郭輝 劉立祥

5G移動通信技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的智能化應(yīng)用進(jìn)程正在加速，結(jié)合車載以太網(wǎng)、CAN總線、視頻、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，越來越多的工程機(jī)械行業(yè)單機(jī)智能化試點(diǎn)案例成功落地，彰顯了5G移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)支撐作用，強(qiáng)化了工程機(jī)械后市場增值過程中人機(jī)交互、作業(yè)安全性、作業(yè)舒適性、作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量等價值。5G+工程機(jī)械的新功能、新應(yīng)用、新模式方興未艾。

5G在網(wǎng)絡(luò)承載、并發(fā)支持、通信延遲等方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升。5G移動通信提供NSA和SA模式兩種通信組網(wǎng)方式，其中NSA模式采用雙連接方式，5G NR控制面錨定于4G LTE，利用現(xiàn)有4G核心網(wǎng)EPC;而SA模式的5G NR直接接入5G核心網(wǎng)，是完整獨(dú)立的5G網(wǎng)絡(luò)。

本文所論述的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)是基于5G SA基礎(chǔ)上做的產(chǎn)品方案設(shè)計。

與NSA不同，SA有5G核心網(wǎng)。在SA組網(wǎng)下，5G網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于4G網(wǎng)絡(luò)，5G與4G僅在核心網(wǎng)級互通，互連簡單;終端僅連接NR一種無線接入技術(shù)。相比SA，NSA缺了一個5G核心網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)承載、并發(fā)支持、通信延遲等關(guān)鍵指標(biāo)上存在短板。

相比傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)，5G移動通信優(yōu)勢在于自身的高速率、大流量、低延遲等特點(diǎn)。

高速率：5G理論傳輸速度可達(dá)4G的數(shù)百倍，用戶端應(yīng)用速率可達(dá)1Gbps。速度的大幅提升，可以進(jìn)一步拓展基礎(chǔ)信息的采集、上傳、下載速度;5G移動接入速度可以達(dá)到500+km/h，有效解決車輛快速移動過程中通信基站接入的平滑切換問題。另外，5G目標(biāo)是做到最大10Gbps，可以全面滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、高速行駛、精準(zhǔn)作業(yè)等大數(shù)據(jù)量傳輸要求，被帶動的行業(yè)領(lǐng)域還有虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，比如工程機(jī)械3D場景模擬、數(shù)據(jù)同屏、在線故障診斷等，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行展示，更加便利、生動。

大容量：5G網(wǎng)絡(luò)擁有大容量低功耗特點(diǎn)，連接數(shù)密度支持100萬/km?并發(fā)接入，流量密度支持10～100Tbps/km?，全面應(yīng)用之后將降低連接成本?？上攵?，在5G時代，移動通信不僅局限于娛樂領(lǐng)域，在工業(yè)場景應(yīng)用方面也有著不錯的價值。

低延遲：5G移動通信的空中接口時延水平在1ms左右，可以滿足自動駕駛、無人作業(yè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等實(shí)時應(yīng)用。其降低時延的策略主要從三方面進(jìn)行優(yōu)化：一是空口接入時延采用超短幀和提高載波本振頻率源短期頻率穩(wěn)定度，二是承載網(wǎng)時延采取全光網(wǎng)G.Metro技術(shù)和單纖雙向傳輸減少時延差，三是核心網(wǎng)時延采取優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)路由和減少映射復(fù)用層次以及以網(wǎng)絡(luò)下沉等實(shí)現(xiàn)低延遲。

可以預(yù)見，在傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)面向服務(wù)人的范疇基礎(chǔ)上，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)可以滿足智能制造、V2X車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遙操作、高清攝像等行業(yè)細(xì)分市場需求，具備支持萬物互聯(lián)潛在能力。

