馬 丹，陳 文，張 勇，柏 龍（中國聯(lián)通山東分公司，山東濟南 250001）

1 概述

1.1 遠程遙控技術廣泛應用

經濟建設的快速推進，推動大型工程機械的普遍使用。復雜多變的使用場景，尤其是高危險性場景對機械操控人員提出更高技術要求和安全考驗。而操控人員在封閉的駕駛室內對控制面板進行操作，視野狹小，很難對整個施工現(xiàn)場的狀況有清楚的全局把握，容易降低施工效率，嚴重時甚至導致施工事故的發(fā)生。

生命是無價的，要使操控人員既能完成施工救援作業(yè)，又能夠保障他們的人身不受到威脅，遠程遙控技術得到廣泛的推廣應用。

1.2 遠程遙控技術亟需高速網絡傳輸

采用視頻圖像進行輔助操控成為了新一代遠程機械操控的基本要求，隨著圖像分辨率不斷提高以及VR等新技術的引入，對于無線控制帶寬的要求也在不斷提升。

另外遠程控制的距離需盡量提高，以便操作人員能夠遠離風險區(qū)域，距離的提升對于數據傳輸的穩(wěn)定性和及時性提出了更高的要求。

現(xiàn)有的幾種無線傳輸技術的弱點越來越顯現(xiàn)：比如ZIGBEE、433 技術傳輸數據量小，無法傳送視頻圖像，Wi-Fi技術在2.4 GHz非授權頻段，易受干擾，且傳輸距離受限，無線蜂窩技術（GSM、LTE 等）帶寬難以保證VR信號的有效傳輸。

1.3 5G技術“添翼”遠程遙控

5G 網絡是下一代移動通信技術，可提供eMBB、mMTC、uRLLC 業(yè)務，系統(tǒng)設計目標要達到體驗速率100 Mbit/s，峰值速率20 Gbit/s，時延1 ms。采用5G 技術作為遠程遙控工程機械系統(tǒng)的無線通信子系統(tǒng)有如下特點。

a）系統(tǒng)帶寬大。遠程機械操作的感知體驗需要高清圖像的支持，才能使駕駛員有身臨其境的感覺而隨著圖像清晰度的提高以及VR 等技術的引入，使得系統(tǒng)帶寬要求不斷提升。5G eMBB 業(yè)務能夠保證100 Mbit/s 的下載速率，峰值速率可達Gbit 級，完全能夠支持4K 以上的高清VR 顯示，提升了遠程操控的真實性體驗。

b）支持范圍廣?，F(xiàn)有點對點遠程技術只能支持有限范圍或者視距范圍的操作，而采用5G等蜂窩移動通訊作為通信子系統(tǒng)的話可大大擴展操作的范圍，真正可以做到千里之外進行控制，增加了機械的環(huán)境適用性，充分保障了駕駛員的人身安全。蜂窩技術采用授權頻譜，能夠保證信號不受干擾，只要有無線信號即可進行機械操作。

c）操作時延低。遠程操作時延需要控制在一定的范圍內才能保證操控指令下達到機器執(zhí)行的實時性和準確性，5G 通信系統(tǒng)設計最小時延可到1 ms，完全能夠滿足實時性操控的要求。

2 基于5G網絡的遠程遙控挖掘機實踐

2019 年3 月，山東聯(lián)通與山東臨工集團合作打造了5G 遠程遙控挖掘機項目。通過5G 網絡與100 km以外的挖掘機相連，操作人員實時控制位于礦場的無人駕駛挖掘機，同步回傳真實作業(yè)場景及全景視頻實況。

2.1 整體組網架構

基于5G 網絡的遠程遙控挖掘機方案架構如圖1所示，包括無人駕駛挖掘機、遠程控制室、5G 通信網絡、5G通信終端（或模塊）、攝像頭及相關控制設備。

遠程控制室：位于臨沂市區(qū)臨工集團總部。

礦場：位于平邑縣臨工集團智能礦山綜合實驗基地，兩者相距100 km，礦場內放置一輛無人駕駛挖掘機，挖掘機內外共安裝4 臺高清攝像頭和1 臺VR 攝像頭。

5G通信終端：使用CPE設備。

5G網絡：采用NSA組網和邊緣計算技術。

2.1.1 視頻流傳輸原理

在挖掘機內外安裝高清攝像頭和VR 全景攝像頭，實時采集挖掘機現(xiàn)場圖像，經過拼接和編碼壓縮后，通過5G網絡傳輸到遠端控制室。遠端控制室收到視頻信號后經過解碼，在VR 一體化頭盔及大屏上顯示，遠端控制室的駕駛員通過VR 頭盔就可以看到挖掘機作業(yè)現(xiàn)場不同角度的全景視頻，使遠程遙控的體驗更接近現(xiàn)場操作的感覺。同時，通過設置多個攝像頭，還可以在不同攝像頭之間切換，觀察不同方位的現(xiàn)場視頻。

