西灣露天煤礦110 t大型礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

白怡明

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

西灣露天煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)的中部，設(shè)計生產(chǎn)能力15.0 Mt/a，巖石剝離工程設(shè)備選用4臺32 m3的單斗挖掘機，匹配18臺額定載重110 t的自卸卡車。采煤工程選用1臺斗容為49 m3的單斗挖掘機，匹配7臺額定載重為110 t的自卸卡車。

近年來，隨著國家對智能化礦山的迫切需求，利用人工智能技術(shù)及先進的感知裝備來實現(xiàn)智能化礦山已成為國內(nèi)煤礦行業(yè)智能化建設(shè)的發(fā)展方向[1-2]。神華集團西灣露天煤礦基于“少人則安，無人則安”的安全管理理念，以建設(shè)一個先進、高效、低成本、低環(huán)境污染，安全生產(chǎn)的智能化煤礦為目標(biāo)，設(shè)計一套110 t大型礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)。

目前礦用大型卡車是露天煤礦的主要運輸手段，很多礦山每天24 h工作，工作環(huán)境包括噪音，灰塵，顛簸，高溫，高濕，劇烈振動等對設(shè)備操作人員傷害極大的危害[3]。110 t大型礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)是一套云、管、端的智能化整體系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)是由智能感知系統(tǒng)、高精定位系統(tǒng)[4-5]、通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)平臺與集群卡車調(diào)度控制系統(tǒng)結(jié)合起來的一套礦山運輸無人駕駛系統(tǒng)[6]。無人駕駛系統(tǒng)將操作工人由原先的高強度，高危險的作業(yè)環(huán)境改在安全的調(diào)度指揮監(jiān)控中心[7]，消除了行駛誤差而引起的生產(chǎn)事故，減少了15%的運輸成本，由于無人駕駛的使用，規(guī)范了駕駛方式，增加了礦用卡車輪胎，懸掛油缸等多種重要部件的使用壽命。實現(xiàn)在卡車集群調(diào)度指揮中心遠程控制車輛的無人運輸，行駛的目的[8]。

1 110 t大型礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)包含智能感知系統(tǒng)、高精定位系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)平臺與集群卡車調(diào)度系統(tǒng)4大部分。其中智能感知系統(tǒng)、高精定位系統(tǒng)可以適配礦山多種車輛，可對其現(xiàn)有車輛進行改造升級實現(xiàn)。通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)平臺與集群卡車調(diào)度系統(tǒng)是露天煤礦自動化調(diào)度系統(tǒng)的組成部分，通過優(yōu)化卡車運輸，有效降低總運輸時間和設(shè)備銜接過程的等待時間，實現(xiàn)智能調(diào)整生產(chǎn)和安全生產(chǎn)。

1）智能感知與高精定位系統(tǒng)。礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)是礦山智能化無人開采系統(tǒng)中的重要組成部分，該系統(tǒng)要求每一臺礦山卡車都安裝有主控制器、1個高精度GPS、1套激光及超聲波雷達偵測系統(tǒng)和1個無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，車輛智能感知與高精定位安裝示意圖如圖1。

圖1 車輛智能感知與高精定位安裝示意圖

2）通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)與集群卡車調(diào)度系統(tǒng)。利用地面4G或5G的高速及高帶寬的無線環(huán)網(wǎng)，建立連接地面挖掘機、卡車、推土機等運輸設(shè)備與礦山卡車集群調(diào)度監(jiān)控中心的橋梁，建立語音實時通信系統(tǒng)，利用三維BIM技術(shù)，在調(diào)度監(jiān)控中心內(nèi)虛擬形成礦區(qū)場地的3D模型，實現(xiàn)在地面調(diào)度監(jiān)控中心對卡車集中控制及遠程調(diào)度管理。