5G行業(yè)應(yīng)用價值

基于傳統(tǒng)移動通信的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基本上集中在遠(yuǎn)程定位、遠(yuǎn)程鎖車、遠(yuǎn)程解鎖、遠(yuǎn)程啟動、遠(yuǎn)程開關(guān)空調(diào)、遠(yuǎn)程升級等車輛非移動或作業(yè)相關(guān)的功能應(yīng)用，缺失實(shí)時性數(shù)據(jù)通信狀態(tài)下，對車輛的作業(yè)控制或行駛決策，為此車聯(lián)網(wǎng)需要更低時延和更高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)。一方面，車輛在作業(yè)或高速運(yùn)動過程中，要實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)實(shí)時采集、作業(yè)控制、行駛決策、安全預(yù)警功能等，通信時延需要在ms級別;另一方面，出于安全駕駛或作業(yè)要求，相較于傳統(tǒng)移動通信，車聯(lián)網(wǎng)在輔助實(shí)時性作業(yè)和高速運(yùn)動時，需要更高的可靠性。

2020年7月，第三代合作伙伴計劃（3GPP）已正式宣布R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，標(biāo)志著5G將進(jìn)入垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展新階段。在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，R16標(biāo)準(zhǔn)全面支持車與車（V2V）和車與路側(cè)單元（V2I）直連通信，滿足車聯(lián)網(wǎng)對作業(yè)控制、行駛決策的高速率、低延時、高可靠性等方面的嚴(yán)格要求，形成快速、安全、高效的V2X車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

5G不僅推動車聯(lián)網(wǎng)的智能化應(yīng)用，也將推動整車廠商業(yè)模式從單一車輛銷售逐步轉(zhuǎn)變成作業(yè)服務(wù)、出行服務(wù)、服務(wù)延保、UBI保險等增值服務(wù)模式。根據(jù)ABI Research預(yù)測，2025年5G連接的車輛將達(dá)5030萬輛，汽車的典型換代周期是7～10年，因此，可以預(yù)見5G+工程機(jī)械市場規(guī)模將在2025-2030年間大幅增長。

行業(yè)實(shí)踐及分析

行業(yè)實(shí)踐情況

2019年4月，在德國慕尼黑寶馬展上，韓國斗山（Doosan）首次展示了基于5G移動通信技術(shù)的洲際遙控方案。在德國遙控其在韓國的挖掘機(jī)，官方宣稱數(shù)傳延遲為20ms。德國慕尼黑距離韓國約為8500km，以光纖中光速200000km/s，忽略交換延遲，主干網(wǎng)傳輸最短時間為8.5K/200K=42.5ms。以5G空口1ms延遲計算收發(fā)端試驗(yàn)，總時延應(yīng)不低于44.5ms，盡管其宣傳成分較大，但成果仍超越了目前其他主流技術(shù)。使用5G在近距離（100km以內(nèi)）遙操作工程車輛，時延可遠(yuǎn)低于目前的所有其他網(wǎng)絡(luò)解決方案。

2019年3月，山東臨工聯(lián)合中國聯(lián)通、中興通訊，共同實(shí)施5G遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)項(xiàng)目，通過中國聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端控制室相連，實(shí)時控制位于山東臨工礦山綜合實(shí)驗(yàn)基地的挖掘機(jī)，同步回傳真實(shí)作業(yè)場景及視頻。官方稱整體數(shù)傳信號時延25ms左右，視頻信號時延300ms左右。

2019年6月，在移動世界大會（MWC）華為展臺，華為、三一重工、躍薪科技三家公司聯(lián)合展出了基于5G移動通信的車輛遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，在現(xiàn)場由一名操作工實(shí)時操控遠(yuǎn)在1200公里外的一臺無人挖掘機(jī)，現(xiàn)場展示了車輛移動、旋轉(zhuǎn)、挖掘等操作。根據(jù)現(xiàn)場情況估計，該系統(tǒng)圖傳時延約為250ms左右。另外，該系統(tǒng)在挖掘機(jī)外部配置了一個立桿攝像頭，進(jìn)行車輛現(xiàn)場情況的實(shí)時展示，挖斗和挖坑配有相應(yīng)的攝像頭進(jìn)行拍攝，操作臺前方專門配置了一個挖斗情況的實(shí)時展示屏。

