行驶路径规划等应用的支撑
8、。图3-1：智慧矿山自动驾驶实际生产作业场景6IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶3.1 作业场景3.1.1 装载作业场景1、场景概述装载作业场景，是指空载的自动驾驶矿卡依次行驶至装载作业点，装载设备（如挖掘机、电铲等）将物料装载至矿卡的车斗，矿卡再依次离开作业点的场景。在该场景下，矿卡、挖掘设备、云平台需要沟通明确整个装载协作流程（包括协同入场、装载、出场等步骤）。矿卡可以根据云平台规划的路径和对周围环境的感知，自动行驶至装载区，同时明确自身的作业任务，并将自车的实时状态信息（包括位置、速度、方向、加速度等）和任务信息实时发送至装载设备。同时，装载设备也需将自身的位置、朝向等信
9、息发送至矿卡，从而实现作业过程的高效配合。如果自动驾驶矿卡出现异常情况（如自车无法避开的路障），矿卡紧急制动，并发送告警信息到挖掘机、周围车辆和云平台以避免危险作业，并由云平台远程接管以脱离困境。应用场景如下图所示：图3-2：自动驾驶装载作业场景7IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果该场景下，自动驾驶矿卡与装载设备之间的流程协作交互和故障报警通知可以有效保证在安全作业前提下高效、有序完成装载作业。避免矿卡与装载设备、其他车辆发生事故，降低安全风险。3.1.2 运输作业场景1、场景描述运输作业场景，是指自动驾驶矿卡在矿区道路上按照云平台规划的路径，结合环境感知信息自动行
10、驶的作业场景。行驶过程中，矿卡通过与其他车辆（包括无人/有人车辆）、路侧设备、云平台进行信息交互，实现碰撞预警、超视距感知等功能，提升行驶安全性。类似地，如果发现异常情况，需要由云平台远程接管矿卡。应用场景如下图所示：图3-3：自动驾驶运输作业场景8IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果在实际矿区运输作业场景中，自动驾驶矿卡除保证自身正常行驶外，还与其他矿卡和各种有人车辆（工程辅助车、指挥车）、智能路侧设备进行信息交互。在云平台的统一调度下，所有车辆高效有序地运行，提高整体运输效率，延长有效运输时间。3.1.3 卸载作业场景1、场景描述卸载作业场景，是指满载的自动驾驶矿
11、卡依次行驶至卸载作业点并将物料卸载，然后由卸载设备（如推土机、装载机等）整理物料，矿卡驶离进入下一次“采、运、排”作业循环。在该场景下，矿卡、卸载设备、云平台需要沟通明确整个卸载协作流程（包括协同入场、卸载、出场等步骤）。矿卡可以根据路径规划和对周围环境的感知，自动行驶至卸载区，同时明确自身的作业任务，并将自车的实时状态和任务信息发送至卸载设备。卸载设备也需将自身的位置等信息发送至矿卡，从而实现作业过程的高效配合。类似地，如果发现异常情况，需由云平台远程接管矿卡。应用场景如下图所示：图3-4：自动驾驶卸载作业场景9IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果该场景下，自动驾驶
12、矿卡与卸载设备之间的流程协作交互和故障报警通知可以有效保障在安全作业前提下高效、有序地卸载作业。避免矿卡与有人驾驶工程机械发生事故的风险。3.1.4 作业保障场景1、场景描述作业保障场景，是指自动驾驶矿卡行驶至特定区域进行加油补水、维修保养等保障作业。在作业过程中，云平台定期安排矿卡的保养或检修任务。此外，当矿卡实时检测到油量、水量不足或自身故障时，需与云平台协调，及时规划加油补水任务。矿卡根据云平台规划的路径，结合环境感知信息，自动行驶至相应的作业保障区域。相关配套设施根据云平台的指令，及时配合矿卡的作业保障任务，提高保障作业的效率。类似地，如果发现异常情况，需由云平台远程接管矿卡。应用场景