1.2 系統(tǒng)原理

礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)由一個裝備了高精度GPS定位系統(tǒng)的集群調(diào)度指揮中心管理，為每輛車預(yù)先指定運輸目的地，通過車載的多種傳感器及智能感知系統(tǒng)來感應(yīng)車輛周圍的運行環(huán)境，以合適的速度，規(guī)劃車輛的運行路徑行駛至目的地，卡車由GPS定位、主控制器和其它智能感知系統(tǒng)來確定車輛在作業(yè)區(qū)內(nèi)的準(zhǔn)確坐標(biāo)以及車輛周圍的情況，使得卡車能在無人操作的情況下自動實現(xiàn)復(fù)雜的裝載、運輸和卸載等作業(yè)任務(wù)。由挖掘機或裝載機的高精度GPS系統(tǒng)發(fā)出工作信號并傳至卡車的主控制器，引導(dǎo)卡車行駛至最佳的工作位置，保證準(zhǔn)確裝卸載。同時為了避免與場區(qū)作業(yè)區(qū)內(nèi)其它作業(yè)車輛，挖掘機、服務(wù)車和別的大型設(shè)備發(fā)生碰撞，無人駕駛系統(tǒng)配備一套障礙物偵測系統(tǒng)，用于幫助礦山卡車在無人行駛中如果發(fā)現(xiàn)行走路線上有其它車輛或人時，能有效的躲避它們。

礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)實現(xiàn)了調(diào)度指揮人員遠程控制大型礦山卡車運輸工作，能深入更危險的地方載運礦石，減少工作意外，為煤礦穩(wěn)定高效生產(chǎn)提供了堅實的技術(shù)支持和安全保障。

2 無人駕駛系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能感知

礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)首先要實現(xiàn)卡車的自動運輸與裝卸載，當(dāng)?shù)V用自卸車啟動后，礦用卡車可以預(yù)先自動駕駛至裝載位，實現(xiàn)自動裝料，完成后自動行駛，依據(jù)事情規(guī)劃的路徑駛出場區(qū)。110 t礦用無人駕駛卡車選用北方股份NTE150系列，該車輛配有一套智能環(huán)境感知系統(tǒng)，通過安裝在車輛周圍的激光雷達、毫米波雷達獲取車輛周圍的二維、三維距離信息，通過主控制器的計算機識別技術(shù)對距離信息進行多維感知，精準(zhǔn)判斷。通過高清攝像儀實時采集車輛周圍的二維、三維圖形信息，上傳至主控制器，最終還可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至指揮調(diào)度中心，使無人駕駛車輛通過多維度獲得車輛周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)。多輛車間的主控制器具有車間通信聯(lián)絡(luò)功能，基于全礦井的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)，在多車輛共享道路，多車輛綜合運輸系統(tǒng)中集中統(tǒng)一管理，減少車輛行駛錯誤，提高安全保障。

2.2 智能避障技術(shù)

無人駕駛礦山卡車擁有先進的智能避障功能。在遇到周圍障礙物后，卡車的主控制器根據(jù)智能感知系統(tǒng)判斷障礙物的類型及大小，無論障礙物屬于什么性質(zhì)，主控制器都可以做出準(zhǔn)確辨別，制定最佳的避障路徑或減速停車等處理方式?？梢哉f，智能避障系統(tǒng)是礦山無人駕駛安全行駛的必要前提。NTE150礦山車輛的智能避障系統(tǒng)可分為3個方面。

1）運動障礙物檢測。運動障礙物檢測是基于車輛周圍安裝的激光雷達和毫米波雷達來實現(xiàn)的，可以根據(jù)檢測到不同障礙物在不同時刻的狀態(tài)來分析障礙物的分布，將不同時刻智能感知系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到一個坐標(biāo)系中，分析障礙物的時間與空間屬性，來識別是動態(tài)障礙還是靜態(tài)障礙，提高了障礙識別效率。

2）運動障礙物碰撞軌跡預(yù)測。無人駕駛卡車感知系統(tǒng)需要識別和追蹤多個運動目標(biāo)，包括其他車輛與行人?；谥骺刂破鞲兄到y(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過在物體識別算法中增加噪音識別，來降低物體可能被遮擋或識別系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的物體短暫時間有識別或不識別的錯誤率。

