礦山無人駕駛技術(shù)及發(fā)展前景分析

汪玥玢

摘要：礦山無人駕駛技術(shù)是智能礦山的重要組成部分，然而其尚未在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。分析了國內(nèi)外礦山無人駕駛技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了礦山無人駕駛系統(tǒng)的構(gòu)成與實際工作情況，對國內(nèi)外無人駕駛技術(shù)進(jìn)行對比和進(jìn)一步探討，總結(jié)了礦山無人駕駛技術(shù)發(fā)展的影響因素，并分析了國內(nèi)礦山無人駕駛技術(shù)的未來發(fā)展前景，可為礦山無人駕駛技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：無人駕駛系統(tǒng);智能礦山;車載自動駕駛;無線通訊;發(fā)展前景

中圖分類號：TD5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）03-0048-03doi：10.11792/hj20200310

礦山無人駕駛技術(shù)是智能礦山的組成部分，包括礦車、礦用裝載機(jī)、鉆機(jī)等采運設(shè)備的無人駕駛，以及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。礦山無人駕駛系統(tǒng)通過系統(tǒng)決策規(guī)劃和車載傳感器對環(huán)境感知，自動駕駛礦用設(shè)備進(jìn)行采運作業(yè)。礦車無人駕駛的優(yōu)勢在于提高生產(chǎn)安全性，提升社會經(jīng)濟(jì)效益。采礦現(xiàn)場環(huán)境惡劣，實現(xiàn)無人駕駛可以有效降低人員安全隱患，節(jié)約運營成本，同時提升品牌效應(yīng)。相較于國外企業(yè)和科研團(tuán)隊的研究與應(yīng)用，國內(nèi)礦山行業(yè)在這個領(lǐng)域還處于初級階段[1]。本文以礦用自卸車為例，分析無人駕駛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展前景。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)沒有無人駕駛技術(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)。參考美國汽車工程師學(xué)會對汽車自動駕駛的分級標(biāo)準(zhǔn)，對礦用機(jī)械領(lǐng)域進(jìn)行如下分級：①L’1輔助駕駛。司機(jī)坐在作業(yè)車輛中，借助傳感器、報警裝置等設(shè)備駕駛作業(yè)車輛，如倒車?yán)走_(dá)、倒車影像。②L’2視距遙控。設(shè)置就近地面控制，司機(jī)觀察現(xiàn)場情況，操縱手柄駕駛作業(yè)車輛。③L’3視頻控制。針對惡劣環(huán)境，設(shè)置遠(yuǎn)程控制，操作員通過視頻監(jiān)控確認(rèn)現(xiàn)場情況，遠(yuǎn)程遙控作業(yè)設(shè)備。④L’4全自動。系統(tǒng)自動駕駛，調(diào)度員只需處理特殊情況和突發(fā)故障[1]。本文討論的礦車無人駕駛技術(shù)屬于L’4等級。

礦車的無人駕駛技術(shù)在北美、西澳、南非均已初步實現(xiàn)。例如：澳大利亞金伯利巴礦山投入使用了卡特彼勒公司的無人駕駛礦用自卸車;美國猶他州賓漢銅礦與美國ASI公司合作，對挖掘機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，開發(fā)并使用了礦山無人駕駛管理系統(tǒng)。針對在用車型，無人駕駛系統(tǒng)改裝技術(shù)也日漸成熟。例如：小松930E、卡特彼勒777D的礦用自卸車改造，沃爾沃A40F鉸接式卡車改造，紐荷蘭L218滑移裝載機(jī)改造等，超過18種車型的改造技術(shù)已在北美、西澳等礦山實現(xiàn)應(yīng)用[2]。對于上述地區(qū)，礦山無人駕駛技術(shù)正處于采運過程全自動向真正數(shù)字礦山發(fā)展的階段。

相較于最前沿技術(shù)，國內(nèi)暫時仍處于單車車載系統(tǒng)試驗階段，概念車和部分試驗成品設(shè)備已陸續(xù)研制。2018年11月27日，徐工集團(tuán)無人駕駛礦車亮相2018上海寶馬車展，證明國內(nèi)已初步具有科技研發(fā)實力，仍需繼續(xù)研究并著力大規(guī)模投入使用。

2 礦山無人駕駛系統(tǒng)

礦山無人駕駛技術(shù)不僅僅是車輛無人駕駛，而是一個完整的系統(tǒng)。從物理層面，礦山無人駕駛系統(tǒng)（見圖1）可以分為3個部分：車載自動駕駛系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和智能礦山管理系統(tǒng)。

2.1 車載自動駕駛系統(tǒng)

