準(zhǔn)東露天煤礦5G+卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

高金龍，蔡明祥，王識(shí)輝

（國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司 準(zhǔn)東露天煤礦，新疆 昌吉831799 ）

隨著人工智能、傳感檢測(cè)等高新技術(shù)的不斷突破，數(shù)字化發(fā)展日益突出，智能制造己上升為國(guó)家戰(zhàn)略，迅速推進(jìn)智慧礦山建設(shè)，探索出一條具有礦業(yè)特色的智能制造新道路已時(shí)不我待[1-2]。運(yùn)輸是露天礦開(kāi)采工藝中主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一,也是最容易出現(xiàn)事故的環(huán)節(jié)[3]。礦山環(huán)境惡劣招工困難，運(yùn)輸成本高等問(wèn)題，礦山運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用無(wú)人駕駛卡車(chē)代替有人駕駛卡車(chē)具有現(xiàn)實(shí)的需求，而且露天礦山作業(yè)場(chǎng)景相對(duì)封閉，物料運(yùn)輸都是點(diǎn)到點(diǎn)的作業(yè)過(guò)程，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦山運(yùn)輸采用無(wú)人駕駛技術(shù)已具有了可行性[4]。將無(wú)人駕駛技術(shù)運(yùn)用到露天礦運(yùn)輸環(huán)節(jié)，有助于降低生產(chǎn)成本，提高運(yùn)輸效率，減少運(yùn)輸安全事故發(fā)生[5]。無(wú)人化礦用卡車(chē)未來(lái)將更加智能化，應(yīng)用規(guī)模也會(huì)越來(lái)越大，在未來(lái)礦用卡車(chē)在設(shè)計(jì)時(shí)，將會(huì)考慮無(wú)人駕駛因素，傳感器和智能系統(tǒng)一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用[6]。

1 露天礦無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)70 年代初，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始對(duì)無(wú)人駕駛技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)行研究[7]?？ㄌ氐牡V山之星系統(tǒng)（生產(chǎn)協(xié)同系統(tǒng)）在澳大利亞所羅門(mén)鐵礦進(jìn)行了應(yīng)用，使用240 t 級(jí)卡特?zé)o人駕駛卡車(chē)，到2019 年底無(wú)人駕駛卡車(chē)達(dá)到72 臺(tái)。小松自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)（AHS）在澳大利亞、北美洲和南美洲的礦山進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用該系統(tǒng)的無(wú)人駕駛自卸卡車(chē)約有121 臺(tái)。ASI Mobius系統(tǒng)在南非和美國(guó)的礦山進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用ASI 無(wú)人駕駛自卸卡車(chē)約30 臺(tái)。根據(jù)美國(guó)SAE International國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)發(fā)布的無(wú)人駕駛配置分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外的這些無(wú)人駕駛等級(jí)為L(zhǎng)4 級(jí)別[8]。

目前國(guó)內(nèi)從事礦山無(wú)人駕駛系統(tǒng)研發(fā)的廠家主要有踏歌智行、慧拓智能、易控智駕、中車(chē)株洲、徐工集團(tuán)等，主要采取和礦用卡車(chē)主機(jī)廠商合作的模式，提供礦區(qū)自動(dòng)駕駛運(yùn)輸解決方案和產(chǎn)品。在技術(shù)路線選擇上，主要采用云端智能調(diào)度+V2X+單車(chē)智能模式，礦車(chē)采用線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)，借助激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視覺(jué)分析，以及V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提升單車(chē)主動(dòng)安全能力，基本實(shí)現(xiàn)高安全性的自動(dòng)駕駛。

國(guó)外軟件系統(tǒng)相對(duì)成熟，已大規(guī)模商用，并得到市場(chǎng)的認(rèn)可。國(guó)內(nèi)軟件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)駕駛礦卡、遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)等相關(guān)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范；自主開(kāi)發(fā)軟件，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與算法應(yīng)用已逐步完善和成熟，系統(tǒng)在后續(xù)應(yīng)用、維護(hù)等方面更具優(yōu)勢(shì)；處于試驗(yàn)與試商用階段，缺乏市場(chǎng)充分驗(yàn)證。

2 5G+卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)研究方案

對(duì)礦用寬體車(chē)進(jìn)行線控化改造，并在線控車(chē)輛基礎(chǔ)上安裝無(wú)人駕駛所需的控制單元、定位感知傳感器和配套通信設(shè)備。通過(guò)參數(shù)適配和算法調(diào)節(jié)，使線控車(chē)輛具備適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)景的無(wú)人駕駛功能。

