露天礦山運輸無人駕駛系統(tǒng)作業(yè)方式

戴 亨，張巴圖

（1.神華準能集團有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2.神華準能集團有限責任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

在國家工業(yè)4.0 和中國制造2025 的戰(zhàn)略引導(dǎo)下，傳統(tǒng)露天礦山正深入推進“兩化”（信息化和工業(yè)化）的高層次深度融合[1]，在新科技的賦能下，發(fā)展智能化乃至無人化采礦技術(shù)、革新礦山開采模式并減少作業(yè)人員的數(shù)量，是大勢所趨[2]。近年來，無人駕駛技術(shù)迅猛發(fā)展，露天礦山以其獨特的環(huán)境條件為無人駕駛技術(shù)落地提供了契機[3]，露天礦山運輸無人駕駛系統(tǒng)（以下簡稱無人駕駛系統(tǒng)）以礦用自卸車“裝載、運輸和卸載”典型作業(yè)為中心[4]，與鉆機、電鏟、推土機、平路機等露天礦作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備配合工作[5]，通過引入無人駕駛系統(tǒng)技術(shù)，把人、環(huán)境、設(shè)備、信息在時間和空間上聯(lián)系到一起，實現(xiàn)露天礦山運輸作業(yè)的完全無人自主運行[6]，有利于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)采運靈活配置，產(chǎn)能柔性調(diào)整，是“智慧礦山”的重要基礎(chǔ)，也是不可缺的前提條件[7]。

1 露天礦山運輸無人駕駛系統(tǒng)

1.1 作業(yè)方式分類

礦山運輸無人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)示意圖如圖1。

為明確無人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)方式中運營方需要關(guān)注、參與的內(nèi)容，將作業(yè)方式分為2 類：

1）正常作業(yè)方式。未出現(xiàn)故障或異常情況，無人駕駛系統(tǒng)以設(shè)計功能提供完整的服務(wù)。

2）降級作業(yè)方式。由于故障或異常情況，無人駕駛系統(tǒng)需要在人員參與下實現(xiàn)故障的恢復(fù)。

1.2 外部關(guān)聯(lián)

無人駕駛系統(tǒng)與外部的接口可分為人員接口與設(shè)備接口。

圖1 礦山運輸無人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)示意圖

1）外部關(guān)聯(lián)人員主要包括：①調(diào)度長：是作業(yè)控制中心（OCC）的主管人員，負責為調(diào)度員與地圖編制員分配工作任務(wù)和緊急情況下的協(xié)調(diào)控制，并對無人駕駛作業(yè)區(qū)的總體運行情況進行監(jiān)控；②調(diào)度員：調(diào)度員監(jiān)督所負責運輸車輛的運行情況，在異常情況下對無人駕駛運輸車輛的運行情況進行干預(yù)；③地圖編制員：負責創(chuàng)建、管理、維護和發(fā)布無人駕駛作業(yè)區(qū)的數(shù)字地圖，簡稱礦山地圖；④停車場操作員：停車場操作員可從無人駕駛系統(tǒng)中獲取到停車場內(nèi)及入口處的車輛位置及狀態(tài)信息；⑤挖掘機操作員：在裝載時負責指揮無人駕駛礦用自卸車；⑥加油操作員：無人駕駛礦用自卸車運行至加油點點時，加油操作員在調(diào)度員的配合下，完成車輛的加油作業(yè)；⑦救援人員：負責對故障的無人駕駛礦用自卸車進行救援；⑧人工駕駛車輛司機：駕駛車輛與地圖編制員配合，共同完成礦山地圖的創(chuàng)建與更新工作。

