5G+工业互联网平台打造中国一拖无人驾驶多农机智能作业平台

获奖等级：河南区域赛一等奖

参与单位：

中国电信集团有限公司洛阳分公司，第一拖拉机股份有限公司

第一拖拉机股份有限公司前身第一拖拉机制造厂，创建于 1955年，是我国“一五”期间兴建的156个国家重点项目之一，是中国农机行业的特大型企业。

一直以来,“农业、农村、农民”的“三农”问题是党和国家最关注的问题，其中农业问题，是核心问题，特别是主粮的生产。农业生产面临的问题：1、劳动力不足、技术作业水平低、生产效率低 2、农业生产场景复杂、单一自动驾驶模式不具备全场景适应能力 3、 原有通讯技术支撑不足，使V2X技术应用困难。

近年来，数字化、自动化、智能化技术在主粮生产领域应用步伐加快，机械化生产与信息化技术深度融合，初步形成了无人化农业概念，引发社会广泛关注。无人化农业系统包括生产信息采集设施、生产作业装备和生产管理平台等三大组成部分，以全过程智能化管控、精准化作业实施为核心，通过数据孪生，指导和驱动主粮生产运行，以实现主粮农业生产的降本、高效、精准、绿色。

本项目研发的无人农机自动驾驶及多机协同技术旨在提升农业生产效率、少人化粮食耕种等问题。

解决方案

该项目建设一个以物联网数据及控制为核心的大田农机管控系统。该系统结合卫星导航、自组通信网络，提供一个包含导航终端、自动驾驶、大数据挖掘的综合农机管控方案。通过各种类型的农机智能终端，提供农机管理、车身数据采集、自动驾驶作业、变量控制作业等功能，平台将充分采集农机实时信息，使移动管理终端具备查询、调度、定位、测量、计算、管理等功能。

1.多农机智能作业平台建设方案

项目目标：多机协同作业系统充分利用北斗GNSS卫星导航高精度定位系统、自动驾驶系统、拖拉机整车控制器多传感器环境感知系统提供的技术能力，解决多台拖拉机如下自主、协同作业问题。

通过多机协同作业解决提高作业效率、降低人工成本、缩短作业时间、适配农艺要求、优化机具匹配问题，实现更高效、可持续的绿色智能农业发展要求。

2.系统设计方案

总体设计方案:

在多机协同作业中心（云平台）完成多机协同的全局协同规划（为全路径规划并且实现静态障碍物避障）；在终端仅进行动态局部协同的实时调整并基于多传感器环境感知/安全策略，实现基本的动态避障和无人驾驶多机协同、单机无人自主驾驶及有人、无人驾驶协同。

多机协同作业系统方案(功能视图)

3.协同终端详细设计

协同作业终端的总体构架如图所示,协同作业终端分为三个部分：系统操作层、算法模块部分和安全/监控层。 

系统操作层根据全路径规划（包括静态避障规划）的多机协同作业路径完成自动驾驶、多机协同作业车辆速度及农具控制控制。算法模块用于提取作业规划路径，进行自动驾驶控制；提取车辆速度控制信息，进行协同速度控制；提取关键点农具控制信息，进行农具控制。安全/系统监控模块完成多机协同作业的实时通讯及状态监控工作。

算法模块、安全/系统监控模块的处理结果会实时到系统操作层进行执行。

系统的上述三个部分路相互独立，实现上也是三个不同实体。协同映射点管理是协同作业算法的关键，通过映射点，完成协同需要的速度局部调整。关键节点控制的输出结果对应不同作业阶段的农具操作控制。将提取的规划路径信息和上述解析内容分别发送给自动驾驶控制器、整车控制器完成协同作业需要的自动驾驶和农具控制。

协同作业终端的总体构架

主从拖拉机均运行上述三个部分，通过自组网通信设备进行位置、速度、对应轨迹点序号等信息交互。即所有导航相关处理均在本机进行（边缘计算），据此提高整个多机协同作业系统的可靠性，即使短暂出现无线通信链路故障，多机协同作业可继续进行。

