基于城市軌道交通無人駕駛技術(shù)的礦車無人駕駛系統(tǒng)

于明凱，陳留金，林澤陽，龍時丹

（1.太原中車時代軌道工程機械有限公司，北京 100055；2.中國鐵路北京局集團有限公司北京機務(wù)段，北京 100036；3.國家鐵路局裝備技術(shù)中心，北京 100038）

國內(nèi)大部分露天礦山生產(chǎn)仍然以傳統(tǒng)方式進行采礦作業(yè)，其中礦車是礦山生產(chǎn)中最重要的運載裝備。目前礦車主要依靠人工操作。一方面，礦車司機的人員成本很高，尤其是礦山這種復(fù)雜惡劣環(huán)境的作業(yè)人員招聘難度很大；另一方面，礦車間的通信與調(diào)度方式較為落后，容易造成人為差錯；多礦車同時作業(yè)時存在難以高效協(xié)同作業(yè)等問題，種種原因最終導(dǎo)致礦車作業(yè)成本居高不下，效率較低。礦車外形如圖1 所示。

圖1 礦車外形圖

礦山區(qū)域作業(yè)場景封閉，參與作業(yè)運輸?shù)慕煌ㄔ厣伲窙r簡單，礦車的主要任務(wù)是在規(guī)定線路上進行裝載、運輸和卸載等，從特定線路、固定作業(yè)計劃和保證全局優(yōu)先等特點來看，與城市軌道交通無人駕駛環(huán)境十分相似，因此礦車無人駕駛系統(tǒng)以城市軌道交通無人駕駛系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)是有可行性的。

1 礦車無人駕駛系統(tǒng)

典型的城市軌道交通無人駕駛系統(tǒng)一般分為三部分：

（1）環(huán)境感知系統(tǒng)，相當(dāng)于列車駕駛運行的感知器官，即為無人駕駛系統(tǒng)實時輸入動態(tài)的周圍環(huán)境信息，是實現(xiàn)無人駕駛的決策基礎(chǔ)。

（2）自動駕駛系統(tǒng)，相當(dāng)于列車駕駛的大腦，即對環(huán)境感知信息和信號指令進行綜合判斷，作出列車駕駛運行決策。

（3）遠程控制系統(tǒng)，遠程控制系統(tǒng)是地面端監(jiān)控和管理的中心，由通信網(wǎng)絡(luò)保證遠程控制系統(tǒng)與列車之間直接和連續(xù)的通信。

根據(jù)礦山場景運輸作業(yè)的特點，礦車車輛控制主機可以承擔(dān)無人化環(huán)境感知和運行決策控制兩部分工作，對車輛進行必要的線控改造以后可以形成滿足功能需求的車輛控制系統(tǒng)。另外，礦山不同于軌道交通擁有完善的通信網(wǎng)絡(luò)，礦山網(wǎng)絡(luò)環(huán)境往往需要專門搭建。

綜上，礦車無人駕駛系統(tǒng)由地面控制中心（即地面端）、車輛控制主機（即車輛端）和5G 車地通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成，如圖2 所示。

圖2 礦車無人駕駛系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 5G 車地通信網(wǎng)絡(luò)

車地通信網(wǎng)絡(luò)作為地面端與車輛端的車地通信橋梁，要求有低延時、高速率、大容量、高安全性的數(shù)據(jù)傳輸特性，以實現(xiàn)高效的信息互聯(lián)。其主要功能是將車輛主要的環(huán)境感知信息、決策信息和運行信息發(fā)送至地面端；同時負責(zé)將地面控制中心作業(yè)信息、車輛控制命令等數(shù)據(jù)傳輸至車輛。實現(xiàn)車對地、地對車的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能。

近幾年，城市軌道交通無人駕駛車地通信的典型方案是采用LTE+WLAN 雙網(wǎng)架構(gòu)，主用網(wǎng)絡(luò)為LTE，備用網(wǎng)絡(luò)為WLAN，但實際部署應(yīng)用過程中，仍然普遍存在易受干擾、時延長、故障頻繁等問題。

采用5G 移動通信技術(shù)的礦山車地通信網(wǎng)絡(luò)可提供高達1Gbit/s 的通信速率，能有效降低通信時延。另外5G技術(shù)的3 個典型應(yīng)用場景也適用于礦山作業(yè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，其中包括增強型移動寬帶、大規(guī)模機器類通信、超可靠低時延通信。

（1）增強型移動寬帶即超大帶寬移動應(yīng)用，相比LTE 網(wǎng)絡(luò)帶寬增加了幾十倍，可以為礦山提供完善的多業(yè)務(wù)融合無線傳輸網(wǎng)絡(luò)解決方案。

（2）大規(guī)模機器類通信適用于構(gòu)建礦山地圖，實現(xiàn)車載、路旁、路基等環(huán)境的特征數(shù)據(jù)采集，以此來完成礦山5G 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