2）外部關(guān)聯(lián)設(shè)備主要包括：①無人駕駛礦用自卸車：即安裝了無人駕駛設(shè)備的礦用自卸車，調(diào)度員可通過無人駕駛系統(tǒng)向礦用自卸車下發(fā)各種命令，無人駕駛系統(tǒng)控制車輛執(zhí)行這些命令，同時，無人駕駛系統(tǒng)接收礦用自卸車反饋的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，包括實際運行工況、車輛本身狀態(tài)信息、故障信息等，并將其通過顯示界面展示給調(diào)度員；②挖掘機：在挖掘機上安裝定位與通信裝置，通過該裝置無人駕駛系統(tǒng)可實時獲取挖掘機的精確位置及姿態(tài)信息；③人工駕駛車輛：出于安全目的，所有進入無人駕駛作業(yè)區(qū)的人工駕駛車輛均應(yīng)安裝定位與通信裝置。通過該裝置，車輛的基本狀態(tài)信息輸入至無人駕駛系統(tǒng)；④破碎站：無人駕駛礦用自卸車獲取破碎站當前的運行情況，避免在破碎站出現(xiàn)異常的情況下向破碎站卸料；⑤礦用卡車調(diào)度系統(tǒng)：無人駕駛系統(tǒng)可接收并執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)為無人駕駛礦用自卸車分配的作業(yè)任務(wù)；⑥礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)：提供礦區(qū)天氣、邊坡狀態(tài)、火災(zāi)、洪災(zāi)等信息。

2 正常作業(yè)方式

2.1 系統(tǒng)上電自檢

1）車載電氣設(shè)備上電前，須進行以下確認。①停車場工作人員檢查車輛狀態(tài)，確認是否具備上線運行條件；②調(diào)度員確認礦山現(xiàn)場環(huán)境（是否有大雨、大雪、地質(zhì)災(zāi)害等不適合開展礦山作業(yè)的情況），是否具備無人駕駛系統(tǒng)正常工作條件。

2）若正常，調(diào)度員允許停車場工作人員為車輛電氣設(shè)備上電。上電后無人駕駛系統(tǒng)車載設(shè)備進行上電自檢。自檢過程中，無人駕駛系統(tǒng)對車載設(shè)備狀態(tài)、車載傳感器狀態(tài)、車輛基本狀態(tài)進行檢查。自檢結(jié)束后，無人駕駛系統(tǒng)將自檢結(jié)果反饋給調(diào)度員。若自檢通過，系統(tǒng)允許調(diào)度員執(zhí)行后續(xù)作業(yè)，否則系統(tǒng)反饋自檢失敗原因，并等待調(diào)度員進行故障處理。

2.2 遠程啟動發(fā)動機和系統(tǒng)靜態(tài)測試

車載電氣設(shè)備自檢通過后，按如下步驟遠程啟動發(fā)動機：①調(diào)度員通知停車場工作人員離開無人駕駛車輛進入安全區(qū)域；②停車場工作人員進入安全區(qū)域后通知調(diào)度員，調(diào)度員下發(fā)遠程啟動發(fā)動機命令，控制車輛啟動發(fā)動機。

遠程啟動發(fā)動機后，無人駕駛系統(tǒng)將進行靜態(tài)測試。靜態(tài)測試目的是判斷車輛底層執(zhí)行機構(gòu)（如制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等）功能是否正常。靜態(tài)測試的過程為，無人駕駛系統(tǒng)向車輛底層執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送特定的控制指令，并實時接收車輛反饋的執(zhí)行結(jié)果信息，通過控制指令與執(zhí)行結(jié)果的比較來判斷車輛執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)是否正常。

2.3 作業(yè)任務(wù)分配

車輛的日常作業(yè)任務(wù)包括發(fā)車、裝載、排土、卸礦、加油、收車等，并通常包含作業(yè)起點、作業(yè)終點、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)次數(shù)等信息。無人駕駛系統(tǒng)支持外部輸入和調(diào)度員指定兩種方式的作業(yè)任務(wù)分配。