13、如下图所示：图3-5：自动驾驶作业保障场景10IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果该场景下，自动驾驶矿卡的流程调度可以有效对矿卡进行作业保障操作，提升矿卡的妥善率，避免发生事故，保障安全作业。3.2 典型应用3.2.1 远程遥控驾驶1、业务描述远程遥控驾驶，是指自动驾驶矿卡在遇到特殊路段或紧急情况时，通过远程接管处理的方式使车辆能够继续行驶或移动到安全位置。远程接管方式包括响应式接管和紧急接管两种。响应式接管是指当矿卡遇到无法处理的状况时，向平台发送远程接管请求，平台接到请求后立刻开始远程接管；紧急接管是指遥控驾驶平台接收车端实时上传的状态信息，主动发现车辆异常并发出
14、报警信号提醒人工接管。远程驾驶中心通过5G大带宽通信实时获取车载和路侧成像设备高清视频，并将基于5G网络低时延的特性将控制信号下发到车端，实现对车辆的远程接管。应用场景如下图所示： 图3-6：远程遥控驾驶应用11IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果基于5G通信的远程紧急遥控接管可以有效保证在特殊情况下的自动驾驶矿卡接管行驶或移位。避免矿卡发生事故，降低安全风险，并同时保证整体生产作业的连续平稳进行。3.2.2 作业协同1、业务描述作业协同，是指自动驾驶矿卡与挖机、推土机等其他工程机械设备之间的关于装载/卸载作业的协同。在当前技术条件下，挖掘机和推土机依然采取有人驾驶模
15、式，但其可以通过与矿卡的协同提高作业效率。挖机、推土机可以将设备运行数据上传至云平台，利用云平台的运输智能调度功能，实现与矿卡的作业流程协同。同时，挖机或推土机车载终端安装协同作业管理系统，通过在挖机或推土机上部署传感器实现对设备姿态和位置的监控，并与矿卡系统间通过LTE-V2X直连通信，实现装载模式设置、装载点设定，从而实现引导矿卡就位、装载/卸载完成后引导矿卡出场，提高装载/卸载作业效率，确保装载过程符合露天矿山工艺流程。2、预期效果结合云平台的作业指令，自动驾驶矿卡和其他机械设备对装载/卸载作业流程实现协同管理，使矿卡能够高效、准确、安全地完成入场、装载/卸载与离场等工作。3.2.3 路
16、径规划1、业务描述路径规划，是指云平台基于地图信息、车辆实时状态、综合感知信息等，集群调度决策算法计算自动驾驶矿卡行驶路径，通过无线通信为矿卡提供行驶路径规划和行驶引导。矿山的道路随着采、排作业开展会不定期的进行变化，尤其是采掘面和排土场的变化频率很大，需要进行全局路径规划；同时考虑到特定情况下导致不能循迹行驶的情况，需要进行局部路径规划。全局路径规划，由云平台依据高精地图生成全局路径规划文件后下发至无人矿卡，矿卡根据全局路径文件进行循迹行；局部路径规划，在特定情况下无法循迹行驶时，由矿卡依据自身环境感知数据及决策控制算法实时生成路径进行避障绕行、装载卸载区协同作业的行为。2、预期效果基于指挥
17、中心的全局路径规划可以保证所有车辆的稳定有序可靠运行，实现系统指挥调度功能，自动驾驶矿卡依据路径循迹行驶。基于矿卡自身决策的局部路径规划保证车辆在周围环境与高精地图出现偏差或道路上出现障碍物时保障单车的持续作业能力，提高矿卡的执行效率。3.2.4 车与车碰撞预警1、业务描述车与车碰撞预警是支撑自动驾驶矿卡在行驶12IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果碰撞预警可以有效避免自动驾驶矿卡行驶过程因为视野盲区或者矿山特殊环境造成的传感器失灵（例如扬尘导致可见光相机无法识别、金属矿电磁特性影响毫米波雷达工作）导致的追尾事故的产生。3.2.5 道路状况提醒1、业务描述道路状况预警
18、，是指路侧设备通过传感器将道路障碍物（如落石、遗撒物等）、路面状况（如积水、结冰等）等道路状况的感知信息，通过5G网络实时上传至云平台，由云平台进行智能分析，平台再将道路事件信息实时发送给可能受影响的自动驾驶矿卡；或者通过路侧部署的边缘计算平台在本地分析感知信息，在由路侧通信终端将道路事件信息通过LTE-V2X直连通信的模式发送给可能受影响的矿卡，从而避免事故发生。应用场景如下图所示：图3-7：车与车碰撞预警应用过程中，避免与正前方车辆出现追尾碰撞危险。矿卡与正前方车辆通过LTE-V2X直连通信的方式实时交互位置、方向角、速度、加速度等信息。当存在碰撞危险时，矿卡可以依据前车信息及时做出决策，