圖1 遠程控制挖掘機組網圖

2.1.2 控制信號傳輸原理

根據現(xiàn)場回傳的圖像，駕駛員在遠端控制室里操控方向盤等機械電子設備，控制信號經由5G 終端（CPE）通過5G 網絡發(fā)送給遠端現(xiàn)場作業(yè)的挖掘機。挖掘機上同樣安裝有5G 通信終端或模塊，通過5G 網絡接收遠端控制室的控制信號，通過MU 動作執(zhí)行單元，將IP 信號轉換為挖掘機的現(xiàn)場總線信號（CAN 信號），通過挖掘機現(xiàn)場總線控制挖掘機進行作業(yè)操作（包括前進、后退、停止、轉向、挖掘動作、燈光、鳴笛等）。同時，挖掘機的狀態(tài)信息通過傳感器和5G 網絡上傳給遠端控制室，遠端控制室收到狀態(tài)信號后在控制室的顯示屏上進行顯示。

2.2 主要功能模塊

2.2.1 遠程控制系統(tǒng)

一般的工程機械都必須包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、底盤行走系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)這五大基本系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 工程機械遠程控制系統(tǒng)

在五大基本系統(tǒng)中，最關鍵的是操作控制系統(tǒng)，是工程車輛的“大腦”。傳統(tǒng)的工程車輛操作臺與操作控制系統(tǒng)之間采用CAN 通信，一般的控制器都有CAN 接口，控制信息通過有線方式進行傳輸。因此，要實現(xiàn)工程車輛的無線遙控，只要將CAN 通信轉為無線通信即可（如圖2 中紅色部分），本項目無線通信方式采用5G技術。

2.2.2 各功能模塊實現(xiàn)

整個系統(tǒng)可以分成三大部分（見圖3）。

圖3 功能模塊圖

a）挖掘機及其上的視頻、控制設備，包括挖掘機、攝像機、視頻編碼器、總線控制器、傳感器、GPS等。此項目中所使用的挖掘機除具備傳統(tǒng)挖掘機的各種功能外，還支持電控，能夠通過遠端控制信號進行遙控操作。挖掘機內安裝一個全景攝像頭，挖掘機機身上安裝2 個攝像頭（動臂攝像頭和前攝像頭），通過視頻編碼器連接至5G CPE設備。挖掘機及其上的視頻、控制設備由山東臨工集團提供，全景攝像頭和5G通信終端由山東聯(lián)通提供，并配合完成IP協(xié)議及CAN協(xié)議的轉換。

b）遠端控制室內的相關控制設備，包括操控座椅、儀表臺、顯示器、視頻編碼器、遠端控制器、VR 頭盔等。其中，操控座椅包括手柄、方向盤、油門、剎車、電氣開關等，遠端控制器將控制信號通過5G網絡傳送至現(xiàn)場挖掘機。遠端控制室及相關控制設備由山東臨工集團提供，VR 頭盔和5G 通信終端由山東聯(lián)通提供。

c）5G通信網絡。

（a）本項目共建設2 套NSA 5G 基站，礦場和遠程控制室的信號分別通過5G網絡進行通信。同時，為了降低挖掘機控制信號及圖像在5G網絡的傳輸時延，本項目采用移動邊緣計算MEC 服務器（見圖4），將核心網用戶面（GW-U）下沉，挖掘機控制信號和視頻信號不用繞行至核心機房，直接在MEC 轉發(fā)，從而降低了端到端傳輸時延。

（b）無線網建設方案：在礦場和遠端控制室各建設1 套5G 宏站，采用NSA option3X 組網，新建4G/5G基站，對接現(xiàn)網核心網（EPC+）；錨點采用1 800 MHz頻段，采用1 835～1 840（5 MHz 帶寬）作為錨點頻率選擇，5G 采用3.5 GHz。BBU 采用4G/5G 共框模式，配置4G 和5G 射頻模塊，其中5G 為射頻和天線一體化模塊AAU5613；4G 采用1 800 MHz RRU5909，配套建設1副天線。

（c）MEC建設方案：在下沉的園區(qū)機房建設MEC，包括3套服務器、3套交換機和2套防火墻（見表1），可支持15G流量并發(fā)，用戶數不限。

圖4 MEC組網圖

表1 MEC配置表

核心網GW-U 功能下沉到邊緣機房，實現(xiàn)本地分流功能，滿足大帶寬、低時延業(yè)務訴求，同時配置防火墻確保業(yè)務安全；核心網GW-C放置于核心機房，與控制面連接，對用戶進行鑒權、計費、策略控制等。