建設(shè)無(wú)人駕駛所需的調(diào)度指揮中心和數(shù)據(jù)中心，提供調(diào)度指揮場(chǎng)所和無(wú)人駕駛調(diào)度管控平臺(tái)所需的計(jì)算存儲(chǔ)平臺(tái)。同步建設(shè)覆蓋無(wú)人駕駛區(qū)域的5G 網(wǎng)絡(luò)，滿足無(wú)人駕駛通信需求。

采掘設(shè)備、輔助設(shè)備安裝協(xié)同作業(yè)交互終端系統(tǒng)，使其具備人機(jī)交互、定位、通信及數(shù)據(jù)采集功能，完善采剝工藝中的配套生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)。

以上內(nèi)容建設(shè)完成后，通過(guò)無(wú)人駕駛?cè)旌蜻B續(xù)運(yùn)行，完善工藝參數(shù)和算法，積累運(yùn)行數(shù)據(jù)。后續(xù)建設(shè)遠(yuǎn)程遙控駕駛艙和VPN 數(shù)據(jù)專線，提高無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

2.1 卡車(chē)線控化改造

對(duì)現(xiàn)有同力I65 礦用寬體車(chē)，依托生產(chǎn)廠進(jìn)行線控化改造，優(yōu)化卡車(chē)自動(dòng)駕駛硬件配置前裝匹配、通信協(xié)議匹配及全新無(wú)駕駛室線控車(chē)型重塑，使改造后寬體車(chē)具備無(wú)人駕駛系統(tǒng)線控功能并完成性能測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)車(chē)輛對(duì)障礙物的識(shí)別和動(dòng)靜態(tài)區(qū)分，檢測(cè)可行駛區(qū)域，并對(duì)區(qū)域的障礙物進(jìn)行提取。

2.1.1 卡車(chē)外部改造

1）正前方。布置1 個(gè)長(zhǎng)距離激光雷達(dá)+1 個(gè)長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)，兩者均布置在前方中間檔板上，激光雷達(dá)在上，毫米波雷達(dá)在下。覆蓋前方距離150 m、180°范圍。

2）兩側(cè)前角。各布置1 個(gè)長(zhǎng)距離激光雷達(dá)+1 個(gè)向下中短距離激光雷達(dá)。遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)覆蓋側(cè)方和前方150 m，270°左右范圍；短距離激光雷達(dá)覆蓋兩側(cè)雷達(dá)附件范圍。

3）后方。布置1 個(gè)中短距離激光雷達(dá)，覆蓋后方50 m 范圍。

2.1.2 卡車(chē)內(nèi)部改造

1）增加胎溫臺(tái)壓傳感器。該操作可以讓無(wú)人駕駛車(chē)輛每個(gè)輪胎的胎壓得到實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效減少輪胎因胎壓和溫度引起的爆胎，石頭刺爆后能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修，增加車(chē)輛的安全性。

2）加裝應(yīng)急制動(dòng)。為整車(chē)行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)增加冗余保護(hù)，當(dāng)車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)介入，防止車(chē)輛出現(xiàn)危險(xiǎn)。

3）加裝應(yīng)急轉(zhuǎn)向液壓泵。當(dāng)無(wú)人駕駛車(chē)輛主轉(zhuǎn)向液壓泵出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)急轉(zhuǎn)向液壓泵會(huì)及時(shí)介入，保證壓力持續(xù)供應(yīng)且不失去轉(zhuǎn)向能力。

4）升級(jí)無(wú)人駕駛系統(tǒng)車(chē)載計(jì)算平臺(tái)。可以提高無(wú)人駕駛系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

2.2 無(wú)人駕駛調(diào)度中心建設(shè)

無(wú)人駕駛調(diào)度中心是在云端建立調(diào)度指揮平臺(tái)，對(duì)無(wú)人駕駛礦車(chē)進(jìn)行集中調(diào)度監(jiān)控，為每輛車(chē)指定運(yùn)輸目的地，車(chē)輛通過(guò)接收無(wú)線指令以合適的速度、按照確定的路線運(yùn)行至目的地，并完成相關(guān)作業(yè)操作。無(wú)人駕駛車(chē)輛通過(guò)平臺(tái)信息、自身定位和感知系統(tǒng)來(lái)確定礦山上的運(yùn)行坐標(biāo)以及周?chē)沫h(huán)境情況，使得車(chē)輛能在自主操作的情況下實(shí)現(xiàn)裝載、運(yùn)輸和卸載的循環(huán)作業(yè)。