直接面向工程現(xiàn)場的車載自動駕駛系統(tǒng)包括主控單元、接口單元、線控液壓制動單元、轉(zhuǎn)動單元、天線、GPS、攝像頭、有/無人切換開關(guān)等組成部分。

線控液壓制動、轉(zhuǎn)動單元操控車輛行進(jìn)，空車速度不超過30 km/h，重車速度控制在10～20 km/h。為保證系統(tǒng)安全，有/無人切換開關(guān)只有在停車狀態(tài)下可以使用，當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況或故障時，由調(diào)度員遠(yuǎn)程駕駛。通常情況下，車載攝像頭不用來控制駕駛，視頻數(shù)據(jù)在需要時可以被調(diào)出查看現(xiàn)場情況。系統(tǒng)實現(xiàn)對環(huán)境的感知（取代了司機(jī)的眼和耳），行駛路徑的決策規(guī)劃（取代了司機(jī)的大腦），車輛行進(jìn)控制（取代了司機(jī)的手和腳），以及數(shù)據(jù)記錄和故障診斷。為保證現(xiàn)場工作安全，降低故障設(shè)備對正常工作的影響，在識別到異常時，車輛設(shè)備會及時開啟安全模式，生成故障區(qū)包絡(luò)，隨著故障時間延長擴(kuò)大包絡(luò)范圍，并向管理系統(tǒng)持續(xù)發(fā)送故障信息，等待維修。

2.2 無線通訊系統(tǒng)

2020年第3期/第41卷 ?機(jī)電與自動控制機(jī)電與自動控制 ?黃 金

無線通訊系統(tǒng)是車載自動駕駛系統(tǒng)和智能礦山管理系統(tǒng)之間溝通的橋梁，保證其為二者提供可靠的通訊服務(wù)是無人駕駛系統(tǒng)實現(xiàn)的必要條件。

無線通訊系統(tǒng)包括基塔無線通信、GPS差分服務(wù)和路側(cè)感知監(jiān)控。需要在采場運輸通道設(shè)立基塔，用于信號放大和傳遞;GPS差分服務(wù)用于提供準(zhǔn)確坐標(biāo);路側(cè)感知監(jiān)控用于應(yīng)對現(xiàn)場復(fù)雜路況和突發(fā)事件。

基于準(zhǔn)確性、可靠性需求，無線通訊系統(tǒng)設(shè)置多制式、多冗余通道。常用通訊制式包括LTE/WIFI/5G等，一套系統(tǒng)至少使用2種制式，一種制式至少開通2條通道。5G網(wǎng)絡(luò)速率快、延時低，但是衰減大，需要基塔多，基于經(jīng)濟(jì)性和通訊效率需求，現(xiàn)場可根據(jù)實際情況自行選擇合理的通訊制式?；嚯x取決于邊沿帶寬，不應(yīng)低于2 Mb/s。

2.3 智能礦山管理系統(tǒng)

從管理層面，無人駕駛系統(tǒng)可以分為4個部分：無人駕駛作業(yè)區(qū)、作業(yè)控制中心、作業(yè)計劃辦公區(qū)和維修區(qū)。無人駕駛作業(yè)區(qū)實現(xiàn)作業(yè)車輛的自助定位、循跡行駛、主動防撞、聯(lián)合裝載、自動卸載、異常處理等功能;作業(yè)控制中心的工作是管理與監(jiān)控，包括礦山地圖、路徑規(guī)劃、運營調(diào)度、運行監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄;作業(yè)計劃辦公區(qū)是系統(tǒng)的決策層，制定車輛作業(yè)計劃表發(fā)給作業(yè)控制中心;維修區(qū)分為2部分，定期維護(hù)和即時故障檢修。

智能礦山管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、地面控制服務(wù)器、中央顯示屏、調(diào)度員工作站、緊急停車按鈕、遠(yuǎn)程操作臺、差分GPS基站等組成部分，是整個系統(tǒng)的核心。正常工作模式下，管理系統(tǒng)完成作業(yè)決策、指揮和記錄任務(wù)，發(fā)生異常時進(jìn)入緊急/非緊急降速模式，礦車行進(jìn)速度不高于5 km/h，保證人員、財產(chǎn)安全。

3 礦山無人駕駛技術(shù)影響因素

礦山無人駕駛系統(tǒng)作為一個完整的系統(tǒng)，不僅支持底層設(shè)備自動運行，更重要的是，提供了一個上層決策單元，可以方便靈活地增減功能單元，而不會影響既存環(huán)節(jié)的正常運轉(zhuǎn)。礦山無人駕駛系統(tǒng)的高度智能特性，可以實現(xiàn)“停車場出發(fā)-裝-運-卸-加油-返回停車場”作業(yè)流程全自動，在人員調(diào)度、資源損耗等方面有絕對的優(yōu)勢。線控制動、轉(zhuǎn)動、位移系統(tǒng)提供了高控制精度，使之具有高度的可靠性。