19、避免碰撞事故发生，提高自动驾驶安全性。应用场景如下图所示：13IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、预期效果道路状况提醒可以通过路侧感知设备与云平台/边缘计算平台的配合，向周围自动驾驶矿卡发送道路危险状况信息，使矿卡间接获取前方道路事件的具体信息，扩展了矿卡对周边环境的感知范围。为受影响范围内的矿卡提供更多的决策与执行时间，提高安全性。图3-8：道路状况提醒应用14IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶3.3 典型应用与作业场景对应关系15IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶智慧矿山网联自动驾驶应用的总体技术架构包括“智能网联矿卡、车联网、云平台”三个
20、层面以及相应的安全保障体系，其中矿卡车辆具备自车感知与通信、决策和执行等能力，与其他设施之间基于5G、LTE-V2X多模车联网实现通讯传输，云平台协同控制、路径规划等能力，而安全保障体系确保矿卡自动驾驶应用安全可靠地运行。智能网联矿卡包括车体和车载智能化设备，智能化设备包括5G/LTE-V2X通信终端、摄像头、激光雷达、毫米波雷达、车载定位、车载计算平台等设备，实现信息传输、环境感知和智能决策等，例如摄像头、激光雷达等传感设备进行环境融合感知完成障碍物检测, 车载高精度定位系统采用融合定位方法以满足不同环境下的定位需求。车联网基于5G和LTE-V2X系统实现车与车、4. 智慧矿山网联自动驾驶应
21、用总体技术架构车与路、车与云平台的信息传输。5G系统包括基站、核心网等部分，支持实现车和云平台之间控制数据、状态数据的传输。LTE-V2X直连通信主要实现车与车之间、车与路之间关于车辆状态、道路状态等数据的传输。云平台实现矿山场景信息的融合分析，构建虚拟矿山运输作业模型，面向不同应用场景提供作业调度、路径规划、联合决策和协同控制，可以实现远程驾驶、自动驾驶的业务管理，同时作为应用总入口，承接各类信息回传和指令下发，并为业务规划网络路径。安全保障体系包括信息安全保障和功能安全保障，信息安全保障面向端、管、云三个层级提供相应的安全保障支持，功能安全则面向概念、系统、硬件和软件四个过程提升功能安全保
22、障。图4-1：智慧矿山网联自动驾驶总体架构16IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶图4-2：智能网联矿卡车载系统4.1 智能网联矿卡车辆与民用智能网联车辆类似，智能网联矿卡主要包括通信感知定位、决策规划和控制等主要车载系统。但是由于矿山工况的特殊性和运输作业属性，智能网联矿卡车载系统的技术特性又与一般的智能网联车辆存在差别。4.1.1 通信、感知与定位在露天矿山场景中，智能网联矿车须自主完成在装载区、主干路、卸载区等区域的行驶作业，车辆的通信、感知与定位子系统负责提供周边环境信息、定位信息以及云平台的指令。矿山场景的以下特点为通信、感知与定位提出了较高要求：矿区工作温度最低可至零
23、下45；矿区风力较强，风沙、扬尘导致部分感知设备失效； 矿区道路颠簸比较严重，车载感知设备抖动严重，容易导致感知数据精度下降；对于作业区域比较低洼或山体遮挡严重的工况，定位信号强度容易受到干扰。针对以上矿山场景的特殊性，需考虑车载通信、感知设备的耐低温性能或加装保温装置，并采用感知融合方式应对矿区下复杂的环境变化：首先，智能网联矿卡的感知模块通常采用多传感器融合技术，包括毫米波雷达、激光雷达和摄像头等，实现对车辆周边障碍物的位置、速度、轨迹、类别等属性的探测。同时，通过装备5G和LTE-V2X通信终端来获得其他车辆、路侧和云平台发送的交通环境信息（包括周围车辆的运行状态、周围道路环境等），从而