外部輸入方式，指無人駕駛系統(tǒng)具備與礦山智能調(diào)度系統(tǒng)的接口，可接收智能調(diào)度系統(tǒng)向車輛下發(fā)的調(diào)度命令，并將其轉(zhuǎn)換為無人駕駛系統(tǒng)內(nèi)部可用的作業(yè)任務(wù)信息。調(diào)度員分配方式，是指調(diào)度員通過無人駕駛系統(tǒng)手動為車輛指定作業(yè)任務(wù)。

2.4 參考路徑規(guī)劃

收到作業(yè)任務(wù)信息后，無人駕駛系統(tǒng)采用最佳路徑算法為車輛規(guī)劃1 條從作業(yè)起點至作業(yè)終點的參考運行路徑。無人駕駛系統(tǒng)控制下的車輛出發(fā)流程如下：①無人駕駛車載設(shè)備上電自檢和靜態(tài)測試通過；②通過外部輸入方式或調(diào)度員指定方式為車輛分配作業(yè)任務(wù)；③無人駕駛系統(tǒng)為車輛規(guī)劃參考運行路徑；④調(diào)度員確認作業(yè)任務(wù)和參考路徑信息無誤后，車輛自動啟動并駛離停車場。

2.5 聯(lián)合裝載

車輛到達裝載區(qū)后，無人駕駛系統(tǒng)控制車輛與挖掘機配合以實現(xiàn)聯(lián)合裝載[8]。

無人駕駛系統(tǒng)在裝載區(qū)內(nèi)為車輛設(shè)置了候車點，車輛達到裝載區(qū)后：①候車點無車且收到挖掘機司機發(fā)出的“進車信號”，無人駕駛系統(tǒng)控制車輛運行至裝載點停車；②候車點無車但尚未收到挖掘機司機發(fā)出的“進車信號”，無人駕駛系統(tǒng)控制車輛運行至候車點停車等待；③候車點已有車輛排隊，此時無人駕駛系統(tǒng)控制車輛在上一排隊車輛的后方停車等待。

當多車等待裝載時，會形成待裝載隊列，排隊車輛按照“先進先出”進入裝載。

2.6 自動卸載

無人駕駛系統(tǒng)在卸載區(qū)內(nèi)為車輛設(shè)置了候車點，車輛達到卸載區(qū)后：①卸載區(qū)內(nèi)無車作業(yè)，候車點也無車排隊，此時無人駕駛系統(tǒng)控制車輛進入卸載區(qū)并進行自動卸載；②卸載區(qū)內(nèi)有車進行卸載作業(yè)，候車點無車排隊，此時無人駕駛系統(tǒng)控制車輛在候車點停車等待；③卸載區(qū)內(nèi)有車進行卸載作業(yè)，候車點已有車排隊，此時無人駕駛系統(tǒng)控制車輛在上一排隊車輛后方停車等待。

當多車等待卸載時，會形成待卸載隊列，排隊車輛按照“先進先出”進入卸載。

2.7 道路運輸

道路運輸方式指車輛在無人駕駛系統(tǒng)的控制下根據(jù)規(guī)劃路徑在礦山運輸?shù)缆飞线\行的方式。無人駕駛系統(tǒng)在該方式中主要控制車輛沿參考運行路徑行駛[9]。道路運輸涉及3 種工況：雙車道工況、單車道工況和交叉路口工況。

1）雙車道工況。車輛根據(jù)行車規(guī)則行駛在對應(yīng)車道內(nèi)。除非特殊情況（障礙物阻擋），不允許車輛越過中心線。

2）單車道工況。其道路分為單車道區(qū)域、單車道接近區(qū)域。在單車道區(qū)域同一時間僅允許1 輛車通過，不允許會車。單車道接近區(qū)域為停車等候區(qū)，若單車道內(nèi)有對向車輛行駛，則在該區(qū)域停車等候。