3）運動障礙物避障。運動障礙物避障系統(tǒng)的本質(zhì)是路徑規(guī)劃的過程，在路段上有未知障礙物的情況下，按照一定運行標(biāo)準(zhǔn)，尋找1條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無碰撞路徑。無碰撞路徑分為2大類，全局規(guī)劃與局部規(guī)劃。全局規(guī)劃指利用已知全局環(huán)境參數(shù)，運輸任務(wù)等環(huán)境變量，在已知障礙物的全局地圖中遵循節(jié)能，高效運行的方式尋找最佳的的無障礙無碰撞路徑，智能障礙物避障網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

圖2 智能障礙物避障網(wǎng)絡(luò)圖

2.3 機器人駕駛＋嵌入式線控系統(tǒng)

機器人駕駛系統(tǒng)由控制器，方向盤手臂及側(cè)向踏板轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)組成，可以在現(xiàn)有大型礦用卡車上升級改造完成，可以實現(xiàn)人機隨時切換，幫助其實現(xiàn)自動駕駛，穩(wěn)定性高。NTE150礦山車輛采用CAN－Bus的嵌入式線控系統(tǒng)，包括節(jié)氣門線控，轉(zhuǎn)向線控，制動線控和變速箱線控。礦山卡車具有自重大，剎車距離長等特點，嵌入式線控系統(tǒng)改造后可以通過機器人駕駛系統(tǒng)主控制器的控制算法，高效的執(zhí)行無人自動駕駛的命令。以實現(xiàn)大型礦用卡車的車輛外部雙重控制系統(tǒng)。

2.4 通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)

由于露天煤礦大型成套設(shè)備系統(tǒng)種類繁多，相互配合運轉(zhuǎn)，設(shè)備的運行順序、響應(yīng)速度、正確性、穩(wěn)定性等要求高。目前各設(shè)備廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品接口方式及通信協(xié)議種類繁多，難以形成統(tǒng)一的通用平臺協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，造成設(shè)備與設(shè)備之間信息孤島，誤動作等，基于工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP的融合技術(shù)，設(shè)計建設(shè)4G無線寬帶通信平臺，此平臺基于TDD－LTE華為技術(shù)，具有遠程調(diào)度、智能化視頻監(jiān)測、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，具備了后續(xù)擴展能力，可以平滑過渡到5G通信平臺。系統(tǒng)具有以下特點：

1）系統(tǒng)兼容性好，具備語音調(diào)度、通話、對講的能力，而且能夠?qū)F(xiàn)有自動化系統(tǒng)通過TCP／IP通信制式接入無線網(wǎng)絡(luò)，能夠處理目前露天煤礦多種系統(tǒng)和機電設(shè)備相互之間的通訊和操作問題。

2）工業(yè)以太網(wǎng)TCP／IP使用的是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，能夠支持目前國內(nèi)多個廠家的現(xiàn)生產(chǎn)的設(shè)備，安裝調(diào)試快速且方便，穩(wěn)定性高。

3）露天礦具有作業(yè)范圍廣、大型移動設(shè)備較多、設(shè)備配置及生產(chǎn)過程復(fù)雜、自動化程度要求高、各環(huán)節(jié)銜接密切等突出特點，工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP能夠支持大數(shù)據(jù)量的遠距離傳輸，能夠有效保證多種系統(tǒng)同時運行的可靠性。

2.5 集群卡車調(diào)度系統(tǒng)