24、实现矿卡车辆的超视距感知，克服感知受限或遮挡严重的困难场景（如交叉口、装/卸载作业区）。其次，考虑到多径干扰和更新频率低等问题，智能网联矿卡的定位模块将17IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶采用基于GPS/北斗定位技术并结合惯性传感器（IMU）进行数据融合，以此实现更好的定位效果。对于长时间定位信号丢失的情况，还可以使用激光雷达点云SLAM（即时定位与地图构建）或视觉里程计的定位方法，通过多种定位方式融合以达到更精准的定位精度。4.1.2 规划与决策规划与决策子系统是智能网联矿卡的关键系统之一。为了承载自动驾驶的业务应用，规划与决策子系统首先根据云平台规划的任务和路径明确当前任
25、务，同时接收到传感器和通信终端的环境信息之后，对当前环境作出分析，然后对控制单元下达指令。决策与规划子系统基本可分为以下四个部分。1、信息决策模块车辆行驶过程中需要时刻感知外界信息，规划与决策系统首先需要接收车辆感知单元（激光雷达、毫米波雷达及视觉等）信息、V2X（V2I、V2V等）信息、本车当前定位信息等多传感器融合后的信息，依据感知和通信设备输出的外界环境与自身行驶道路规划做出预测，确保行车过程的安全。行车路径上出现障碍物或其他车辆等数据后提给路径规划模块进行局部路径规划。2、路径规划模块矿山的道路随着“采”、“排”作业的开展会不定期的进行变化，尤其是采掘面和排土场的变化频率很大，云平台进
26、行全局路径规划后自动驾驶矿卡按照路径任务进行循迹行驶，在采掘面和排土场或者前方需要障碍物需要绕行时，根据信息决策模块输入的信息，自车对可行驶区域进行局部路径规划。3、任务决策模块根据“采、运、排”作业业务流程，智能网联矿卡会划分不同的任务状态，并需要细化不同任务状态时需执行的控车操作。在“采”、“排”场景下，根据高精地图及环境信息进行局部路径规划、依据生成路径行驶、与其他工程机械车辆进行协同交互作业等。在主干道路进行行驶过程中，在全局路径指引下，依据高精地图和环境信息（包括其他车辆、障碍物等），做出具体的行为决策（循迹、避障绕行、停车等待、请求远程接管等）。4、故障决策模块故障决策模块在矿卡行
27、驶过程中通过车内通信网络（如CAN总线）获取车身状态信息，同时对自动驾驶相关各模块进行实时状态监测，出现异常事件时根据其对自动驾驶的影响程度进行停车等待人工排查、请求平台调度至维修区进行维修或者进行其他可保证自动驾驶稳定可靠运行的操作。4.1.3 控制1、线控化控制18IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶整车功能线控化是智能网联矿卡实现自动驾驶的重要技术路径之一，主要由车辆的控制系统通过电信号实现包括线控转向、线控驱动、线控制动、线控货箱升降等功能，车辆控制系统通过车内通信网络与车载自动驾驶规划与决策系统对接，实现车载规划与决策系统对整车的控制。而车辆的运行数据，如车速、载重、胎
28、压、水温、电机功率、系统电压、故障报警等，由整车控制系统采集并通过车内通信网络与规划与决策系统对接，再经过通信设备与外界交互。车载线控需要实现以下控制功能：线控转向，通过电信号控制转向油缸动作并实时反馈转向角度，实现前轴转向的闭环控制。线控驱动，通过电信号控制驱动档位和油门，实现驱动功能的线控化。线控制动，矿用卡车制动功能一般包含行车制动、驻车制动、紧急制动、装载制动等，均通过电信号实现控制。线控货箱升降，通过电信号控制货箱升降系统的电比例阀组实现举升、迫降、锁止、浮动四个档位的线控功能。图4-3：自动驾驶矿用卡车线控示意图19IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶2、基于驾驶机器