（3）超可靠低時延通信將有效改善LTE 網(wǎng)絡(luò)的諸多低可靠性問題。采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的5G 網(wǎng)絡(luò)，通過在礦山區(qū)域內(nèi)部署邊緣MEC，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為礦山網(wǎng)絡(luò)提供安全隔離的同時提供專用的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用資源。

1.2 地面控制中心設(shè)計

礦車無人駕駛系統(tǒng)采用中心式控制策略。地面控制中心是礦車無人駕駛系統(tǒng)中的綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)，具備數(shù)字地圖、路徑規(guī)劃、作業(yè)調(diào)度、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄等功能，是礦車無人駕駛系統(tǒng)的中樞和大腦。

1.2.1 數(shù)字地圖

數(shù)字地圖是基于衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)和用戶導(dǎo)入數(shù)據(jù)，對礦山環(huán)境進行數(shù)字化建模生成的高精度地圖。它將礦車可通行區(qū)域劃分為不同的地圖單元。根據(jù)作業(yè)特性和實際運輸需求，地面控制中心在不同的地圖單元類型設(shè)置單元的屬性和礦車在單元內(nèi)的基本運行策略。數(shù)字地圖是地面端實現(xiàn)路徑規(guī)劃和作業(yè)調(diào)度控制的基礎(chǔ)和重中之重。

1.2.2 路徑規(guī)劃

后臺人員可根據(jù)礦山實際作業(yè)需求，在數(shù)字地圖的基礎(chǔ)上規(guī)劃和管理常用運行路徑和定義動作組，例如，指定路線行駛，指定位置處設(shè)置車輛應(yīng)執(zhí)行的特定操作，例如鳴笛、開關(guān)車燈等。

1.2.3 作業(yè)調(diào)度

作業(yè)調(diào)度功能包括作業(yè)模式管理、車隊協(xié)同控制、車輛安全防護、遠程操縱、緊急停車等子功能。

作業(yè)模式管理是指編制和下發(fā)不同的作業(yè)任務(wù)信息給車輛控制系統(tǒng)。

車輛協(xié)同功能是指在多車輛共同作業(yè)的場景下，地面端向車輛發(fā)出的行駛速度、方向修正功能，防止車輛之間出現(xiàn)運行沖突，進而避免停車、相撞、區(qū)域死鎖等情況發(fā)生。

車輛安全防護功能通過算法保護車輛自身的安全，主要是設(shè)定車輛安全距離、最大限速、制動距離等，并考慮一定的安全裕量。

當(dāng)作業(yè)需求發(fā)生變化，或者車輛處于非正常作業(yè)的情況時，后臺人員有權(quán)用遠程操縱方式直接干預(yù)車輛的運行；緊急情況下，后臺人員還可以命令車輛緊急停止。

1.2.4 安全監(jiān)控

地面端的安全監(jiān)控功能包含三個方面，包括地面硬件運行狀態(tài)監(jiān)控、車輛信息監(jiān)控和礦山地面環(huán)境監(jiān)控。

地面硬件運行狀態(tài)監(jiān)控是指地面端可以監(jiān)控自身中心機房內(nèi)部所屬的各種硬件的運行狀態(tài)，主要是出現(xiàn)問題或故障時，提醒后臺或?qū)I(yè)人員來進行處理或搶修。

車輛信息監(jiān)控是指地面端對車輛上傳的信息進行監(jiān)控、處理和報警提示，以便于中心人員可有效地掌控礦區(qū)所有無人駕駛車輛運行狀態(tài)并做出應(yīng)對；這里的車輛信息主要是車輛控制主機和車輛的車輛基本信息、運行信息、決策信息和環(huán)境感知信息等。

礦山在關(guān)鍵位置部署了攝像頭和專用傳感器，對這些位置應(yīng)進行重點監(jiān)控和安全識別，是保障礦山無人化作業(yè)運行的基礎(chǔ)和重要組成部分。

1.2.5 數(shù)據(jù)記錄

地面控制中心的多個數(shù)據(jù)服務(wù)器可實時存儲整個礦區(qū)所有車輛和設(shè)備運行相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、車載控制器故障數(shù)據(jù)、通信系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)。

1.3 車輛控制系統(tǒng)設(shè)計

車輛控制系統(tǒng)是礦車無人駕駛系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構(gòu)，主要負責(zé)采集車輛信息和控制車輛動作。一方面，車輛端接收地面端輸入的各種指令，控制各種車行駛、停車和裝/卸載等。另一方面，車輛端攝像頭、傳感器等感知周圍環(huán)境信息，并將必要信息傳輸給地面端，保證作業(yè)任務(wù)高效、安全完成。

車輛控制系統(tǒng)的主要功能包括作業(yè)行駛、主動防撞、自動卸載、異常處理等。

作業(yè)行駛主要實現(xiàn)車輛控制功能，根據(jù)地面端制定和下發(fā)給各車的作業(yè)任務(wù)和路線信息做出車輛行駛和裝/卸載決策，并且執(zhí)行動作，主要控制車輛方向、速度，使車輛循跡行駛，以及完成作業(yè)任務(wù)。