集群卡車調(diào)度系統(tǒng)是礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)中的一個重要應(yīng)用，集群卡車調(diào)度系統(tǒng)是通過在調(diào)度指揮中心遠程監(jiān)控電挖掘機，電鏟，礦用卡車等礦區(qū)內(nèi)大型設(shè)備的實時定位，軌跡回放，進行合理集群分組調(diào)度，安全狀態(tài)監(jiān)測。保證挖掘機，電鏟，礦用卡車的最佳生產(chǎn)率，合理規(guī)劃礦卡路線，減少形式路程及無效的等待時間，統(tǒng)一調(diào)度其他輔助設(shè)備及物資。經(jīng)實踐數(shù)據(jù)表明，集群卡車調(diào)度能提升生產(chǎn)效率10%～15%，降低油耗5%～ 10%。調(diào)度系統(tǒng)具有以下功能：

1）實時跟蹤監(jiān)控礦區(qū)內(nèi)各個設(shè)備的位置及作業(yè)狀態(tài)，出線異常或事故及時報警。

2）實時監(jiān)控統(tǒng)計各車隊，設(shè)備的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自動生產(chǎn)報表，定期優(yōu)化作業(yè)方案，提高作業(yè)效率。

3）不同的作業(yè)小隊，通信互不干擾，各小隊間通過調(diào)度指揮中心互通，保證各小隊作業(yè)配合與及時銜接。

4）具有視頻和語音的融合通信功能，能隨時調(diào)取大型礦用設(shè)備周圍的智能感知系統(tǒng)。

5）可以接入其他生產(chǎn)輔助監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，如邊坡監(jiān)測，移動變電站監(jiān)測，疏干排水監(jiān)控等系統(tǒng)，保障露天礦生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率。

3 無人駕駛系統(tǒng)優(yōu)勢

西灣露天煤礦礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)處于全國行業(yè)先進水平，基本實現(xiàn)了礦山卡車自主裝卸，自主尋跡駕駛，智能避障技術(shù)等，在安全性和后期經(jīng)濟性上具有無可替換的巨大優(yōu)勢。

1）生產(chǎn)時，大型設(shè)備無人跟機作業(yè)，從根本上解決司機的安全保障，實現(xiàn)“零”傷亡。

2）大幅減少人為操作失誤和設(shè)備損失，節(jié)約油耗及電量5%～10%，節(jié)能環(huán)保水平明顯提升。

3）大幅降低人工運維成本和燃料成本，并有效的避免了由于人為野蠻操作而造成的設(shè)備維修成本的增加，提高綜合經(jīng)濟效益10%以上。

4）實現(xiàn)人機遠程交互功能，工作環(huán)境變更室內(nèi)調(diào)度指揮控制中心，增加了工人的幸福指數(shù)。

5）利用云平臺大數(shù)據(jù)智能化管理，通過集群卡車調(diào)度系統(tǒng)，優(yōu)化了挖掘機和車輛管理模式，提高了工作效率。

4 結(jié)語

概述了西灣露天煤礦的110 t大型礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)，礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用給煤礦帶來較高經(jīng)濟效益，降低了員工的勞動強度，大力推進了煤礦行業(yè)在我國智能化的進展。

現(xiàn)階段大型礦山卡車無人駕駛系統(tǒng)在我國露天煤礦行業(yè)發(fā)展時間較短，仍有改進和發(fā)展的空間。僅目前實現(xiàn)的無人挖掘機裝載、自動裝卸、自動軌跡行駛、自主避障等還不能充分適應(yīng)露天煤礦的特殊工作環(huán)境。我國露天煤礦礦山道路復(fù)雜并經(jīng)常調(diào)整出入溝等礦山道路，存在較為復(fù)雜的車輛調(diào)配情況。長期運行下，無人駕駛系統(tǒng)的精確性，可能發(fā)生的其他潛在問題等有待加強提高；需要一套從感知、決策、控制到云平臺的全套無人駕駛解決方案，并且加速推進無人駕駛在露天煤礦的應(yīng)用，礦區(qū)無人駕駛的應(yīng)用可以大幅提高礦區(qū)的安全生產(chǎn)工作，徹底解決礦區(qū)司機招聘困難、管理困難的問題，通過智能化平臺大數(shù)據(jù)的支撐，提高礦山的綜合運營效益。