29、人的线控化控制对于无法直接通过车内通信网络对接线控控制系统的存量车辆，可以进行基于驾驶机器人的线控化控制，使之达到满足自动驾驶应用的条件。基于驾驶机器人的线控化控制主要是通过外部执行机构和整车控制器（VCU）设计开发，在自动驾驶模式下替代原有有人操作产生的信号实现车辆的线控化控制，从而实现车辆的自动驾驶。基于机器人的线控化控制包括：转向机器人，通过VCU电信号控制转向机器人动作并实时反馈转向角度，实现前轴转向的闭环控制。紧急制动机器人，通过VCU电信号控制紧急制动机器人动作并实时反馈踏板开度，实现紧急制动的闭环控制。货箱升降机器人，通过VCU电信号控制货箱升降机器人动作实现举升、迫降、锁止、浮
30、动四个档位的控制功能。油门行车制动控制，通过VCU D/A输出信号控制油门制动实现油门和行车制动的控制功能。通过VCU 线控驱动实现档位、驻车制动和装载制动的控制功能。图4-4：自动驾驶矿用卡车线控化控制示意图（a）基于驾驶机器人的线控化改造（b）转向机器人实物20IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶4.2 支持智慧矿山网联自动驾驶应用的车联网4.2.1 网联框架面向矿山自动驾驶应用的网络架构设计，一方面需要考虑到矿区不同工作区的特征和通信需就蜂窝通信而言，可以根据矿区蜂窝网络覆盖情况，初期4G覆盖，逐步增加5G覆盖，以支持高清视频上传、遥控接管等功能。车和云之间通过4G/5G网
31、络实现感知数据与控制信息交互。部分业务数据可以通过核心网上传到云端应用服务，实现多矿区综合管理。针对5G网络的大带宽优势而言，在矿区作业环境下，可求，另一方面结合5G、LTE-V2X、多接入边缘计算（MEC）等技术的发展现状，考虑多种通信技术相结合以支持矿区不同业务的需求。整体网络架构由车载端、路侧端、基站、多接入边缘计算平台MEC作为本地数据处理中心和本地应用服务、核心网以及云端应用服务组成。以通过5G网络将高清视频监控数据上传到本地控制中心，实现控制中心对远程遥控的接管。具体矿车内摄像头采集到的高清视频通过5G CPE、5G基站，上传至MEC平台；与此同时，路侧摄像头采集工作区视频，通过矿
32、区路由器和5G CPE、5G基站，也上传至MEC平台。该MEC平台直接与矿山的远程遥控中心相连，视图4-5：智慧矿山的网络架构设计21IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶图4-6：远程遥控驾驶应用的网络框架频数据直接本地分流至远程遥控中心，无需传至核心网，降低传输时延。根据这些视频感知信息，借助5G系统低时延高可靠的通信能力，就LTE-V2X直连通信而言，在车端安装车载通信设备OBU，路边安装路侧通信设备RSU，从而支持车-车、车-路之间可以通过LTE-V2X直连通信技术实现信息交互：车-车之间直连通信：支持前向碰撞预警、车辆间作业协同等；车和智能路侧设备通信：支持道路状况提醒、
33、感知融合等。MEC平台可支持矿山本地业务数据处理和本地应用服务，例如视频分析、高精度定位、LTE-V2X设备和连接管理、感知数据融合远程遥控中心发出控制指令，实时远程遥控自动驾驶矿卡。处理等，矿山的本地业务服务可以直接连到MEC平台，实现业务的本地化。结合4G/5G 蜂窝通信和LTE-V2X直连通信不同技术特性，LTE-V2X直连通信将可以更多地支持车-车、车-路之间的连接协同，提升自动驾驶矿卡行驶的安全性与作业的高效性，5G蜂窝通信则将更好地支持车和云平台之间地高速、可靠、低时延的信息交互，支撑实现远程驾驶等应用。22IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶4.2.2 网络部署建议
34、矿山自动驾驶系统对效率与安全有很高的要求，需要实现设备随时随地在线，对矿区的网络覆盖、可靠性、延迟、带宽提出很高的要求。基于当前技术条件，目前矿山存在以下几种典型的网络部署方案：1、4G网络宏站覆盖方案4G移动蜂窝网络是当前覆盖最全面的网络，通过数个4G宏站就可实现对矿坑（约3-5平方公里）完全覆盖。目前4G移动蜂窝网已是成熟网络，所以该方案适合于需要大面积覆盖但对带宽和时延没有很高要求的业务。2、5G网络宏站覆盖方案在矿区范围内部署5G基站，通过5G网络覆盖解决热点地区业务量大、时延要求高的业务需求。另外由于矿区持续开采，逐渐形成垂直落差较大的场景。5G的大规模阵列天线可实现垂直方向的波束赋
