露天礦卡車無人駕駛技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

王富民，賀昌斌

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山西 朔州 036006）

國外從20 世紀(jì)70 年代開始研究礦用卡車無人駕駛技術(shù)，在全球技術(shù)比較領(lǐng)先的是美國的卡特彼勒（CAT）和日本的小松（KOMATSU）。目前，卡特彼勒的礦山之星系統(tǒng)應(yīng)用在澳大利亞、南北美等地礦山的170 多輛無人駕駛卡車上，小松公司的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)（AHS）在澳大利亞、南美、北美的6 座礦山（包括銅、鐵和油砂）應(yīng)用[1]，無人駕駛卡車總數(shù)有100 多臺(tái)。我國的礦用卡車無人駕駛技術(shù)雖然起步較晚，但在國家政策的大力支持下，近年來發(fā)展突飛猛進(jìn)。尤其是《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展指導(dǎo)意見》提出露天煤礦要在2025 年實(shí)現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無人化運(yùn)輸?shù)哪繕?biāo)更為無人駕駛卡車技術(shù)的研發(fā)提供了動(dòng)力。大型采礦企業(yè)如神華集團(tuán)，礦用車生產(chǎn)企業(yè)如北方股份、中國中車，數(shù)字礦山裝備企業(yè)如東方測(cè)控、迪邁科技，智能駕駛創(chuàng)業(yè)公司如踏歌智行、西井科技、慧拓智能等，均開展了礦用卡車無人駕駛研究和測(cè)試，對(duì)無人化技術(shù)在露天礦山的先進(jìn)性、可靠性和適用性進(jìn)行深入研究。

1 礦用卡車無人駕駛技術(shù)的重要性

單斗-卡車工藝露天礦運(yùn)輸作業(yè)具有計(jì)劃性、組織性和封閉性特征，且作業(yè)環(huán)境相對(duì)較差，引入無人駕駛技術(shù)，有3 大優(yōu)勢(shì)：①特定區(qū)域，無交通障礙；②固定路線、相對(duì)低速，無技術(shù)障礙；③無司機(jī)，有經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。目前露天礦運(yùn)輸作業(yè)主要由人員、設(shè)備和場(chǎng)所的“人機(jī)環(huán)”3 個(gè)要素構(gòu)成，作業(yè)設(shè)備的操作和作業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境判斷都需要作業(yè)人員完成，而人這一關(guān)鍵因素是不可控的，容易受路況、車況、氣候等客觀環(huán)境或工作生活中的事件所影響，產(chǎn)生情緒上的波動(dòng)，影響工作狀態(tài)，引發(fā)安全事故。采用無人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)“無人”能夠很好地解決這一難題，在最大限度降低人員的參與、避免和減少對(duì)駕駛?cè)藛T健康[2]、安全的危害的同時(shí)，降低人工成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

1）安保型安全。傳統(tǒng)的礦用卡車運(yùn)輸作業(yè)需要人來操作。人在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作后總會(huì)累，需要休息，而且人不可能任何時(shí)候精力都百分之百集中，而精力不集中就可能產(chǎn)生誤操作導(dǎo)致發(fā)生事故，出于“以人為本”的理念，需要可以一直保持精準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)的智能系統(tǒng)來代替人工操作。

2）降低成本。節(jié)約人工成本是無人駕駛技術(shù)直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值的體現(xiàn)。近年來，大型露天礦由于作業(yè)環(huán)境較差、工作艱苦枯燥，在招聘礦用卡車駕駛?cè)藛T方面常常面臨招聘培訓(xùn)周期長(zhǎng)的困境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)礦用卡車駕駛員平均工資1 萬元/月，年成本15 萬元，臺(tái)車成本60 萬元。經(jīng)測(cè)算，如能實(shí)現(xiàn)卡車無人駕駛，凈節(jié)省費(fèi)用可達(dá)到人工成本的20%。

3）提高設(shè)備效率。傳統(tǒng)的有人駕駛無法滿足車輛24 h 運(yùn)輸。通過對(duì)國內(nèi)外應(yīng)用無人駕駛技術(shù)的礦山企業(yè)卡車運(yùn)輸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表明無人駕駛卡車年工作時(shí)間較人工駕駛增加800 h 左右，總時(shí)長(zhǎng)達(dá)到7 000 h，生產(chǎn)效率提升了30%，車輛的燃油費(fèi)用和維護(hù)成本[3]都降低10%左右。一系列數(shù)據(jù)均體現(xiàn)了無人駕駛技術(shù)能提升礦用卡車的生產(chǎn)效率。