行業(yè)實(shí)踐分析

基于5G移動通信技術(shù)高頻屬性，在傳輸流量上是4G的20倍左右，但是每個5G基站覆蓋范圍在250m左右，而每個4G基站的覆蓋范圍大約是1000m左右。照此推算，每個4G基站的覆蓋范圍，需要大約4個5G基站來覆蓋。截至2019年底，我國建成的4G基站440萬個左右，如果將這些基站覆蓋的范圍全部用5G基站覆蓋的話，那么全面建成5G網(wǎng)絡(luò)所需要的5G基站至少要1800萬個，5G的建設(shè)成本會數(shù)倍提高。較高建設(shè)成本決定了其前期部署一定是圍繞城市、高速公路、礦山作業(yè)等特定范圍或行業(yè)展開。

基于5G視頻傳輸及遠(yuǎn)程控制操作已經(jīng)成為各個主機(jī)廠科技研發(fā)的焦點(diǎn)，但是大部分集中在技術(shù)驗(yàn)證階段，距離商業(yè)推廣還有距離。

目標(biāo)車輛周圍場景監(jiān)控，基本上是依靠外掛攝像頭解決，目標(biāo)場景固定，無法實(shí)現(xiàn)移動狀態(tài)監(jiān)控。

通信情況判斷與安全保障策略缺失，上述幾家的應(yīng)用場景，基本上以演示為主，通信鏈路情況與車輛自主安全策略未見展示。

基本上處于現(xiàn)場人工啟動、關(guān)閉發(fā)動機(jī)狀態(tài)，需要現(xiàn)場人工介入較多，并未實(shí)現(xiàn)真正意義的遠(yuǎn)程操作。

基本上圍繞單機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，多類型車輛協(xié)同作業(yè)，還未見有落地應(yīng)用。

5G遙操作解決方案

5G遙操作系統(tǒng)架構(gòu)主要包含三個層面，即車輛端、網(wǎng)絡(luò)層、云平臺。通過多路徑網(wǎng)絡(luò)在車輛端和云平臺之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建協(xié)同智能的遠(yuǎn)程操作支撐網(wǎng)絡(luò)。車輛端主要包括車輛和車載設(shè)備（如雷達(dá)、攝像頭、控制器、車載網(wǎng)關(guān)、5G CPE、定位設(shè)備等）。網(wǎng)絡(luò)層基于4G、5G、CAN總線、車載以太網(wǎng)、光纖等構(gòu)建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，為車輛端與云平臺之間搭建高速率、低延遲、高可靠性的通信鏈路，并支持拓展車輛間和車路間互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。云平臺則可以實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程駕駛管理、調(diào)度管理，3D模擬仿真、遠(yuǎn)程升級、遠(yuǎn)程故障診斷等。

系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

5G遙操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基于單車的遠(yuǎn)程無人操作，還可以為機(jī)群協(xié)同作業(yè)提供基礎(chǔ)支撐。一方面可以遠(yuǎn)距離的控制和操作車輛進(jìn)行作業(yè)，改善作業(yè)強(qiáng)度、降低環(huán)境影響、強(qiáng)化作業(yè)安全等，另一方面在多類型車輛無人狀態(tài)下協(xié)同作業(yè)時，當(dāng)車輛出現(xiàn)自身無法處理或者異常狀況時，可以實(shí)施人工干預(yù)，通過實(shí)時感知和同屏展示，實(shí)時了解車輛狀態(tài)及周邊環(huán)境，對其進(jìn)行人工遠(yuǎn)程駕駛操作，輔助機(jī)群快速解除障礙和問題，快速恢復(fù)協(xié)同作業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑：1.車輛端上配置多路采用AHD高清的1080P攝像頭，其中，1路外置無線全景攝像頭。2.車輛端配置防碰撞駐車系統(tǒng)（AEB），當(dāng)遠(yuǎn)程遙控失聯(lián)或偵測到前方障礙物時，車輛會主動停車和停止作業(yè)，以保障作業(yè)安全。3.車輛端1路外置無線全景攝像頭采用WiFi數(shù)據(jù)傳輸，直連到5G CPE，采用獨(dú)立鋰電池供電，單次續(xù)航時長36小時以上。4.車輛端多路攝像頭視頻流通過多路視頻編碼器傳送到5G CPE，在控制端通過5G CPE接收后，經(jīng)過工控機(jī)輸出到控制端的顯示器上。5.車輛總線控制信號通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)?G CPE的另一組通道，在控制端5G CPE接收后，傳遞到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN網(wǎng)關(guān)，和控制端建立數(shù)據(jù)互通。6.在控制端采用控制器實(shí)現(xiàn)操控手柄、啟動開關(guān)、油門踏板等信號采集和發(fā)送。