35、形，结合电调天线可减少地形遮挡产生的覆盖盲区。对于工作面有大型设备遮挡，少数需要补盲的场景，可以使用拖车移动基站+微波传输实现矿区内补盲。3、4G/5G混合组网部署利用4G宏站覆盖面积的优势，可以在热点地区部署5G基站作为4G网络的补充，时延要求较高的业务终端可通过搭载5G模组，实现与5G基站之间超低时延的数据交互。对已经部署4G网络的矿区叠加5G网络，通过4G、5G统一核心网的NSA架构，可实现4G与5G的无缝切换，以及4G+5G上行链路聚合增强。矿区的自动驾驶通常是伴随与其他信息化业务一起发生的，4G/5G网络的多业务QoS机制可实现一张网承载矿区信息矿的多样业务（语音、视频、控制），保证
36、自动驾驶业务的高优先级，保证高可靠。4、LTE-V2X路侧RSU部署LTE-V2X技术提供车-车、车-路的直连通信,对矿山自动驾驶车辆的安全行驶，以及与有人车辆共存提供了保障。对于矿区作业的车辆包括挖掘机、推土机、运输车等，车上均装载支持LTE-V2X PC5直连通信的OBU。同时，在矿区采坑内/外道路沿途布置支持LTE-V2X PC5直连通信的RSU。车辆在工作/行驶过程中可以通过PC5直连通信周围车辆以及路边RSU进行通信。图4-7：智慧矿山车-车及车-路直连通信23IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶经测算，每1km道路配置4个RSU节点可以实现信号全覆盖，包括采坑内所有道
37、路以及采坑外一定范围的道路，保证工作车辆从采坑外到进入采坑开始作业的全过程都能和至少一个RSU进行PC5直连通信。图4-8：智慧矿山RSU布置场景24IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶4.3 支持智慧矿山网联自动驾驶应用的云平台4.3.1 平台功能需求云平台承载着智慧矿山的运营管理和服务提供能力，针对矿山“采、运、排”业务场景，云平台需要满足的主要功能包括：实时采集包括RSU消息、摄像头和雷达感知信息、天气环境信息、定位信息等全方位数据；通过基于大数据、智能学习等技术手段进行融合分析，打造能够主动感知、预测、分析、并快速做出正确处理的业务模型，面向装载/卸载、运输、保障等应用场
38、景提供联合决策和协同控制，实现对矿区作业车辆的自动驾驶、编队行驶等业务、以及对业务的监管调度。矿区高精地图包含道路、边坡等信息要素，支持路径规划、前向碰撞预警等功能。车辆、基础设施和用户认证管理帮助平台对矿区所有车辆、基础设施进行登记认证，便于车队管理和网络管理，用户则能够通过身份标识随时查询车辆的工作状态。云平台承接各类信息的回传和指令下发，因此需要对提供全方位的安全保障。4.3.2 平台总体框架图4-9：智慧矿山平台框架25IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶通过车辆与驾驶环境的全面信息聚合和应用，将云计算、智能传感、通信网络、定位、地图等技术融合和智能计算，自动驾驶云平台支
39、持实现矿山作业的数字化、智能化的管理。云平台架构包括以下几个层面：基础资源层为数据的存储管理、计算分析提供基础的硬件环境。数据源层主要包括车辆自身和行驶的状态信息、道路环境消息（包括RSU、摄像头、雷达、气象感知）、矿山作业区域的高精度地图。另外，云平台具备可扩展性，可与第三方平台对接获取外部数据。数据交互支撑层主要是将采集到的交通环境多维数据做融合分析，建立适用于矿山作业园区路网环境的算法及模型，并动态地基于实时数据对模型进行调整。应用层面主要基于数据建模处分析，形成对自动驾驶作业车辆的运行状态进行日常监测和调度管控，并基于建模分析实现故障预警，为车辆安全可靠的运行提供及时、合理的决策建议。
