基于5G技術的工程機械遠程控制的系統設計

譚云月

（中移物聯網有限公司，重慶 401120）

0 引 言

工程機械在各個領域都有著廣泛的應用，特別是在礦山開發和土方作業等領域中，駕駛員需要在一些環境惡劣的地方作業，存在作業環境艱苦、駕駛員易疲勞和心理負擔重等缺點，而采用遠程控制就可以解決以上問題，將駕駛員從危險高壓的環境中解脫出來[1]。隨著物聯網、5G等技術的迅猛發展，特別是5G通信具有大帶寬、低時延、海量接入等特點，使得通過5G技術遠程對工程機械進行實時的低時延、高感知的操作成為可能[2-3]。

目前，隨著5G技術的不斷進步以及5G網絡的逐漸覆蓋，5G的應用正處于爆發前的階段。將5G技術應用在工程機械的遠程控制中的條件也逐漸成熟。因此，本文提出一種基于5G技術的工程機械遠程控制的系統設計。該系統設計基于5G網絡，利用部署于MEC的數據中轉平臺建立遠端操作室與工程機械遠程控制終端之間的通信，工程機械遠程控制終端通過CAN、數字量和模擬量采集接口等物理接口同工程機械聯通，操作室的指令通過5G網絡下發到終端，并且通過5G網絡回傳視頻信號監視現場環境[4]。

1 系統總體架構

工程機械遠程控制系統利用物聯網、5G等技術，將遠程操作室中的控制終端采集到的操作員在座椅上操作的CAN、數字量和模擬量數據，利用部署于MEC的數據中轉平臺，通過5G網絡傳輸到位于工程機械上的控制終端上，完成控制操作的端到端傳輸，并且將現場的視頻信號和工程機械回傳的CAN信號回傳到遠程操作室的控制終端上[5-6]。工程機械遠程控制系統整體分為三大部分，包括遠程操作節點、數據中轉平臺和工程機械控制節點。其中遠程控制節點和工程機械控制節點采用同一種控制終端，該控制終端包括控制單元、CAN信號傳輸單元、數字量和模擬量傳輸單元、串口傳輸單元、通信單元、電源單元等部分組成；遠程控制節點中的控制終端與操作座椅和大屏系統相連接，傳輸操作數據并且將回傳的視頻數據傳輸到大屏系統上顯示；工程機械控制節點的控制終端安裝在工程機械上，輸出遠端操作室發出的CAN信號并且將工程機械的CAN信號回傳；數據中轉平臺是部署于MEC上的服務器，用于端到端的數據轉發，包括控制數據和視頻數據，并且對配對控制的終端進行設備管理[7]。

系統總體框架如圖1所示。

圖1 工程機械遠程控制系統總體框架

遠程操作節點和工程機械控制節點通過控制單元完成所有的操作任務；遠程操作節點通過CAN信號傳輸單元、數字量和模擬量傳輸單元傳輸座椅操作數據，工程機械控制節點通過CAN信號傳輸單元傳輸工程機械的CAN數據；最后通過通信模塊利用5G網絡將數據上傳至數據終端平臺并將數據發送到配對的對端；電源模塊則保障整個終端節點的正常運行。

工程機械遠程控制系統通過數據中轉平臺進行遠程管理。數據中轉平臺既是端到端通信的轉發平臺，也是設備的管理平臺，對上線設備進行遠程控制，包括端到端設備配對、故障監控等功能[8]。

2 工程機械遠程控制系統終端節點設計

工程機械遠程控制系統終端節點作為工程機械遠程控制系統的重要組成部分，負責采集工程機械的操作指令和視頻信息，利用數據中轉平臺進行數據中轉后把數據傳輸到端對端的終端節點，它包括控制單元、CAN信號傳輸單元、數字量和模擬量傳輸單元、串口傳輸單元、通信單元、電源單元等部分。