主動防撞通過激光雷達、毫米波雷達等車載傳感器來實現(xiàn)。當(dāng)檢測到車輛運行路徑上存在障礙物時，車輛端判斷是否需要減速或停車，同時還將障礙物信息發(fā)送至地面端。

自動卸載指礦車到達卸載區(qū)后控制車輛執(zhí)行自動卸載作業(yè)，但當(dāng)有多輛無人駕駛礦山自卸車等待卸載時，將接收地面端控制指令進入等待卸載隊列。

異常處理是當(dāng)車輛出現(xiàn)不能正常運行或者作業(yè)的問題時，向地面端匯報故障信息并請求地面端處理；同時儲存故障信息，便于后期分析。

2 實施建議

礦車無人駕駛系統(tǒng)在實施時應(yīng)重點關(guān)注系統(tǒng)決策與規(guī)劃、場景安全分級以及感知技術(shù)挑戰(zhàn)等問題。

2.1 做好礦山作業(yè)場景的決策與規(guī)劃

與公路乘用車無人駕駛的分布式?jīng)Q策相比，礦車無人駕駛系統(tǒng)更適宜采用中心式?jīng)Q策，即利用中心式的控制器全局優(yōu)化所有車輛決策，這樣便從理論上保證了全局最優(yōu)。但這樣會提升對計算資源的需求量，因此，需要提出一種平衡決策模型復(fù)雜度和決策優(yōu)化程度的全局決策方法，以此來規(guī)劃礦車的采運卸作業(yè)調(diào)度和行駛軌跡，在節(jié)約資源的前提下保證多車運行安全與作業(yè)效率提升。

2.2 實施作業(yè)場景安全分級

礦車無人駕駛作業(yè)場景包含完成正常運營任務(wù)的多種場景，可大致分為正常作業(yè)場景、非緊急降級場景和緊急降級場景。

正常作業(yè)場景指無人駕駛系統(tǒng)在無故障、無意外情況下按照生產(chǎn)需求正常作業(yè)的情形。此時系統(tǒng)按照作業(yè)計劃以高度自動化方式運行，除工作人員正常進行任務(wù)分配、調(diào)度以及需求確認(rèn)意外，系統(tǒng)通常不需要人工干預(yù)。

非緊急降級場景指主動功能降級處理，一般是因系統(tǒng)內(nèi)部故障或作業(yè)需要等，如路面障礙物干擾等，危險性較低，一般只發(fā)生在個別車輛上。這時需要一定程度的人工干預(yù)，排查異常，進行局部處理解決后便可恢復(fù)正常。

緊急降級場景是指對生產(chǎn)、運行安全威脅較大、危害較嚴(yán)重的情形，如火災(zāi)或惡劣天氣場景，需停用所有礦山裝備，工作人員緊急撤離。

無論上述哪種場景，對其進行全面、詳細、準(zhǔn)確地描述和分析，是安全實施無人駕駛系統(tǒng)方案的前提。

2.3 應(yīng)對環(huán)境感知技術(shù)的挑戰(zhàn)

相比于乘用車自動駕駛系統(tǒng)，礦車無人駕駛系統(tǒng)環(huán)境惡劣，主要表現(xiàn)在灰塵多、震動大兩方面。

礦區(qū)揚塵大且有時有沙塵天氣，嚴(yán)重影響傳感器探測性能，其中包括探測距離和感知精度。為此作者建議應(yīng)采用多個灰塵敏感度低的毫米波雷達傳感器并融合毫米波雷達、激光雷達和攝像頭多種傳感器信息，提高感知能力和魯棒性。

礦區(qū)道路多為碎石、泥土等，車輛在行駛時沖擊與振動強烈。環(huán)境信息在被采集時會發(fā)生較大跳變，除了從硬件安裝方式上做對應(yīng)調(diào)整外，軟件上也應(yīng)根據(jù)探測信息的變化適時調(diào)整感知參數(shù)，估計道路不平度、判斷振幅大小，從而提高自適應(yīng)能力和抗干擾能力。

3 礦車無人駕駛系統(tǒng)評價

基于城市軌道無人駕駛技術(shù)構(gòu)建的礦山無人駕駛系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：第一，可節(jié)省礦山企業(yè)人力運維成本，降低人力資源控制難度，同時也減少了因人為誤操作造成危害，進而提升企業(yè)效益；第二，礦山企業(yè)運載裝備的自動化、智能化程度得到提升，作業(yè)協(xié)同效率得到顯著提高，為行業(yè)轉(zhuǎn)型和持續(xù)發(fā)展提供了有借鑒意義的方案思路。

此外，本文介紹的無人駕駛系統(tǒng)方案理念也可以應(yīng)用到具有這種類型特點的其他領(lǐng)域和不便于人類活動的一些特殊作業(yè)區(qū)域。