圖傳數(shù)據(jù)鏈路

技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑：1.通過車輛端外置攝像頭實(shí)時采集車輛作業(yè)現(xiàn)場視頻，并通過交換機(jī)進(jìn)行編碼，通過5G CPE傳輸鏈路傳輸?shù)娇刂贫说慕粨Q機(jī)、工控機(jī)，最終展示在控制端的顯示器上。2.車輛端配置的外置無線全景攝像頭，負(fù)責(zé)整車環(huán)境上帝視角拍攝，可以通過WiFi傳輸?shù)杰囕v端5G CPE，再通過5G傳輸鏈路傳輸?shù)娇刂贫说慕粨Q機(jī)、工控機(jī)，最終展示在控制端的顯示器上。

操作指令鏈路

技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑：1.集成了操控手柄、啟動開關(guān)、油門踏板、制動踏板、狀態(tài)燈等設(shè)備的遙操作控制端，負(fù)責(zé)操控指令發(fā)送。2.操控指令傳輸?shù)竭b控控制器，然后遙控控制器通過CAN通信傳輸?shù)紺AN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。3.在CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，將CAN信號轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)信號。4.以太網(wǎng)信號通過5G傳輸鏈路和車輛端的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN網(wǎng)關(guān)，傳輸?shù)杰囕d控制器，實(shí)現(xiàn)車輛行駛、作業(yè)的遠(yuǎn)程控制。5.車載控制器采集到車輛行駛、作業(yè)工況、故障信息等也可以通過上述指令傳輸鏈路逆向回傳至控制端，在控制端的顯示器上展示。

狀態(tài)顯示鏈路

技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑：1.在車輛端控制器上，采集車輛油箱油量、油耗、大燈狀態(tài)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、震動數(shù)據(jù)等工況信息，通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)杰囕v端5G CPE。2.車輛工況信息通過5G傳輸鏈路，傳輸?shù)娇刂贫说囊蕴W(wǎng)轉(zhuǎn)CAN網(wǎng)關(guān)，CAN數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂贫说臓顟B(tài)控制器。3.在控制端的工控機(jī)和狀態(tài)顯示面板上，展示車輛的實(shí)時工況信息。4.車輛端的震動數(shù)據(jù)通過動感控制器模擬現(xiàn)場震動情況，并在控制端的動感控制臺上體現(xiàn)。

遠(yuǎn)程操作安全策略

車輛端具備手動/遙控切換功能，且手動操作優(yōu)先級高于遙控操作，特殊情況下，便于人工介入操作車輛。遠(yuǎn)程啟動發(fā)動機(jī)條件，基于車輛ACC開的情況，車輛電子通信自檢通過，并且無位置移動。在視頻傳輸延時超過500ms，車輛具備保持實(shí)時狀態(tài)不變功能，自動處于待命狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸信號中斷超過150ms時，車輛行駛和作業(yè)自動停止，維持現(xiàn)狀，自動進(jìn)入待命狀態(tài)。在車輛出現(xiàn)傾側(cè)超過25°時，車輛作業(yè)自動停止，自動進(jìn)入待命狀態(tài)。

應(yīng)用趨勢

5G移動通信替代無線電

5G移動通信技術(shù)出現(xiàn)之前，在4G通信延遲較大的情況下，基于單車遙控技術(shù)一般采用無線電通信方式實(shí)現(xiàn)近場1km范圍內(nèi)的遙控操作，但作業(yè)半徑限制、數(shù)據(jù)傳輸延遲、傳輸帶寬窄等一直是限制遙操作應(yīng)用推廣的主要原因，在5G時代，借助其高速率、大容量、低延遲等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離遙操作應(yīng)用，是替代無線電的較好的解決方案。