2.3 5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)

卡車(chē)無(wú)人駕駛應(yīng)用場(chǎng)景主要分為車(chē)輛編隊(duì)行駛、高級(jí)駕駛、傳感器信息交互、遠(yuǎn)程遙控駕駛，這4類V2X 業(yè)務(wù)對(duì)通信技術(shù)提出了更高的要求，除了要求時(shí)延低，還必須保證網(wǎng)絡(luò)可靠性強(qiáng)、吞吐量大、安全性能高[9]。依托5G 大帶寬、低時(shí)延、高可靠網(wǎng)絡(luò)特性，實(shí)現(xiàn)通過(guò)遠(yuǎn)程智能駕駛平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)端車(chē)輛的全向監(jiān)控和智能遠(yuǎn)程控制，其系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)交互與控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及控制和平臺(tái)3 部分。在無(wú)人駕駛車(chē)輛裝載區(qū)域、運(yùn)輸?shù)缆贰⑴磐羺^(qū)域布設(shè)5G 基站，采用非獨(dú)立主網(wǎng)絡(luò)方式，保證試驗(yàn)區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。同時(shí)在試驗(yàn)期間，隨著采裝作業(yè)區(qū)域變化，對(duì)5G 基站進(jìn)行移設(shè)，保證試驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好。無(wú)人駕駛系統(tǒng)5G 架構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 無(wú)人駕駛系統(tǒng)5G 架構(gòu)示意圖

2.4 車(chē)端無(wú)人駕駛系統(tǒng)建設(shè)

硬件設(shè)備方面，車(chē)端無(wú)人駕駛系統(tǒng)需要有計(jì)算平臺(tái)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、組合導(dǎo)航、V2X 模塊等，從功能角度，車(chē)端無(wú)人駕駛系統(tǒng)具備環(huán)境感知、融合定位、決策規(guī)劃、運(yùn)行控制和電控單元等功能。

1）環(huán)境感知。通過(guò)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、相機(jī)（輔助）、V2X 等模塊的相互融合感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物、擋墻、道路和落石等的識(shí)別，以及動(dòng)態(tài)障礙物的軌跡預(yù)測(cè)等。

2）融合定位。主定位采用差分衛(wèi)導(dǎo)（RTK+GNSS）+慣導(dǎo)（IMU）的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其中衛(wèi)導(dǎo)（GNSS）采用多模接收，即同時(shí)兼容北斗、GPS 等多套衛(wèi)星定位系統(tǒng)。主定位工作時(shí)，會(huì)基于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)（車(chē)速、車(chē)身姿態(tài)等）進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡推算的輔助定位，并結(jié)合主定位進(jìn)行數(shù)據(jù)校核和融合。

3）決策規(guī)劃。根據(jù)路線布設(shè)和云端網(wǎng)絡(luò)地圖，對(duì)無(wú)人車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程優(yōu)化調(diào)整，比如停車(chē)、卸料、繞行等命令，針對(duì)周?chē)h(huán)境實(shí)時(shí)感知在云端實(shí)時(shí)規(guī)劃行走路線。

4）運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制功能是對(duì)無(wú)人車(chē)輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、變速等與車(chē)輛靈敏度相關(guān)的指令進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控。目前運(yùn)行的同力礦用寬體車(chē)車(chē)輛均采用同力重工全新線控底盤(pán)。該底盤(pán)是同力重工在855 車(chē)型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)正向的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)線控化（線控車(chē)輛型號(hào)I65），通過(guò)EPS 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向線控，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)線控，通過(guò)EBS、緩速器、排氣制動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)線控。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目建設(shè)和試運(yùn)行區(qū)域情況

準(zhǔn)東露天礦在采場(chǎng)西幫地表區(qū)域從南向北布設(shè)了5 座5G 基站，覆蓋范圍約4 km2，以滿足卡車(chē)無(wú)人駕駛現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，滿足無(wú)人駕駛的網(wǎng)絡(luò)通信要求。投入1 個(gè)臺(tái)套設(shè)備（1臺(tái)液壓反鏟配6 臺(tái)無(wú)人駕駛線控卡車(chē)），挖掘機(jī)斗容6 m3,卡車(chē)載重35 t。

