《基于5G通信和深度学习技术的智能网联挖掘机控制平台》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于5G通信和深度学习技术的智能网联挖掘机控制平台

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罗映赵磊丁洪磊王淑超徐熊

摘要：该文提出了一种新的智能网联挖掘机控制平台，该平台利用深度学习技术实现挖掘机的自动作业，利用5G通信技术将挖掘机、场地基础设施和云计算平台连接。构建以挖掘机作和基础设置为终端，以云计算平台作为决策中心的智能网联挖掘作业平台，使挖掘机和施工环境之间建立更高效通讯。实现挖掘机实现在复杂环境中的感知融合、智能决策、协同控制等功能。

关键词：5G;深度学习;智能网联;挖掘控制平台

中图分类号：TP393 ? ? ? ?文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）25-0180-02

1背景

挖掘作业是工程建设及抢险救援中不可或缺的施工手段，挖掘机也是促进国家基础建设的有力保证。但随着施工精度、效率、能耗等方面要求的不断提高，以及为适应特种工作环境，传统挖掘机已不能满足今后的工程需求。因此，如何利用先进的通信技术、人工智能技术、机器人技术、数字化技术、远程监控技术与高性能计算技术对传统产品进行升级改造，研发一种可以实现智能自主作业，远程操控、人工智能、多传感融合、大数据分析、特征探测等于一体的智能挖掘平台，无论从经济效益还是社会效益的角度来看，均具有巨大的现实意义[1]。

近年来，挖掘机智能化网联化技术成为企业和学术机构的研究热点[2]。随着人工智能、大数据等技术的快速发展，智能挖掘机相关理论和技术也取得了较大的进展，并逐步商用化。比如卡特彼勒公司推出的智能挖掘辅助系统可以实现电子围墙、2D坡度控制深度和坡度引导、坡度控制+智能称重和坡度控制+辅助操作等多种功能，提高了施工效率，减少了施工成本。随着智能网联汽车技术的快速商业化，其车用无限通信技术C-V2X（Vehicle to Everything）使的智能挖掘机的网联化成为可能，但是由于通信速率的原因，尽管C-V2X有十分明朗的产业前景，其实际应用一直受到限制。

随着5G技术的到来[3]，C-V2X与5G技术结合为实现网络无缝覆盖提出了完美的解决方案，也使得挖掘机能够真正实现“挖掘机—作业环境—人—云”之间的多维高速信息传输。2019年，三一、华为、中国移动等联合打造的首台5G遥控挖掘机正式亮相并投入使用。还有像中联重科、柳工、山推、玉柴和中国移动等很多工程机械公司也纷纷布局5G战略。

我们与山东派蒙机电技术有限公司合作投入大量精力研究与智能网联汽车相关的人工智能、5G通信、智能控制等技术，实现了“5G+智能驾驶挖掘机”这一核心产品。该产品基于现有智能网联汽车的研究成果，引入5G技术进一步研究智能网联挖掘平台，在高速通讯的基础上，实现挖掘机的实时远程操控，智能感知与决策和V2X多平台协同等功能。基于5G技术的智能网联挖掘无人平台可以胜任各种恶劣的作业环境，在建筑拆除、抢险、防爆、救援甚至军工等高危作业中游刃有余，提高施工的效率和安全性，大幅提高生产效率、节约成本。

2系统总体方案

智能作业方面：利用信号处理、机器视觉技术获取挖掘机环境感知语义信息，采用最优控制理论和深度学习技术构建挖掘机的智能识别、决策和控制系统，建立挖掘机智能感知、决策和操作体系，实现挖掘机自动电子围墙、坡度控制和理想工况自主挖掘等功能。利用5G通信技术将挖掘机、场地基础设施和云计算平台连接，构建以挖掘机作和基础设置为终端，以云计算平台作为决策中心的智能网联挖掘作业平台，让挖掘机和施工环境之间建立更高效更紧密的感知机制，使挖掘机实现在复杂环境中的感知融合、智能决策、协同控制等功能。

在远程操控方面：在进行复杂工况下作业时，将操作人员完全从危险区域隔离出来使挖掘机完全无任何，人员可以在更安全的通过远程遥控平台操作平台、经过5G连接现场机车上的车载控制单元及安装在挖掘机上的多路红外高清摄像头，观察实时的现场视频，可以控制井下设备像在现场操作一样工作，能节约人力资源，更有效地提高矿井安全系数。

3系统技术架构

根据总体方案，该项目的技术就架构分为两部分：智能驾驶系统和远程操作系统。具体系统组成如图2和图3所示。

智能驾驶系统包括环境感知模块、决策模块和执行模块。环境安置模块利用视觉传感器、激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达和GPS获取挖掘机周围环境信息和位置信息，采用深度神经网络和图神经网络等模型分析周围环境特征，获取挖掘机附近环境的语义信息及其挖掘机所在位置;决策模块根据环境感知结果利用深度强化学习和循环神经网络等技术对周围环境进行分析并作出相应决策，给出最优的行驶和作业运行策略。最后，利用控制执行模块根据决策信息使挖掘机做出相应的作业动作，如行驶和挖掘等。其中环境感知与执行模块和决策模块之间通过5G通信传输，利用云计算技术实现系统的实时性。

如图3所示，远程操作平台系统由环境感知、驾驶操作平台和控制执行部分组成。环境感知部分利用视觉和生命体征探测传感器提取挖掘机环境信息。然后利用5G通讯将高清的视频信号和传感器信息传输到驾驶人操作平台中，驾驶人根据这些信息操作挖掘机虚拟平台，操作的信号通过5G通讯再传输到挖掘机执行机构上，实现挖掘机的远程操控。

基于5G和人工智能架构的感知、决策、通讯和控制技术架构如图3所示。在获取感知信号后，采用自研的人工智能模块实现多种深度学习框架，输出挖掘环境感知信息，然后利用自研的5G-V2X通讯模组实现挖掘机信号与云计算中心和操作中心的通信，实现智能感知、决策和高效互联互通。

4结论

本文提出了一种基于5G通信和深度学习技术的智能网联挖掘机控制平台，该平台能够实现挖掘机的实时远程操控，智能感知与决策和V2X多平台协同等功能，可以胜任各种恶劣的作业环境，在建筑拆除、抢险、防爆、救援甚至军工等高危作业中游刃有余，提高施工的效率和安全性，大幅提高生产效率、节约成本。

参考文献：

[1] 郭庆军，贾哲，郝倩雯.建筑装备智能化应用现状分析及展望[J].筑路机械与施工机械化，2018，35（6）：25-33.

[2] 宋昊辰，杨林，徐华伟，等.智能网联汽车信息安全综述[J].信息安全与通信保密，2020（7）：106-114.

[3] 黄楚新，王丹.聚焦“5G+”：中國新媒体发展现状与展望[J/OL].科技与出版：1-7[2020-07-23].https：//doi.org/10.16510/j.cnki.kjycb.20200722.006.

【通联编辑：代影】

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