數(shù)字同屏應(yīng)用

基于5G低延遲技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)車輛儀表數(shù)據(jù)實(shí)時采集和展示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬車輛作業(yè)工況場景，記錄每一組總線工況信息，借助3D建模和AR與VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛作業(yè)工況的云平臺數(shù)字雙胞胎展示，強(qiáng)化樣機(jī)調(diào)試，強(qiáng)化研發(fā)過程數(shù)據(jù)化支撐，強(qiáng)化人機(jī)交互，優(yōu)化遠(yuǎn)程故障診斷等。

機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用

基于5G高速率和低延遲技術(shù)，單個車輛可以在不同時段學(xué)習(xí)，基于健康狀態(tài)下車輛工況數(shù)據(jù)日志，逐步培養(yǎng)和訓(xùn)練出健康狀態(tài)車輛運(yùn)行的壓力、溫度、速度、振動頻率等工況參數(shù)信息，一旦車輛發(fā)生參數(shù)異?；騿栴}，立即預(yù)警，啟動單機(jī)自主學(xué)習(xí)和功能恢復(fù)。在相同車輛類型之中，可以實(shí)現(xiàn)不同車輛間作業(yè)流程和行為決策的相互學(xué)習(xí)，一旦車輛出現(xiàn)故障，可以通過5G移動通信和云平臺數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)不同車輛之間行為控制與決策共享，最大程度的實(shí)現(xiàn)車輛利用率最大化。在不同車輛類型之間，可以實(shí)現(xiàn)共性作業(yè)工況與行為決策的共享，支持云平臺不斷完善和訓(xùn)練最優(yōu)作業(yè)和行駛決策模型，為不同車輛類型之間相互協(xié)同作業(yè)提供最優(yōu)引導(dǎo)和支持。

遠(yuǎn)程自診斷和恢復(fù)

在5G移動通信之前，基于4G移動通信條件下的遠(yuǎn)程故障診斷面臨著診斷數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)难舆t問題，其數(shù)據(jù)延遲一般遲于現(xiàn)場300ms以上，是車輛發(fā)生故障后的后發(fā)處理方式，而在5G通信狀態(tài)下，基于車載總線CAN和以太網(wǎng)，結(jié)合預(yù)先設(shè)計的故障診斷代碼與等級定義，可以實(shí)現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)采集和傳輸狀態(tài)下的遠(yuǎn)程故障診斷，一旦車輛發(fā)生異?；騿栴}，故障類代碼及時在線上展示，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)車輛同步自我診斷，并可以借助云平臺數(shù)據(jù)中心實(shí)施軟件版本自主識別和軟件下載與更新，實(shí)現(xiàn)自動故障恢復(fù)。

機(jī)群協(xié)同作業(yè)

基于5G移動通信、3D作業(yè)引導(dǎo)、高精度地圖、差分定位、機(jī)器學(xué)習(xí)、雷達(dá)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同車輛類型之間狀態(tài)數(shù)據(jù)交互和識別，實(shí)現(xiàn)多類型車輛的安全狀態(tài)識別、作業(yè)最優(yōu)距離識別、作業(yè)安全距離保持、作業(yè)過程記錄等，為不同類型車輛之間的相互協(xié)同作業(yè)提供支持。

無人化作業(yè)輔助

基于5G移動通信、車載以太網(wǎng)、CAN總線、視頻、3D作業(yè)引導(dǎo)等技術(shù)，輔助單機(jī)作業(yè)無人化，實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)規(guī)劃、作業(yè)路徑設(shè)計與優(yōu)化、作業(yè)數(shù)據(jù)采集和上傳、作業(yè)過程識別和進(jìn)度統(tǒng)計、作業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)化評測等。同時，支持車輛故障或障礙狀態(tài)下，實(shí)施人工干預(yù)遠(yuǎn)程操作，輔助無人化機(jī)群協(xié)同作業(yè)快速恢復(fù)正常狀態(tài)。