4）優(yōu)化管理。無人駕駛系統(tǒng)與先進(jìn)、智能的生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合，可建設(shè)智能一體化集中監(jiān)控平臺(tái)和生產(chǎn)管控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)處理運(yùn)輸作業(yè)中出現(xiàn)的問題，保障生產(chǎn)作業(yè)的接續(xù)。一方面能通過數(shù)據(jù)分析和決策控制，優(yōu)化采裝、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過程，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)綠色開采；另一方面能減少相關(guān)崗位人員投入，優(yōu)化業(yè)務(wù)管理流程，并且可以不受礦用卡車駕駛員因素制約，根據(jù)市場(chǎng)需求靈活調(diào)整產(chǎn)能，進(jìn)而提升整體生產(chǎn)管理和決策水平。

2 礦用卡車無人駕駛技術(shù)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

1）地面控制系統(tǒng)是整個(gè)卡車無人駕駛技術(shù)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。主要需要對(duì)收集到的環(huán)境、車況、作業(yè)等多方面信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)掌握車輛自身和運(yùn)行狀況，對(duì)車輛進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)卡車（車隊(duì)）在同一作業(yè)區(qū)域按照生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃有序進(jìn)行運(yùn)輸和裝卸作業(yè)[4]。

2）智能駕駛系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人駕駛的基礎(chǔ)。通過自身的控制系統(tǒng)，綜合接收到地面控制系統(tǒng)的各種信息數(shù)據(jù)，完成對(duì)車輛的操縱，特別是裝載作業(yè)中的轉(zhuǎn)角度、車速、裝載量等作業(yè)。

3）信息傳輸系統(tǒng)是一個(gè)橋梁。在露天礦山作業(yè)區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)，比如說車輛自身的油耗量、水量等，每個(gè)車輛的位置信息、相互間距離、駕駛方向等等，這些信息有直接可以使用的信息，有需要分析計(jì)算的信息，這些信息是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。

2.2 原理和技術(shù)難點(diǎn)

露天礦卡車無人駕駛技術(shù)是信息傳輸、車輛控制、路線規(guī)劃、環(huán)境感知[5]等多項(xiàng)技術(shù)的集成。主要原理是在礦用卡車上安裝傳感器和GPS 定位裝置，為總控室實(shí)時(shí)提供卡車運(yùn)行環(huán)境和位置信息，進(jìn)而總控室通過發(fā)送無線指令使卡車按照既定方向和路線運(yùn)輸，在固定地點(diǎn)完成裝卸作業(yè)。

在露天礦山應(yīng)用卡車無人駕駛技術(shù)，要攻克的技術(shù)難點(diǎn)主要有通信技術(shù)、差分定位技術(shù)、路徑規(guī)劃算法、環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)、車輛控制技術(shù)等。

1）通信技術(shù)。通信技術(shù)是無人駕駛的必備技術(shù)，它能幫助自動(dòng)駕駛車輛實(shí)現(xiàn)車內(nèi)設(shè)備之間的通信以及車輛與外部的通信。當(dāng)前，利用4G、5G 大帶寬[6]及高速的無線環(huán)網(wǎng)，可以保障無人駕駛卡車大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，達(dá)到快速反應(yīng)、及時(shí)決策，確?？ㄜ囎鳂I(yè)安全，實(shí)現(xiàn)調(diào)度監(jiān)控中心對(duì)卡車的集中控制和遠(yuǎn)程調(diào)度管理。

2）差分定位技術(shù)。露天礦山定位系統(tǒng)要兼具定位精確性和運(yùn)行穩(wěn)定性。差分定位技術(shù)是基于在同一地區(qū)的GPS 信號(hào)因受到自然因素干擾產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差是相近的這一原理，在已知精確位置的參照點(diǎn)上，通過GPS 接收機(jī)接收此點(diǎn)與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)相對(duì)位置數(shù)據(jù)，再與已知的該參照點(diǎn)的精確位置數(shù)據(jù)作比對(duì)，計(jì)算出測(cè)量誤差，于是在此參照點(diǎn)附近的GPS接收機(jī)用該測(cè)量誤差來修正自身的GPS 測(cè)量值，從而提高定位精度。該技術(shù)可以消除數(shù)據(jù)接收時(shí)差、大氣折射誤差等的影響。