工程機械遠程控制系統終端節點拓撲結構如圖2所示。

圖2 工程機械遠程控制系統終端節點拓撲結構

控制單元的主要器件為一片高性能的核心板，在該核心板上運行Linux系統，控制單元以此為主控制器，完成對終端的各個單元的控制和操作。控制單元的主要功能是掌控整個終端的運行邏輯，處理來自通信單元的各類控制數據及其他信息。

CAN信號傳輸單元、數字量和模擬量傳輸單元、串口傳輸單元作為物理接口直接接入操作室的座椅對應的物理傳輸接口或者工程機械上對應的物理傳輸接口，負責接收來自下級設備的各種數字和模擬信號、串口數據和CAN數據，并且將來自遠端的數據發送到下級設備[9]。

通信單元則由一個具備WiFi/5G通信能力的路由模塊為核心，根據實際情況選擇移動網絡接入還是WiFi無線接入，放置在設備端的攝像機通過通信單元的網口接入，實現設備端的畫面回傳至操作端的功能。電源單元包括外部電力供應和應急電池，保證整個終端節點能夠正常工作[10]。

3 工程機械遠程控制系統數據中轉平臺設計

工程機械遠程控制系統數據中轉平臺作為整個系統的重要組成部分，主要負責進行設備管理、業務管理和遠程設備端到端數據轉發處理，部署在MEC可以有效地降低通信時延、提升操作反應。它由設備管理平臺和數據中轉平臺兩部分組成，遠程控制系統數據中轉平臺框架如圖3所示。

圖3 工程機械遠程控制系統數據中轉平臺框架

3.1 設備管理平臺

設備管理平臺主要作用是對接入設備進行管理，它包括設備接入、設備狀態查詢、命令收發、運行與命令日志查詢這四大功能模塊。

設備接入模塊的主要功能是與設備按照通信協議進行交互，并進行設備接入工作，保障設備與平臺進行信息和命令的交互。

設備狀態查詢模塊是可以在設備管理平臺上查看設備的各項信息，包括在線狀態、配對信息、設備的位置信息等等。

設備管理平臺的命令收發模塊主要負責將來自平臺對設備的操作命令下發至終端設備中，并且接收來自終端設備的命令反饋。

運行與命令日志查詢模塊主要是記錄設備與平臺的各種交互操作的狀態，并形成日志供運維人員和研發人員查詢。

3.2 數據中轉平臺

數據中轉平臺作為整個云端的核心功能，是完成端到端的數據轉發、實現整個系統的最基本最核心的功能。它具備設備監控、基礎管理、數據監測、數據轉發、系統管理這五大功能模塊。

設備監控模塊是對整個設備管理平臺上所有已接入設備的狀態和轉發的數據進行監控分析，判斷設備的各項狀態是否正常。

基礎管理模塊是對已接入設備進行配置和管理，利用設備管理平臺的命令收發模塊實現設備的配置操作。

數據監測模塊是對所有已接入設備的轉發數據進行管理，查看轉發數據的流量、網絡的延遲和抖動等情況。

數據轉發模塊對端到端設備進行綁定操作，使設備端和操作端進行一一對應，并且對兩者的操作指令和反饋數據進行數據轉發，確保操作指令能夠正確下發、反饋數據能夠正確反饋到對應的操作端。

系統管理模塊主要是針對用戶進行交互，包括賬號的各項功能的管理、授權管理以及短信報警等功能。

4 結 語

基于5G技術的工程機械遠程控制系統的設計，主要是利用5G大帶寬、低時延的特性，加上服務器下沉至MEC等手段，解決了傳統遠程控制中延時大、畫面質量低、操作手感差等缺點。終端與平臺相互配合可以完成端到端遠程控制的全流程，并且做到視頻和設備運行數據的實時監控，云平臺的設備管理能力和效率也顯著提高。該系統設計有利于提升工程機械在危險場所運行時的安全性，更好地保護操作員的生命安全，做到“機械化換人，自動化減人”。