В августе прошлого года я отправился с нашей командой на угольный разрез во Внутренней Монголии для участия в проекте по модернизации автономного вождения. Это было мое первое реальное знакомство с миром автономных карьерных грузовиков. Честно говоря, впечатления на месте оказались гораздо более впечатляющими, чем я мог себе представить: массивные карьерные грузовики весом в десятки тонн, погрузка, транспортировка и выгрузка полностью без водителя. Вся операция была бесшовной. Как полевой инженер KEY-IOT, этот проект полностью изменил мое представление об автономных карьерных машинах.

Почему карьерам нужны автономные грузовики

Проведя месяц на шахте, я получил реальное представление о болевых точках отрасли.

Безопасность - самая большая проблема. Открытые горные работы - это жестокие условия: сильная пыль, сильный шум, плохая видимость. Водители, работающие в таких условиях, подвергаются серьезному риску несчастных случаев. Прошлогодняя национальная статистика несчастных случаев на шахтах показала, что на долю транспортных операций приходится огромная часть происшествий. Менеджер по безопасности рассказал мне, что больше всего их беспокоит усталость водителей ночной смены. Одна авария означает остановку всей шахты для проверки.

Стоимость рабочей силы растет. Сейчас наем опытного оператора грузовика начинается от $2 200 долларов США в месяц, и вам нужно три смены, то есть как минимум 3-4 водителя на грузовик. У этого клиента было 30 грузовиков - это сотни тысяч зарплат в год. Еще большая проблема? Молодые люди не хотят работать, а водители-ветераны выходят на пенсию. Набирать персонал с каждым годом становится все труднее.

Операционная эффективность тоже имеет значение. У людей-водителей есть пределы - они устают, болеют, им нужны перерывы. Во время пикового спроса вы не сможете достаточно быстро увеличить масштаб. В периоды затишья вы платите работникам за то, что они простаивают. Автономные системы работают круглосуточно, подстраиваясь под требования диспетчеров в режиме реального времени, что значительно повышает эффективность перевозок.

Техническая архитектура автономных карьерных самосвалов

Многие думают, что можно просто перенести технологии автономных легковых автомобилей на карьерные грузовики. Это совершенно неверно. Горные условия гораздо сложнее, чем городские дороги, а требования к надежности зашкаливают.

Система включает в себя несколько основных компонентов:

Системы восприятия транспортных средств
Каждый грузовик напичкан датчиками: 3D LiDAR строит трехмерную карту окрестностей, радар миллиметровых волн обнаруживает препятствия, HD-камеры определяют состояние дороги и дорожные знаки, а дифференциальное позиционирование RTK обеспечивает сантиметровую точность. Эти датчики генерируют огромные объемы данных - несколько гигабайт в секунду.

Бортовая система управления
Это “мозг” системы - он обрабатывает данные датчиков в режиме реального времени, принимает решения по управлению автомобилем, контролирует рулевое управление, дроссельную заслонку и тормоза. Задержка должна быть в пределах миллисекунд, иначе на высоких скоростях все быстро становится опасным.

Коммуникационная сеть
Транспортные средства поддерживают связь с облачным диспетчерским центром в режиме реального времени, загружая данные о состоянии автомобиля, его местоположении и видеопотоки и одновременно получая команды диспетчера. Это требует экстремальной пропускной способности, низких задержек и высокой надежности.

Облачная диспетчерская платформа
Управляет всеми автономными грузовиками, планирует маршруты, координирует график движения автомобилей и следит за рабочим состоянием.

Для этого проекта мы использовали Автомобильный шлюз SV900.

Сетевая связь: Жизненный путь автономных карьерных самосвалов

Сетевые коммуникации - самый важный и наиболее подверженный сбоям компонент всей системы.

Требования к пропускной способности
Один автономный карьерный грузовик имеет не менее 6-8 HD-камер, а также данные LiDAR и радара миллиметровых волн, команды управления и обновления состояния. Потребность в пропускной способности канала связи составляет не менее 100 Мбит/с. Если вам нужна возможность удаленного управления (операторы безопасности управляют из центра мониторинга), требования к пропускной способности будут еще выше.

Требования к задержке
Автономное вождение невероятно чувствительно к задержкам. При скорости 60 км/ч 100 мс задержки означают, что автомобиль уже проехал 1,67 метра. Для грузовика весом в десятки тонн это расстояние может стать разницей между безопасностью и катастрофой. Для нашего проекта требовалась сквозная задержка менее 30 мс.

Требования к надежности
В условиях горнодобывающей промышленности возникают серьезные проблемы с покрытием сети. Открытые шахты часто уходят на глубину 30-50 метров, а иногда и более 100 метров. Сигналы базовых станций с трудом обеспечивают полное покрытие. Транспортные средства постоянно сталкиваются с мертвыми зонами или слабыми участками покрытия. Обычные сети 4G с этим не справляются - нужен 5G, и даже в этом случае необходимы резервные решения.