2.3 主要性能指標

2.3.1 通信帶寬

普通視頻：2K視頻需要5.8 Mbit/s傳輸帶寬，4K視頻需要22 Mbit/s傳輸帶寬。

VR 全景視頻：采用目前普通VR 分辨率2K 視頻，每路VR視頻需要傳輸帶寬22 Mbit/s。

經測試，上行速率為163 Mbit/s，下行速率為1 030 Mbit/s，滿足通信帶寬的需求。

2.3.2 通信時延

通過MEC的建設，端到端整體時延在15 ms內，滿足遠程遙控的要求。

2.3.3 圖像穩(wěn)定性

整體遠程遙控過程中，圖像傳輸穩(wěn)定、畫面清晰、無卡頓，滿足了遠程遙控的要求。

總之，5G 網絡在帶寬、時延、穩(wěn)定性等方面遠遠優(yōu)于4G網絡，保證了高清視頻信號和控制信號的傳輸質量和速度。

2.4 效益分析

2.4.1 實用性分析

一是采用5G+MEC 技術替代原有工業(yè)無線方案，不僅可以降低客戶的網絡成本，提高遠程遙控的范圍，而且擴展了遠程遙控挖掘機的應用場景和商業(yè)模式。原有工業(yè)無線方案專用的數傳電臺和圖傳電臺的成本在10 萬元人民幣以上，而5G 通信終端或模塊的成本在千元人民幣級別，算上通信費用，總成本降低了2個數量級。

二是引入VR 全景視頻技術，利用5G 高帶寬能力傳輸挖掘機現(xiàn)場全景視頻，提高了遠程遙控操作的體驗和精準性。

2.4.2 業(yè)務拓展

一是達成戰(zhàn)略合作協(xié)議。通過此次合作，山東聯(lián)通已與山東臨工集團達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，下一步將深入探討5G 在遠程故障診斷、遠程教學、AR、VR 等業(yè)務中的應用，共同打造合作共贏的生態(tài)圈。

二是本方案采用模塊化設計，控制模塊、視頻模塊、通信模塊都采用通用模塊，并且控制信號采用通用車載CAN 總線，可以方便移植到其他遠程控制場景，如遠程駕駛無人車（見圖5）。

2019 年4 月14 日，山東聯(lián)通與北京智行者科技有限公司合作，成功實現(xiàn)了基于5G技術的室內遠程精準遙控無人車，并在CCTV1《挑戰(zhàn)不可能》節(jié)目中播出。節(jié)目現(xiàn)場，對單邊橋、限寬車陣、突發(fā)狀況、緊急測試輪胎陣、停車入庫等多個關卡進行挑戰(zhàn)，難度遠超駕?？荚?，不僅對快速反應能力及駕駛技術有著極高的要求，也極大考驗了5G網絡的傳輸能力。

圖5 遠程駕駛無人車組網圖

整個過程，5G 網絡速率和信號持續(xù)保持穩(wěn)定，現(xiàn)場測試實時上行速率高達百兆，端到端時延在12 ms以內；車速40 km/h因時延造成的剎車誤差不到10 cm，挑戰(zhàn)中車輛在遇到突發(fā)狀況時緊急制動仍可最大限度保證安全并成功避障；低速時誤差在1～2 cm，完美通過限寬車陣和極窄車位入庫考驗。

2.4.3 社會效益

山東聯(lián)通與山東臨工集團聯(lián)合打造的5G 遠程遙控挖掘機項目，在國內機械企業(yè)尚屬首次，不僅實現(xiàn)了惡劣環(huán)境下的挖掘機作業(yè)，也為未來無人工地的實現(xiàn)提供了可能。操控員可以足不出戶地實時操控百里甚至千里之外的挖掘機，可以不受時間、氣候、環(huán)境的影響推進工程進度，為未來無人工地的實現(xiàn)提供了可能。

2.4.4 品牌效應

一是培養(yǎng)行業(yè)潛在客戶。通過和垂直行業(yè)伙伴合作，取得行業(yè)伙伴信任，這些垂直行業(yè)伙伴都是后續(xù)運營商5G垂直行業(yè)的潛在客戶和業(yè)務拓展對象，也是目前階段各運營商已經開始爭取和搶奪的對象。

二是提升運營品牌。通過5G試驗網和業(yè)務探索，推動5G產業(yè)鏈和商業(yè)模式不斷走向成熟，并把這種模式加以包裝、宣傳和推廣，提升在產業(yè)鏈的話語權和公司的品牌效應。

3 結束語

國家已正式發(fā)布5G 牌照，5G 將以全新的網絡架構，提供數十倍于4G 的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代。山東聯(lián)通基于5G+MEC技術的遠程遙控實踐證明了5G 技術對于現(xiàn)代機械遠程控制的必要性，為5G在智能制造和車聯(lián)網領域的應用提供了參考和借鑒意義。