[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于5G的系统-系统（SoS）架构，将配备激光雷达的车辆与坎克贝格地下矿现有的矿井测绘与定位系统集成，实现对地下矿井地图的实时、高分辨率更新。该方法利用5G网络基础设施，统一各利益相关方——博利登公司（Boliden）、车辆供应商、运输公司及软件开发人员之间的数据流，展示了商业模式与技术整合如何通过持续、精确的地下测绘，支持自动驾驶采矿作业。

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.

研究动机与目标

• 解决在动态采矿环境和日益增长的自动化需求下，维持准确、实时更新的地下矿井地图所面临的挑战。
• 研究5G网络如何作为基础架构，将不同系统整合为坎克贝格矿井中统一的系统-系统（SoS）。
• 分析并比较多种商业模式情景，以分配博利登公司、车辆供应商、运输公司及软件开发人员在系统开发与运营中的责任。
• 评估在使用激光雷达与5G连接实现持续、高保真地下测绘过程中，技术与组织层面的权衡。

提出的方法

• 设计一种系统-系统（SoS）框架，通过专用5G网络基础设施将配备激光雷达的车辆与现有的矿井定位与测绘系统连接。
• 定义四种不同的组织情景，用于在博利登公司与外部利益相关方（包括车辆供应商、运输公司及软件开发人员）之间分配系统开发与运营职责。
• 应用SWOT分析与权衡讨论，评估每种SoS情景的技术可行性与商业模式可行性。
• 以PIMM（采矿业工业移动通信试点项目）作为现实世界试验平台，验证5G网络在支持低延迟、高可靠性数据传输以用于测绘应用方面的作用。
• 通过5G网络实时流传输激光雷达传感器的测绘数据至集中式或边缘处理单元，实现持续的地图生成。
• 聚焦于组织与技术整合，以支持未来在地下采矿中实现远程与自动驾驶车辆作业。

实验结果

研究问题

• RQ1 5G网络基础设施如何实现将移动车辆的激光雷达数据流整合到统一、持续更新的地下矿井地图系统中？
• RQ2 在采矿系统-系统（SoS）中，博利登公司、车辆供应商、运输运营商及软件开发人员之间，可行的商业模式配置有哪些，以分配开发与运营责任？
• RQ3 在数据流、系统可靠性与利益相关方协调方面，不同SoS配置之间的技术与组织权衡是什么？
• RQ4 如何利用连接5G的激光雷达系统，在动态地下采矿环境中实现实时、高分辨率测绘？
• RQ5 在坎克贝格矿井建立可持续的地下矿井测绘软件生态系统的关键促成因素与障碍是什么？

主要发现

• 5G网络实现了低延迟、高带宽通信，这对于从移动车辆实时传输高分辨率激光雷达数据至中央处理单元至关重要。
• 识别出四种不同的SoS商业模式情景，每种情景在博利登公司与外部合作伙伴之间对开发与运营职责的分配方式各不相同。
• SWOT分析表明，集中式控制可实现更好的数据一致性，但依赖性更高；而去中心化模式则提升了灵活性，但增加了集成复杂性。
• 通过5G集成激光雷达数据，支持创建持续更新、高细节的地下地图，显著提升了安全性和运营效率。
• 本研究结论认为，与车辆供应商建立更紧密的合作关系，并进一步开展关于坎克贝格软件生态系统的可行性研究，是实现系统可扩展性与可持续性的关键下一步。