SV900: Автомобильный шлюз, созданный для автономных карьерных грузовиков

 

Мы выбрали SV900 для этого проекта из-за нескольких ключевых особенностей:

Конструкция с двумя каналами связи 5G
SV900 поддерживает две сети 5G - вы можете одновременно вставить две SIM-карты от разных операторов связи. На шахте во Внутренней Монголии мы использовали систему China Mobile + China Unicom с двумя SIM-картами. В восточной части шахты сигнал Mobile был лучше, а в западной части было более сильное покрытие Unicom. Двойная установка 5G автоматически выбирает оптимальный канал связи, обеспечивая бесперебойное соединение.

Результаты полевых испытаний оказались превосходными. Скорость загрузки по одному каналу 5G стабильно составляла около 800 Мбит/с - более чем достаточно для просмотра нескольких видеопотоков. Что еще более важно, при выходе из строя одного канала связи другой немедленно берет на себя его функции. Время переключения составляет менее 200 мс, что практически незаметно для операторов.

Авиационные разъемы M12
Эксплуатация горных грузовиков проходит в тяжелых условиях - пыль, вибрация, экстремальные температуры. Стандартные порты RJ45 ethernet не выдерживают. Я видел, как в других проектах использовалось оборудование потребительского класса, которое выходило из строя уже через месяц - ослабленные соединения приводили к постоянным обрывам связи.

В SV900 используются авиационные разъемы M12 с промышленными стандартами защиты - виброустойчивые, пылезащищенные, водонепроницаемые. Установка проста - просто затяните стопорное кольцо и готово. Суперпрочность. Эта деталь кажется незначительной, но она имеет решающее значение для долговременной стабильной работы.

SDK для агрегирования нескольких сетей
Эта функция очень интересна. В SV900 встроен SDK для многосетевой агрегации, который может объединить пропускную способность обоих каналов 5G. В сценариях, требующих большого объема загружаемого трафика (например, обновление системы или синхронизация журналов), пропускной способности одного канала недостаточно - многосетевая агрегация решает эту проблему.

Мы протестировали это - двойная агрегация 5G увеличивает пропускную способность восходящего канала связи до 200 Мбит/с. Загрузка пакета OTA-обновлений для системы горного грузовика (обычно 2-3 ГБ) занимает 10 с лишним минут. При использовании одного канала связи на это уходит не менее получаса.

Поддержка протокола NTRIP
Это очень важно для высокоточного позиционирования RTK. Автономные карьерные грузовики требуют сантиметровой точности позиционирования - обычный GPS не справится. Вам необходимо дифференциальное позиционирование RTK.

Системы RTK должны получать дифференциальные данные с базовых станций по протоколу NTRIP. SV900 поддерживает протокол NTRIP. Конфигурация проста - достаточно ввести адрес базовой станции и учетные данные в веб-интерфейсе. Дополнительное оборудование для преобразования не требуется, что позволяет сэкономить средства и исключить вероятность отказа.

5 портов M12 Ethernet
Горнодобывающие грузовики оснащены множеством устройств: контроллерами автономного управления, LiDAR, радарами миллиметровых волн, камерами, промышленными компьютерами - каждому из них требуется сетевое подключение. В SV900 предусмотрено 5 гигабитных портов Ethernet с разъемами M12. Много портов, все с надежными соединениями.

Интерфейсы RS232/485/CAN
Помимо устройств ethernet, в карьерных грузовиках имеется множество устаревшего оборудования с последовательными портами - автомобильная шина CAN, различные датчики RS232 или RS485. SV900 объединяет все эти интерфейсы. Одно устройство обеспечивает все потребности в подключении.

В нашем проекте мы использовали интерфейс CAN для считывания уровня топлива, скорости, угла поворота руля и других данных об автомобиле. Через интерфейс RS485 мы подключили метеостанцию, отслеживающую скорость ветра, температуру и влажность. Благодаря этим данным диспетчерская система принимает более разумные решения.

Уроки развертывания в реальном мире

Этот проект занял четыре месяца от первоначального исследования до официального запуска. Мы столкнулись с некоторыми трудностями на этом пути, но многому научились.

Планирование сети имеет решающее значение

Перед закладкой фундамента мы провели детальное исследование сети, используя профессиональное оборудование для проверки покрытия сигнала 5G на всей территории шахты. Мы обнаружили несколько "мертвых зон" и совместно с операторами связи добавили две новые базовые станции, что позволило добиться правильного покрытия.

Мой совет всем, кто занимается проектами автономных карьерных грузовиков: сначала разберитесь с сетью. Не ждите, пока все оборудование будет установлено, чтобы обнаружить, что сеть не работает, - это кошмар.

Размещение устройств имеет значение

Место установки SV900 требует обдумывания. Слишком низкое расположение антенны может привести к ее засорению и ухудшению сигнала. Слишком высоко - удлинительные кабели антенны вносят потери. В итоге мы установили ее в отсеке для оборудования за кабиной - это защищает устройство без ущерба для сигнала.

Антенны обязательно должны быть установлены на крыше, с зазором не менее 5 см от металлических поверхностей, иначе уровень сигнала будет снижен. Мы использовали специальные кронштейны для антенн - они отлично работают.

