[論文レビュー] From LiDAR to Underground Maps via 5G - Business Models Enabling a System-of-Systems Approach to Mapping the Kankberg Mine

Markus Borg, Thomas Olsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Safety Systems Engineering in Autonomy参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、カンクベルク地下鉱山における既存の鉱山マッピングおよび位置決めシステムとLiDARを搭載した車両を統合する5G対応のシステム・オブ・システムズ（SoS）アーキテクチャを提案し、リアルタイムで高解像度の地図更新を可能にしている。この手法は5Gネットワーク基盤を活用して、ボリデン、車両サプライヤー、運送業者、ソフトウェア開発者といったステークホルダー間のデータフローを統合し、継続的かつ正確な地下マッピングを通じて自律鉱山作業を支援するビジネスモデルと技術統合の可能性を示している。

ABSTRACT

With ever-increasing productivity targets in mining operations, there is a growing interest in mining automation. The PIMM project addresses the fundamental challenge of network communication by constructing a pilot 5G network in the underground mine Kankberg. In this report, we discuss how such a 5G network could constitute the essential infrastructure to organize existing systems in Kankberg into a system-of-systems (SoS). In this report, we analyze a scenario in which LiDAR equipped vehicles operating in the mine are connected to existing mine mapping and positioning solutions. The approach is motivated by the approaching era of remote controlled, or even autonomous, vehicles in mining operations. The proposed SoS could ensure continuously updated maps of Kankberg, rendered in unprecedented detail, supporting both productivity and safety in the underground mine. We present four different SoS solutions from an organizational point of view, discussing how development and operations of the constituent systems could be distributed among Boliden and external stakeholders, e.g., the vehicle suppliers, the hauling company, and the developers of the mapping software. The four scenarios are compared from both technical and business perspectives, and based on trade-off discussions and SWOT analyses. We conclude our report by recommending continued research along two future paths, namely a closer cooperation with the vehicle suppliers, and further feasibility studies regarding establishing a Kankberg software ecosystem.

研究の動機と目的

• 動的な鉱山環境と増加する自動化の要請に直面する中で、正確かつ最新の地下鉱山地図を維持する課題に対処すること。
• カンクベルク鉱山における、異なるシステムを統合する包括的なシステム・オブ・システムズ（SoS）の基盤として、5Gネットワークが果たす役割を調査すること。
• ボリデン、車両サプライヤー、運送業者、ソフトウェア開発者間で開発および運用責任を分配する複数のビジネスモデルシナリオを分析・比較すること。
• LiDARと5G接続を活用した継続的かつ高精度な地下マッピングを実現するにあたり、技術的および組織的トレードオフを評価すること。

提案手法

• 5G専用ネットワーク基盤を介して、LiDARを搭載した車両を既存の鉱山位置決めおよびマッピングシステムに接続するシステム・オブ・システムズ（SoS）フレームワークの設計。
• ボリデンと外部ステークホルダー（車両サプライヤー、運送会社、ソフトウェア開発者）間でシステム開発および運用を分配する4つの明確に区別された組織的シナリオの定義。
• 各SoSシナリオの技術的実現可能性とビジネスの持続可能性を評価するために、SWOT分析とトレードオフの議論を適用。
• PIMM（鉱山における産業用モバイル通信のパイロットプロジェクト）を実際のテストベッドとして活用し、5Gネットワークがマッピング用途に向けた低遅延・高信頼性のデータ伝送をどのように可能にするかを検証。
• LiDARセンサーからのマッピングデータは、5Gネットワークを介してリアルタイムで集中型またはエッジベースの処理ユニットにストリーミングされ、継続的な地図生成が行われる。
• 将来的な遠隔および自律車両運用を支援するため、組織的および技術的統合に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gネットワーク基盤は、移動中の車両から得られるLiDARデータストリームを統合的に更新される地下鉱山地図システムに統合するために、どのように機能するか？
• RQ2 鉱山SoSにおける開発および運用責任をボリデン、車両サプライヤー、運送業者、ソフトウェア開発者間で分配するための実現可能なビジネスモデルの構成は何か？
• RQ3 データフロー、システム信頼性、ステークホルダーの連携という観点から、異なるSoS構成間における技術的および組織的トレードオフは何か？
• RQ4 5G接続LiDARシステムを用いて、動的な地下鉱山環境でリアルタイムかつ高解像度のマッピングをどのように達成できるか？
• RQ5 カンクベルクでの地下鉱山マッピングの持続可能なソフトウェアエコシステムを構築するにあたり、主な促進要因と障壁は何か？

主な発見

• 5Gネットワークは、移動中の車両から中央処理ユニットへの高解像度LiDARデータのリアルタイムストリーミングに不可欠な低遅延・高帯域幅の通信を可能にしている。
• 開発および運用責任の分配が異なる4つの明確に区別されたSoSビジネスモデルシナリオが同定された。
• SWOT分析により、集中型管理はデータの一貫性に優れるが依存度が高くなるのに対し、分散型モデルは柔軟性を高めるが統合の複雑さが増すことが明らかになった。
• 5Gを介したLiDARデータの統合により、継続的に更新され、詳細な地下マップの作成が可能となり、安全性および運用効率が顕著に向上した。
• 本研究は、車両サプライヤーとのより密接な連携およびカンクベルクにおけるソフトウェアエコシステムに関するさらなる実現可能性調査が、システムのスケーラビリティおよび持続可能性を実現するための次なる重要なステップであると結論づけた。