3.1 環(huán) 境

無人駕駛技術(shù)很大程度依賴于環(huán)境感知的準(zhǔn)確性[3]，路況、天氣等環(huán)境識別判斷對車輛設(shè)備的運行具有多方面的影響。惡劣天氣等極端環(huán)境會導(dǎo)致車輛緊急降速，火災(zāi)等危險情況更是會讓系統(tǒng)緊急停運，有的情況需要系統(tǒng)遠(yuǎn)程人工操作，有的情況需要其他設(shè)備干預(yù)維修。為了提供準(zhǔn)確參數(shù)/變量輸出，系統(tǒng)需要建立足夠龐大的情景數(shù)據(jù)庫[4]，現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜程度和不同礦山的差異性制約了礦山無人駕駛系統(tǒng)的通用水平，拖慢了無人駕駛技術(shù)的推廣速度。

3.2 網(wǎng) 絡(luò)

穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)是無人駕駛系統(tǒng)的必備條件，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，輕則導(dǎo)致現(xiàn)場車輛停運，影響工作效率，重則發(fā)生意外碰撞，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。網(wǎng)絡(luò)影響包括傳輸穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)安全等方面，傳輸穩(wěn)定性方面，需要平衡網(wǎng)絡(luò)通訊速率和經(jīng)濟(jì)成本，為系統(tǒng)提供盡可能可靠的通訊制式;數(shù)據(jù)安全方面，要求系統(tǒng)具備嚴(yán)密的控制邏輯和抗干擾能力。

3.3 經(jīng) 濟(jì)

一套完整的無人駕駛系統(tǒng)包含的軟、硬件成本很高，其中最貴的就是多種多樣的傳感器。需要實現(xiàn)的功能越多，傳感器等配套硬件就越復(fù)雜，成本也就越高。此外，軟件平臺搭建、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻等環(huán)節(jié)，也需要很高的人員、資金投入。極高的成本并不容易被已經(jīng)習(xí)慣傳統(tǒng)工藝的礦山接受，這也制約了無人駕駛技術(shù)的普及和推廣。

4 前景分析

礦山無人駕駛技術(shù)在國外已有較成熟、大規(guī)模應(yīng)用，在全球信息化、智能化的浪潮中，國內(nèi)礦山無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用前景是顯而易見的。目前，國內(nèi)仍未有礦山實現(xiàn)礦車無人駕駛，針對國內(nèi)礦山運行環(huán)境，無人駕駛技術(shù)可以先從簡單礦用設(shè)備如鉆機(jī)、鏟裝設(shè)備的改造入手，逐步提高系統(tǒng)的多樣性和完整性，推進(jìn)礦山智能化。

針對系統(tǒng)暴露的問題，在未來的研究中，仍需要科研人員探討攻克。隨著科技水平提升，礦山無人駕駛技術(shù)會愈加可靠，也更能為礦山生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

近十幾年來，科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，礦山設(shè)備的自動控制水平越來越體現(xiàn)了礦山企業(yè)的核心競爭力。不可否認(rèn)，礦山無人駕駛系統(tǒng)在提高生產(chǎn)效率、降低安全隱患、帶來經(jīng)濟(jì)效益等方面有突出表現(xiàn)，是未來智能礦山必不可少的一部分，需要礦山企業(yè)加快研究與推廣。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 陳延壽.無人駕駛汽車研究動向[J].汽車與配件，2017（6）：44-48.

[2] 株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司.中車礦用自卸車無人駕駛系統(tǒng)介紹[R].株洲：株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，2019.

[3] 王福文.無人駕駛汽車發(fā)展?fàn)顩r及面臨的挑戰(zhàn)[J].滄州師范學(xué)院學(xué)報，2017，3（4）：84-87.

[4] 賈瑞清，孫稚媛，張尚生.關(guān)于無人駕駛汽車存在問題的擬解決方案[J].測控技術(shù)，2018，37（8）：1-4.

Abstract：Driverless technology in mines is an important part of intelligent mines.However，it is not yet widely applied domestically.The paper analyzes the research status of the driverless technology at home and abroad，introduces the structure and practical work status of driverless systems in mines，and compares the driverless technology at home and abroad.Further discussion and research are made.Influence factors of driverless technology development are summarized，and the development prospect of driverless technology in mines at home and abroad is analyzed，which can provide reference for the development of driverless technology in mines.

Keywords：driverless system;intelligent mine;truck-loaded driverless technology;wireless communications;development prospect