3）路徑規(guī)劃算法。路徑規(guī)劃是指根據(jù)已掌握的環(huán)境信息，結(jié)合傳感器采集的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，再通過大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和云計(jì)算，規(guī)劃出從某一位置到目標(biāo)位置的最佳路線。良好的算法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下精準(zhǔn)、安全可靠的路徑規(guī)劃。目前較常采用的算法有基于圖搜索的路徑規(guī)劃算法、基于采樣的路徑規(guī)劃算法和智能優(yōu)化算法以及基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的算法。

4）環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦用卡車無人駕駛中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它通過車用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)，識(shí)別出現(xiàn)在卡車周圍的各種物體，并實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤控制[7]。車用傳感器主要有以下幾種：①以激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等為代表的主動(dòng)式傳感器，目前在礦用卡車防碰撞系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位；②以視覺傳感器為代表的被動(dòng)式傳感器，多用于識(shí)別礦用卡車運(yùn)輸?shù)缆窊鯄?、路面撒料、坑凹等；③紅外傳感器，適合礦山近距離運(yùn)輸作業(yè)。

5）車輛控制技術(shù)。車輛控制技術(shù)就是將一些自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在車輛上，通過與GPS 車輛智能調(diào)度系統(tǒng)[8]交互，將駕駛員對(duì)車輛的各種操控動(dòng)作轉(zhuǎn)化電信號(hào)來控制車輛狀況，即變?nèi)斯ゑ{駛為信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)車輛橫向和縱向的自動(dòng)控制。

露天礦用卡車無人駕駛技術(shù)研究是一個(gè)綜合性的項(xiàng)目，它是一個(gè)復(fù)雜的軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，其安全可靠運(yùn)行需要車載硬件、傳感器集成、感知預(yù)測(cè)以及控制規(guī)劃等多個(gè)模塊的協(xié)同配合，因此需要將上述技術(shù)以及其他技術(shù)進(jìn)行專業(yè)化整合，構(gòu)建出在遠(yuǎn)程無線控制下，多臺(tái)卡車自動(dòng)駕駛，在統(tǒng)一調(diào)度和管控下作業(yè)，并能與礦山作業(yè)其他工序有序銜接，充分滿足露天礦山工況需求的一個(gè)智能化系統(tǒng)[9]。

3 發(fā)展前景

礦山智能化的其中一個(gè)目標(biāo)就是將礦工從“工作現(xiàn)場(chǎng)操作”轉(zhuǎn)戰(zhàn)到“后方基地控制”，以機(jī)器設(shè)備作業(yè)取代人工作業(yè)，確保人的安全。露天礦山卡車運(yùn)輸作業(yè)作為露天開采中極為重要的工序，無人化發(fā)展大勢(shì)所趨。目前，我國在礦山無人駕駛技術(shù)方面已經(jīng)有很深的技術(shù)積累，防碰撞、卡車調(diào)度、視頻監(jiān)控等輔助駕駛技術(shù)已相當(dāng)成熟。近幾年來5G 技術(shù)和大數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，將為推動(dòng)工業(yè)信息化提供強(qiáng)大的助力。未來礦用卡車無人駕駛技術(shù)將是在5G技術(shù)下的，多傳感器融合、多定位技術(shù)融合、路徑規(guī)劃算法融合和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程融合的綜合性技術(shù)，多種技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，確保運(yùn)輸作業(yè)更精確、安全、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，隨著礦用卡車無人駕駛技術(shù)的成熟，可以在與礦山環(huán)境類似的封閉、低速作業(yè)區(qū)域進(jìn)行推廣，對(duì)物流作業(yè)將有很大的參考價(jià)值。

4 結(jié)語

在國家相繼出臺(tái)“中國制造2025”、“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃”等一系列政策措施，強(qiáng)力推進(jìn)我國工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的背景下，煤炭工業(yè)作為關(guān)系我國經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，智能化是其發(fā)展的必由之路。露天礦卡車無人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是智能礦山建設(shè)的重要基礎(chǔ)，也是不可或缺的前提條件，可從本質(zhì)上提升礦山企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，從而推動(dòng)我國煤炭行業(yè)走向智能礦山時(shí)代。