[논문 리뷰] From LiDAR to Underground Maps via 5G - Business Models Enabling a System-of-Systems Approach to Mapping the Kankberg Mine

Markus Borg, Thomas Olsson외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 13.

Safety Systems Engineering in Autonomy참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 캔크버그 지하 광산의 기존 광산 맵핑 및 위치 기반 시스템과 라이다를 장착한 차량을 통합하는 5G 기반 시스템오브시스템(SoS) 아키텍처를 제안하며, 실시간으로 고해상도 지ap 업데이트를 가능하게 한다. 이 접근법은 5G 네트워크 인프라를 활용하여 봄리덴, 차량 공급업체, 운반업체, 소프트웨어 개발자 등 이해관계자 간의 데이터 플로우를 통합함으로써, 지속적이고 정확한 지하 맵핑을 통해 자율 광산 운영을 뒷받기할 수 있는 비즈니스 모델과 기술 통합의 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동적인 광산 환경과 증가하는 자동화 요구에 대비하여 정확하고 최신 상태의 지하 광산 지도를 유지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 5G 네트워크가 캔크버그 광산에서 다양한 시스템을 융합하는 통합된 시스템오브시스템(SoS)의 기초 인프라로 어떻게 기능할 수 있는지 조사하기 위해.
• 봄리덴, 차량 공급업체, 운반업체, 소프트웨어 개발자 간의 개발 및 운영 책임을 분담하는 데 있어 여러 비즈니스 모델 시나리오를 분석하고 비교하기 위해.
• 라이다 및 5G 연결성을 활용하여 지속적이고 고해상도의 지하 맵핑을 실현하기 위한 기술적 및 조직적 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 라이다를 장착한 차량을 전용 5G 네트워크 인프라를 통해 기존 광산 위치 기반 및 맵핑 시스템에 연결하는 시스템오브시스템(SoS) 프레임워크를 설계하기 위해.
• 봄리덴 및 외부 이해관계자(차량 공급업체, 운반 회사, 소프트웨어 개발자 포함) 간의 시스템 개발 및 운영을 분담하는 데 있어 네 가지의 명확한 조직적 시나리오를 정의하기 위해.
• 각 SoS 시나리오의 기술적 타당성과 비즈니스 타당성을 평가하기 위해 SWOT 분석과 트레이드오프 논의를 적용하기 위해.
• 5G 네트워크가 맵핑 응용 프로그램을 위한 저지연, 고신뢰성 데이터 전송을 가능하게 하는지 검증하기 위해 실세계 테스트베드로 PIMM(Pilot for Industrial Mobile communication in Mining) 프로젝트를 활용하기 위해.
• 라이다 센서에서 유입되는 맵핑 데이터는 실시간으로 5G 네트워크를 통해 중앙집중식 또는 엣지 기반 처리 장치로 스트리밍되어 지속적인 맵 생성이 이루어지도록 하기 위해.
• 지하 광산에서 향후 원격 및 자율 주행 차량 운영을 지원하기 위해 조직적 및 기술적 통합에 초점을 맞추기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 네트워크 인프라는 이동 중인 차량에서 유입되는 라이다 데이터 스트림을 통합된 실시간 업데이트 지하 광산 지도 시스템에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ2 광산 SoS 환경에서 봄리덴, 차량 공급업체, 운반 운영자, 소프트웨어 개발자 간의 개발 및 운영 책임을 분담하는 데 있어 가능한 비즈니스 모델 구성은 무엇인가?
• RQ3 데이터 플로우, 시스템 신뢰성, 이해관계자 간 협업 측면에서 서로 다른 SoS 구성 간의 기술적 및 조직적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 5G에 연결된 라이다 시스템을 활용하여 동적인 지하 광산 환경에서 실시간 고해상도 맵핑을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ5 캔크버그에서 지속 가능한 소프트웨어 생태계를 구축하기 위한 핵심 추진 요인와 장애 요인은 무엇인가?

주요 결과

• 5G 네트워크는 이동 중인 차량에서 중심 처리 장치로 고해상도 라이다 데이터 스트림을 실시간으로 전송하기 위해 필수적인 저지연, 고대역폭 통신을 가능하게 한다.
• 개발 및 운영 책임의 배분 방식이 다른 네 가지의 명확한 SoS 비즈니스 모델 시나리오가 식별되었으며, 각각 봄리덴과 외부 파artner 간의 책임 분담 방식이 다르게 설정되어 있다.
• SWOT 분석을 통해 중앙집중식 제어는 더 나은 데이터 일관성을 제공하지만 더 높은 의존도를 가지며, 분산형 모델은 더 높은 유연성을 제공하지만 통합 복잡도가 증가한다는 것이 드러났다.
• 5G를 통한 라이다 데이터 통합은 지속적으로 업데이트되는 고상세 지하 맵의 생성을 지원하며, 안전성 향상과 운영 효율성 향상에 크게 기여한다.
• 본 연구는 향후 시스템의 확장성과 지속 가능성 확보를 위해 차량 공급업체와의 더욱 밀접한 협업 및 캔크버그 소프트웨어 생태계에 대한 추가 타당성 연구가 필수적임을 결론 내린다.