40、当遇到紧急情况时，平台接管车辆的操作权进行远程操控。用户层为矿山业主单位、运营商、平台开发商等提供矿区作业直观的呈现、用户可以直观地了解矿区整体运行情况，也可以查询具体的车辆、路侧设备、基站等的工作状态。4.3.3 平台功能模块云平台采集自动驾驶作业车辆信息（车辆自身信息、行驶状态信息、车端感知设备信息、定位信息）以及道路环境感知信息（RSU消息、摄像头和雷达的路况感知数据、气象传感器数据等），并对这些数据进行统一的存储、智能分析等管理应用，基于全方位的数据融合分析支持智慧矿山网联自动驾驶应用。云平台分为基础类、功能类和展示类三大类，其中基础类主要包括车辆、基础设施和用户认证管理模块，功能类包
41、括数据融合处理模块、智能运营和监管模块和远程控制模块，展示类主要包括平台可视化模块。1、车辆、基础设施和用户认证管理模块车辆身份认证，包括车辆类型、编号等信息，在作业时间周期内，车辆拥有唯一的身份识别ID，便于平台的监管、调度、查询等操作；为矿山业主、网络运营商、平台开发商等单位进行各自的权限认证，比如矿山业主可以查询当前运营车辆数量、作业时长、开采量和运输量等；网络运营单位可以实时了解基站、RSU以及其他道路基础设施的工作状态，第一时间锁定存在故障的设备。2、数据融合处理模块采集到的车辆行驶信息、道路感知信息、高精度定位信息等数据进行预处理，包括网联数据与多传感器数据时空对齐，将多维度数据特
42、征空26IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶间归一化，数据关联性分析等。算法方面，采用大数据、人工智能、机器学习等技术手段，构建车-路协同环境下全局的算法模型架构，实现平台对矿山作业区域的全局实时运行环境的管控。3、智能运营和监管模块智能网联矿卡与其他工程机械车需要在云平台的统一指挥下开展相关的生产作业。对于作业车辆，云平台提供行驶的决策建议、控制参数、最优线路规划、以及故障预警等信息，以实现车辆顺利完成作业任务以及不同车型之间的高效协作；车辆的具体作业任务和行驶路径需要平台统一的监管和调配，并在行驶过程中对矿山作业场景突发事件对车辆进行临时的调度等功能。对于网络设备和道路基础设
43、施，平台需要监测其工作状态，如有工作异常需要及时反馈报警信息，对处于故障设备覆盖范围内的作业车辆发出报警信息避免危险发生。4、远程控制模块该功能主要是作为遇到特殊路段或其他紧急情况时的一种必要的补充功能。当作业车辆遇到紧急情况时发起远程控制请求，并将车辆的ID、实时位置、速度、方向等信息上报给后端的云控制中心，控制中心及时响应并远程接管该车辆的操控权，前进、倒车、制动、转向等操作指令通过基站网络下发给车辆执行系统，帮助车辆行驶到安全区域，从而避免危险情况发生。为了保证业务的顺利平稳进行，要求平台远程接管的响应时间要尽可能的短。5、平台可视化模块平台展示界面能够将矿山全局的态势信息直观地呈献给用
44、户，包括：车辆相关：当前作业车辆的种类、车辆总数量和在线数量、作业时长、行驶里程、开采量和运送量等；网络和道路设施：基站、RSU、摄像头、雷达、气象感知设备的位置、数量、工作状态、以及网络上/下行速率、总的数据吞吐量等。27IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶平台侧安全在智慧矿山网联自动驾驶系统安全防护体系中，云安全平台安全防护平台端自身系统安全和业务安全，包括部署防火墙、入侵检测等网络系统以及部署安全审计等业务安全系统。云平台自身系统安全和业务安全可以分为管理和技术两个层面。首先，在技术方面，需要按照分层基于安全域的划分，从物理基础设施、虚拟化、网络、4.4 智慧矿山网联自动驾
45、驶安全防护体系4.4.1 信息安全 智慧矿山网联自动驾驶系统中以密码技术为基础，基于PKI体系，从“云、管、端”三个层次构建安全防护体系，如下图所示：图4-10：智慧矿山网联自动驾驶信息安全防护体系系统、应用、数据等层面进行综合防护；其次，在管理方面，应覆盖云平台、云服务、云数据的全生命周期，对平台安全维护、安全事件、安全风险、业务连续性等方面进行管理。在技术层面基于安全域的划分，可采用合理的手段进行全面的安全防护。对于DDoS攻击，可以采用高性能硬件设备防护南北向攻击，采用虚拟化异常流量监测设备对东西向DDoS攻击进行监测，并与云平台28IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶协同