試驗(yàn)區(qū)域選為采場(chǎng)南幫+536 m 水平，排土場(chǎng)在+596 m 水平，運(yùn)距3.5 km 左右，爬升高度60 m，道路采用隔離的雙向雙車(chē)道，全線覆蓋電信的5G網(wǎng)絡(luò)。劃定無(wú)人駕駛封閉作業(yè)區(qū)域，為無(wú)人駕駛試運(yùn)行工作提供安全可靠、固定單一的作業(yè)環(huán)境。無(wú)人駕駛裝載點(diǎn)與卸載點(diǎn)往返1 次行程約7 km，時(shí)速平均35 km/h，單趟平均時(shí)間25 min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）在準(zhǔn)東露天礦搭建礦山無(wú)人駕駛場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)單編組無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。隨著技術(shù)優(yōu)化提升，單車(chē)單日平均拉運(yùn)趟數(shù)由8 趟提升至24趟。無(wú)人卡車(chē)平均時(shí)速由30 km/h 提升至35 km/h。

2）無(wú)人駕駛實(shí)現(xiàn)雙班運(yùn)行，極大提高了運(yùn)行效率，通過(guò)階段性的露天礦山無(wú)人駕駛連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，“采-運(yùn)-排”環(huán)節(jié)無(wú)人駕駛卡車(chē)全部為自動(dòng)駕駛。在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)距和提升高度作業(yè)條件下，無(wú)人駕駛試驗(yàn)運(yùn)行效率達(dá)到了人工平均的90%以上。

3）5G+卡車(chē)無(wú)人駕駛試驗(yàn)至今，已安全測(cè)試257 d，總里程17.35 萬(wàn)km，拉運(yùn)土方51.95 萬(wàn)m3。

4）搭建了無(wú)人駕駛云端調(diào)度指揮平臺(tái)，通過(guò)大屏實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人駕駛運(yùn)行數(shù)據(jù)、車(chē)輛視頻、挖機(jī)視頻等。通過(guò)無(wú)人駕駛的高精度矢量地圖與礦上的CAD現(xiàn)狀圖進(jìn)行融合，能在全礦作業(yè)范圍內(nèi)更加直觀的展示無(wú)人駕駛作業(yè)區(qū)域和車(chē)輛運(yùn)行狀況。

3.3 下一步規(guī)劃及目標(biāo)

1）在準(zhǔn)東露天礦搭建礦山無(wú)人駕駛場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)單編組無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。識(shí)別運(yùn)行過(guò)程中，礦山地質(zhì)條件、氣候條件、采掘工作推進(jìn)情況等對(duì)無(wú)人駕駛5G 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)的影響，收集相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到最佳的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋移設(shè)方案以及無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)選型布置方案。

2）構(gòu)建無(wú)人駕駛數(shù)據(jù)對(duì)接平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、采剝計(jì)劃數(shù)據(jù)等的對(duì)接，并將上述數(shù)據(jù)深度融合應(yīng)用于無(wú)人駕駛的車(chē)輛出動(dòng)、車(chē)輛調(diào)度、車(chē)輛監(jiān)控等功能中。構(gòu)建雙編組無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)全天連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。收集運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)工藝環(huán)境的無(wú)人駕駛應(yīng)用邊界，與傳統(tǒng)單斗卡車(chē)生產(chǎn)工藝進(jìn)行對(duì)比，形成適合無(wú)人駕駛的工藝參數(shù)。

3）用雙編組連續(xù)作業(yè)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，形成相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，開(kāi)展四編組運(yùn)行試驗(yàn)，通過(guò)全天連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步形成1 套無(wú)人駕駛經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行模型。

4 結(jié)語(yǔ)

為了快速推進(jìn)智慧礦山建設(shè)，準(zhǔn)東露天煤礦開(kāi)展了5G+卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)。通過(guò)卡車(chē)線控化改造，無(wú)人駕駛調(diào)度中心建設(shè)，5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)以及車(chē)端無(wú)人駕駛系統(tǒng)建設(shè)等一系列技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，布設(shè)5G 基站，規(guī)劃作業(yè)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。無(wú)人駕駛的雙班運(yùn)行作業(yè)，極大提高了運(yùn)行效率。優(yōu)化了卡車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)軌跡路徑，初步實(shí)現(xiàn)了卡車(chē)運(yùn)輸環(huán)節(jié)作業(yè)過(guò)程完全無(wú)人自主運(yùn)行，下一步將繼續(xù)深入研究，在保證單編組運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，開(kāi)展多編組運(yùn)行試驗(yàn)。