3）交叉路口工況。其道路分為交叉路口接近區(qū)域、交叉路口區(qū)域。交叉路口區(qū)域同一時間僅允許1輛車通過，當該區(qū)域內(nèi)已有車輛時，禁止其他車輛進入。交叉路口接近區(qū)域則為車輛停車等候區(qū)，若交叉路口區(qū)域內(nèi)有車輛行駛，則在交叉路口接近區(qū)域停車等候。

2.8 加油和泊車及系統(tǒng)關(guān)閉

1）無人駕駛系統(tǒng)可實時獲取車輛當前的油量信息。當油量不足且車輛為空載時，無人駕駛系統(tǒng)提醒調(diào)度員執(zhí)行加油作業(yè)。執(zhí)行加油作業(yè)時，調(diào)度員須為車輛指定加油任務(wù)，無人駕駛系統(tǒng)為車輛規(guī)劃參考運行路徑并控制車輛前往加油點。車輛到達加油點后，調(diào)度員與加油操作員配合完成加油作業(yè)。加油任務(wù)完成后，無人駕駛系統(tǒng)將控制自卸車繼續(xù)進行之前中斷的工作任務(wù)。

2）停車場泊車。當車輛連續(xù)運行一定時間或因礦山業(yè)務(wù)調(diào)度需要等原因，需返回停車場泊車時，無人駕駛系統(tǒng)為車輛分配收車任務(wù)，任務(wù)中指定了停車點位置信息。無人駕駛系統(tǒng)根據(jù)收車任務(wù)為車輛規(guī)劃參考運行路徑，并控制車輛駛?cè)胪＼噲?，停泊在指定停車點。

3）系統(tǒng)關(guān)閉。車輛泊車后，調(diào)度員向其發(fā)送關(guān)閉發(fā)動機指令，由無人駕駛車載設(shè)備控制車輛關(guān)閉發(fā)動機。發(fā)動機關(guān)閉后，調(diào)度員通知停車場工作人員按下述步驟關(guān)閉車輛電源：①旋轉(zhuǎn)車輛鑰匙至OFF 位置；②關(guān)閉電源總開關(guān)（發(fā)動機電源）；③關(guān)閉車輛系統(tǒng)電源（蓄電池電源）。

3 降級作業(yè)方式

當車輛本身或無人駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)影響行車安全的異?；蚬收蠒r，將進入降級作業(yè)方式，降級作業(yè)方式中通常需要無人駕駛系統(tǒng)控制車輛停車。

3.1 上電自檢異常和靜態(tài)測試異常

1）系統(tǒng)上電自檢異常主要包括：車載設(shè)備未啟動、模式指示燈狀態(tài)異常、車載傳感器自檢異常、車輛本身狀態(tài)異常、通信異常、車載設(shè)備運行異常、車載存儲器異常等。出現(xiàn)上電自檢異常的情況下，若無人駕駛車載設(shè)備已啟動，則切斷車載設(shè)備與車輛的通信接口，并將故障/異常信息反饋給調(diào)度員。

2）靜態(tài)測試異常。靜態(tài)測試異常包括制動系統(tǒng)靜態(tài)測試異常和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靜態(tài)測試異常。若靜態(tài)測試異常，則無人駕駛車載設(shè)備切斷與車輛的通信接口，并將異常信息反饋給調(diào)度員。

3.2 車輛異常和車載傳感器異常

1）車輛異常。車輛異常指車輛本身故障，按故障影響大小可分為警告類故障和停車類故障。警告類故障不影響車輛安全運行，無人駕駛系統(tǒng)檢測到該類故障后將其反饋給調(diào)度員，但繼續(xù)執(zhí)行當前任務(wù)。停車類故障則影響車輛安全運行，無人駕駛系統(tǒng)檢測到該類故障后控制車輛沿參考路徑減速至停車，同時將故障反饋給調(diào)度員。