46、进行安全防护。采用物理/虚拟化防火墙进行不同粒度的边界隔离和防护，通过入侵检测设备进行网络异常检测，采用漏洞扫描设备进行云平台、虚机的安全评估。管理层面为有效保障安全访问，可以采用堡垒机进行安全控制和防护。同步可以在WEB主机上部署网页防篡改系统、防病毒系统等。上述所有设施都可以由云安全管理平台进行统一管理，并提供用户访问界面。终端安全终端安全防护需要考虑的安全要素较多，理想的防护模型如下图所示：图4-11：终端安全防护模型29IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶在智慧矿山网联自动驾驶系统OBU及RSU侧，应当遵循安全生命周期管理原则，对应的终端设备在设计、开发、测试、部署、召回
47、等环境考虑信息安全基本要求及融入，同时考虑对所有通讯对象的通讯及交互安全。在硬件设计及封装方面，充分考虑系统的工作环境及物理安全要求，采用基本的防拆卸及防调试手段提升对关键硬件接口、通讯过程、对象的恶意分析调试难度。通过密码模块构建可靠的信任基础，贯穿系统安全设计。对关键操作系统、中间件及软件程序进行系统加固及安全部署管理，通过密码模块对操作系统、中间件及软件程序做启动、更新和安装验证，同时利用可靠的代码签名技术和流程，保障系统和应用软件运行安全。在不影响功能安全的基础上，实施系统及软件安全加固防护：对系统权限、接口等做最小权化权限设置，通过技术手段防止系统权限失控；对公开漏洞及高风险漏洞及时
48、修补；通过软件保护技术提升恶意攻击者对关键算法、系统应用的分析难度。在与其它自动驾驶系统单元通讯认证过程中，依赖可靠的流程及密码学技术实现数字证书终端安全管理，确保身份根存储安全，对关键敏感数据加密存储、传递。同时，通过网络监测技术实时监测终端安全状态，对不正常终端及失控终端做到及时预警。通信安全在智慧矿山网联自动驾驶系统安全防护体系中，通信安全防护内容主要包含车与车、车与路边交通设施之间基于PC5接口的直联通信安全，以及车、路边交通设施与云端自动驾驶平台之间基于Uu接口的蜂窝通信安全。 （a）基于蜂窝通信的安全防护机制智慧矿山网联自动驾驶的车、路与自动驾驶平台之间基于Uu接口的蜂窝通信，需保
49、证通信过程中终端身份，网络接入和数据传输的安全。车、路端可通过安全接入终端与网络建立基于IPSec、TLS等标准安全通信协议的安全连接，基于数字证书系统和鉴权管理系统实现双向身份认证，确保通信过程中终端身份可信和数据传输的安全可靠。图4-12：蜂窝通信安全体系结构30IMT-2020(5G)推进组智慧矿山5G自动驾驶（b）基于直连通信的安全防护机制智慧矿山网联自动驾驶过程中，需要保证车与车之间、车与路边交通设施之间基于PC5接口交互数据完整可信，安全可靠。可建立基于PKI的通信安全身份认证保障体系，实现对通信实体的安全证书管理，提供安全身份认证服务（具体建设方式可参见IMT-2020（5G）推
50、进组发布的LTE-V2X安全技术白皮书）。PKI基础设施包括建立对智慧矿山自动驾驶系统中相关实体身份全生命周期管理的机制和系统，为每个实体建立业务所需的身份标识；建立公钥密码设施，为每个实体签发数字证书，实现数字证书管理的各项功能，通过数字证书的管理实现身份的管理，为实体安全通信和安全交互提供基础；建立密钥管理基础设施，对智慧矿山自动驾驶系统中相关实体的密钥进行管理，包括密钥的产生、激活、存储、分发、撤销、更新、销毁、归档等。通过使用数字证书作为车载设备、交通设施的数字身份凭证，实现双方身份鉴别认证；同时，通过数据摘要、数字签名等手段保证通信数据的完整性和有效性，保障PC5直连通信身份可信、数
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