Системы электроснабжения нуждаются в защите

Электрические системы карьерных самосвалов сложны и характеризуются значительными колебаниями напряжения и огромными мгновенными токами при запуске. SV900 поддерживает широкое входное напряжение 9-36 В, но для защиты устройства целесообразно добавить стабилизатор напряжения.

В нашем проекте использовалось питание 24 В с DC-DC регулятором между ними, что обеспечивало стабильное выходное напряжение 24 В±0,5 В. Спустя почти год работы SV900 у нас не возникло никаких проблем с питанием.

Хранение журналов - это очень полезно

SV900 поддерживает хранение журналов во флэш-памяти, что невероятно полезно при отладке. При возникновении проблем вы можете экспортировать журналы для анализа и быстро определить основные причины.

Однажды шахтерский грузовик внезапно потерял связь. Из журналов SV900 мы обнаружили, что задержка в сети увеличивается до нескольких сотен миллисекунд непосредственно перед отключением, а затем полностью падает. Мы отнесли журналы оператору связи - он обнаружил неисправную базовую станцию. Без журналов подобную проблему практически невозможно диагностировать.

Регулярное техническое обслуживание

Несмотря на высокую надежность SV900, регулярное техническое обслуживание необходимо. Мы рекомендуем проводить ежемесячные проверки:

• Очистите поверхности устройства от пыли
• Убедитесь в надежности соединений антенны
• Просмотрите журналы устройств на предмет отклонений от нормы
• Проверьте производительность сети, чтобы убедиться, что скорость и задержка в норме

Эти задачи несложные, но эффективно предотвращают сбои.

Фактические данные о производительности

Проект работает уже более шести месяцев. Недавно я совершил повторный визит и собрал оперативные данные:

Производительность сети

• Средняя скорость загрузки: 750 Мбит/с (двойная агрегация 5G)
• Средняя скорость загрузки: 120 Мбит/с
• Конечная задержка: в среднем 18 мс, 26 мс при 99-й процентиле
• Доступность сети: 99,7% (менее 4 минут простоя в день)

Стабильность системы

• 30 карьерных грузовиков, 30 единиц SV900
• Время выполнения: 6 месяцев
• Сбои в работе устройств: 0
• Безопасное поглощение из-за перебоев в работе сети: 3 (все проблемы с базовыми станциями операторов)

Экономические выгоды

• Повышение эффективности транспортировки: 35% (по сравнению с ручным управлением)
• Экономия затрат на оплату труда: ~$730 000 долларов США в год (ликвидировано 90 должностей водителей)
• Инциденты, связанные с безопасностью: 0 (ранее в среднем 2-3 в год)

Клиент очень доволен. Теперь они планируют переоборудовать вторую очередь из 20 карьерных самосвалов для работы в автономном режиме.

Технологические тенденции в области автономных карьерных грузовиков

Судя по опыту этого проекта, технология автономных карьерных грузовиков быстро развивается. Стоит обратить внимание на несколько тенденций:

Приложения 5G-Advanced (5.5G)
Нынешние сети 5G работают, но в экстремальных сценариях могут испытывать нагрузки. 5G-A обеспечивает большую пропускную способность и меньшую задержку - в будущем она станет стандартом.

SV900 поддерживает сети Redcap, облегченную версию 5G. В сценариях с пониженной скоростью он экономит электроэнергию и затраты - идеальное решение для вспомогательного оборудования на шахте.

Интеграция пограничных вычислений
Перенос некоторых вычислительных задач на транспортные средства или пограничные серверы шахты снижает зависимость от задержек в сети. SV900 работает на OpenWrt с достойными вычислительными возможностями - в будущем он сможет работать с легкими пограничными приложениями.

Координация между транспортными средствами и инфраструктурой (V2I)
Умными должны быть не только автомобили, но и дороги. На шахтах будет установлено интеллектуальное придорожное оборудование, взаимодействующее с грузовиками в режиме реального времени и предоставляющее более богатые данные о восприятии окружающей среды. Это создает новые требования к возможностям многоканального подключения - многочисленные порты ethernet в SV900 идеально подходят для этих целей.

Заключительные размышления

Автономные карьерные самосвалы - это системный инженерный вызов, включающий в себя восприятие, принятие решений, управление, связь и многое другое. Каждый компонент должен быть надежным. Сетевая связь, возможно, не самая яркая часть, но абсолютно фундаментальная и критически важная.

Автомобильный шлюз SV900 отлично показал себя в этом проекте. Двойная конструкция 5G, защита промышленного класса, богатые интерфейсы, поддержка NTRIP - все эти характеристики тщательно продуманы с учетом реальных потребностей, а не просто подгонки под спецификацию.

Если вы работаете над проектами автономных карьерных грузовиков или аналогичных транспортных средств, я настоятельно рекомендую обратить внимание на SV900. Мы в Star VMAX можем предоставить полную техническую поддержку, от разработки решения до ввода в эксплуатацию - полное содействие.

Интеллектуализация горной промышленности - это неудержимая тенденция, и технологии автономного вождения будут становиться все более совершенными. Для меня, как инженера-наладчика, быть частью этих преобразований очень приятно. С нетерпением жду возможности обменяться практическим опытом со всеми в будущем.