2）車載傳感器異常。車載傳感器包括激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等。傳感器異常有2 類：①傳感器無信號；②傳感器數(shù)據(jù)異常。當無人駕駛系統(tǒng)檢測到傳感器異常時，會控制車輛沿參考路徑減速至停車，同時將故障反饋給調(diào)度員。

3.3 通信異常

此處所述通信特指無人駕駛系統(tǒng)車載設(shè)備與無人駕駛系統(tǒng)地面設(shè)備間的無線通信。若車載設(shè)備與地面設(shè)備在預(yù)定時間內(nèi)未完成信息交互，則判定通信異常。

通信異常時，無人駕駛系統(tǒng)將控制車輛沿參考路徑減速至停車，并待車輛停穩(wěn)后向車輛發(fā)送停車制動指令。

地面設(shè)備將通信異常信息反饋給調(diào)度員。調(diào)度員收到通信異常后，應(yīng)立即安排救援人員進行現(xiàn)場確認和檢查，必要時指揮救援人員駕駛車輛行駛至安全區(qū)域。

3.4 路徑偏離異常和遠程操縱

1）路徑偏離異常指車輛實際行駛路徑與參考運行路徑的偏差超過設(shè)定值。無人駕駛車載設(shè)備異常、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障、路況惡劣等因素均可導(dǎo)致路徑偏離異常。出現(xiàn)路徑偏離異常時，無人駕駛系統(tǒng)將控制車輛減速至停車，并待車輛停穩(wěn)后向車輛發(fā)送停車制動指令，同時立即將異常信息反饋給調(diào)度員。

2）遠程操縱。當出現(xiàn)裝載點停車偏差、系統(tǒng)故障等異常情況時，調(diào)度員可遠程操縱進行處理。在遠程操縱模式下，調(diào)度員可控制車輛的轉(zhuǎn)向角、車速、制動壓力等值。遠程操縱步驟如下：①選中需遠程操縱的車輛，獲取該車的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)；②通過遠程操縱裝置向車輛發(fā)送轉(zhuǎn)向角、車速、制動壓力等指令控制車輛運行；③在遠程操縱模式下控制車輛運行至期望位置并停車后，下發(fā)停車制動指令；④退出遠程操縱模式。

3.5 障礙物和現(xiàn)境異常

1）車載傳感器檢測到車輛行駛路徑上存在障礙物時，車載設(shè)備將檢測出的障礙物的位置與尺寸發(fā)送給地面設(shè)備。車載設(shè)備與地面設(shè)備分別按照下述策略進行控制。①車載設(shè)備控制策略：基于與障礙物的距離，采用常規(guī)制動或緊急制動確保車輛在安全距離內(nèi)停車；②地面設(shè)備控制策略：地面設(shè)備在礦山地圖上標記出該障礙物，并嘗試為車輛規(guī)劃一條繞過障礙物的參考運行路徑，并通知調(diào)度員對路徑進行確認；無論車輛是否成功繞過障礙物，調(diào)度員都應(yīng)通知道路維護人員及時清理障礙物。

2）環(huán)境異常。無人駕駛系統(tǒng)具有與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的接口，通過該接口可實時獲取礦山環(huán)境信息，包括天氣、火災(zāi)、洪災(zāi)、邊坡狀態(tài)等。當無人駕駛系統(tǒng)獲知發(fā)生影響車輛正常作業(yè)的環(huán)境異常時，應(yīng)提醒調(diào)度員采取措施應(yīng)對。調(diào)度員可采用的應(yīng)對措施包括：降低車輛的最高限速、增大車距、命令車輛回庫、單車緊急停車、所有車輛緊急停車等。

4 結(jié)語

隨著產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化，露天礦山的信息化、智能化成為轉(zhuǎn)型的主要方向。無人駕駛技術(shù)在露天礦山運輸作業(yè)方式的應(yīng)用，為提高礦山安全水平、改善人員作業(yè)環(huán)境、降低人員勞動強度、提高生產(chǎn)效率等方面提供可操作的支持和參考。