4.5G网络建设方案

5G主要应用场景:

根据一拖智慧农业示范园的整体需求和业务特征，通过部署5G定制网，为项目中以下场景提供5G接入能力：

场景1：信息采集与控制类：农业数据采集，设备远程控制、5G 产线数据采集；

场景2：多机协同远控类：无人农机控制、自动驾驶数据回传。 

建设方案

5G定制网总体认识：中国电信 5G 定制网是“网定制、边智能、云协同、X 随选”融合协同的综合解决方案，目标是为行业客户打造一体化定制融合服务，实现“云网一体、按需定制”。

考虑一拖智慧园区对时延、大带宽以及未来局部区域的大连接的需求，采用比邻模式的5G定制专网的建设方案。

为满足一拖智慧园区5G定制网各单元设备互联，若后期有需求，中国电信洛阳分公司将对园区进行全光纤网络建设，可将OLT等设备下沉至园区数据中心机房。各部门全部采用光纤与中心机房互联，并且园区内配置5G设备远端、5G CPE、交换机等设备，以实现园区内移动设备的5G、WIFI的无线信号覆盖和非移动设备的光纤、办公网、智慧农业管理系统（SAM）、企业资源系统（BPS）、生产执行系统（MES）等的需求，并根据业务需要灵活选取设备接入方式，控制网络使用成本。

网络建设：根据项目需求和业务特征，洛阳电信为园区新建5G网络，通过SA网络支持网络切片。支持终端接入室分站。核心网侧采用UPF下沉（UPF设备部署在园区数据机房区），为园区提供业务隔离、业务加速、高带宽、低时延服务；园区网络由洛阳电信统一管理，实现建、维、优、保一站式服务，本次覆盖园区面积约70万平方米。

基站信号覆盖图

厂区规划UPF下沉，采用1+1的2U的E9000H-2 UPF设备进行部署，使园区具备数据本地分流能力的同时，还具备本地容灾能力。

网络拓扑图

商业模式

建立“中国一拖智能农机协作平台+中国电信天翼云及5G网络+第三方合资经营”的运营机制，形成责权利对等、专业化管理、可复制推广的新型农业作业服务模式。中国一拖的产品在黑龙江、新疆、河南、江苏、陕西等全国主要粮食产区开展了针对不同农艺、作物的示范和规模化应用。销售能拖拉机500多台，智能终端100000多套。

应用成效

社会效益：

1.推动农业生产方式转变：先进、高端、智能、成套农机装备在农业生产领域的广泛应用和推广，将有力提升农业生产机械化水平，促进农业生产方式向“企业+综合农事服务”转变，引领农事服务发展。

2.提升农业作业综合效益：专业化、社会化、精准化综合农事服务的发展，将有利于提高农业作业质量，降低农业作业社会平均成本，形成规模化农田作业，提升农业综合效益。

3.拓宽农民就业增收渠道：业生产服务方式的转变，将解放更多农村劳动力，加快职业农民的快速发展，为农民就业、农民增收拓宽了渠道。

4.提升农业生产能力：农业生产作业全过程综合服务的快速发展，满足农业生产各个作业环节的机械化要求，促进农业生产模式转变，实现农机农艺高质量融合，不断提高农业生产能力。

5.帮助政府解决“三农” 难题：随着农业全程机械化和农事综合服务规模、水平对不断提升，将帮助地方政府解决“有机无地、有地无机，发展不平衡、不充分” 难题，促进农业农村现代化水平。

生态效益：

1.促进农业生产资源集约使用，促进农业可持续发展。农事综合服务可为农艺安全提供保障，提高农作物产量、质量，促进农业环境改善，推动农业生产资源集约高效。

2.减少环境破坏，推动农业绿色发展。用精准农业技术减少农业生产作业过程中肥、药等生产资料的使用量，提高农田生产环境、农作物生长环境，加快推进农业绿色发展。

3.提高农机使用效率，加速农业机械化水平的提升。成套、高端、智能农机装备的广泛使用，在提升农机作业效率、农业生产效率对同时，有利于农业机械化发展水平迈向高级阶段。