露天礦山無人駕駛技術(shù)及系統(tǒng)架構(gòu)研究

付恩三，劉光偉，邸 帥，王新會，張 倩，王 亮，王 迪

(1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.錫林郭勒盟蒙東礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；4.本溪鋼鐵(集團)礦業(yè)有限責任公司 歪頭山鐵礦，遼寧 本溪 117006)

目前，全球5大礦用車供應(yīng)商都在進行無人駕駛礦車的應(yīng)用研究[1]。小松無人運輸系統(tǒng)已在全球4個國家的10個礦山應(yīng)用，包括銅、鐵和油砂礦?，F(xiàn)有180多臺930E實現(xiàn)了無人駕駛，累計運輸物料超過20億t[2]。巴西鐵礦石生產(chǎn)和出口商淡水河谷提供數(shù)據(jù)顯示：無人駕駛可使燃油成本下降10%以上、使車輛維護費用降低10%、使輪胎磨損降低25%。可見，無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用可大大降低露天礦山運行成本。2020年3月，國家發(fā)改委等八部委發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出到2025年，實現(xiàn)露天煤礦無人化運輸[3]。國家能源集團、中煤集團、華能集團、包鋼集團、國電集團、霍林河煤業(yè)、特變電工等單位積極探索智能礦山建設(shè)，在露天礦探索“5G+無人駕駛”示范試點應(yīng)用，以促進形成國內(nèi)礦用無人駕駛樣板工程及標準體系建立。國內(nèi)三一、徐工、同力重工、易控智駕、慧拓智能、踏歌智行等單位的礦用無人駕駛卡車研究都進入了試驗測試階段[4-6]。2019年，黑岱溝和哈爾烏素露天煤礦開展無人駕駛試驗。目前，黑岱溝露天煤礦坑下，編號為508的930E礦用卡車勻速行駛在1200平盤道路上。2019年12月，國家電投南露天煤礦與踏歌智行共同在南礦南內(nèi)排土場對2臺無人駕駛自卸車進行初驗。實現(xiàn)礦車在固定路線行駛，模擬電鏟裝車，模擬卸載和自動避障等功能。2021年3月，華能伊敏露天礦無人駕駛單臺車以20km/h的速度行駛，運輸8車、656m3，順利通過效率提升第一階段目標驗收。2021年4月國家能源集團大雁公司(寶日希勒能源)露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場，5臺220t的礦卡正在無人運輸作業(yè)管理系統(tǒng)指揮下與電鏟、推土機全流程24h不間斷運輸作業(yè)，進一步檢驗完善項目的可靠性和穩(wěn)定性，該項目填補當前極寒地區(qū)礦山設(shè)備無人化測試規(guī)程的空白，為極寒地區(qū)礦山設(shè)備無人化測試提供指導(dǎo)依據(jù)。本文主要介紹露天礦山無人駕駛協(xié)同作業(yè)場景、露天礦道路形態(tài)以及無人駕駛系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)等內(nèi)容。旨在向讀者介紹我國露天礦山無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)過程中的作業(yè)場景、關(guān)鍵技術(shù)以及無人駕駛系統(tǒng)平臺，更好地讓讀者理解露天礦山無人駕駛的建設(shè)和應(yīng)用[7-15]。

1 露天礦山協(xié)同作業(yè)場景

為實現(xiàn)露天礦山無人駕駛系統(tǒng)的建設(shè)，需要深入了解露天礦山道路形態(tài)和設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)場景。露天礦山采掘、運輸、排土各環(huán)節(jié)相互協(xié)同作業(yè)，是實現(xiàn)露天礦山接續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文歸納總結(jié)露天礦山道路形態(tài)包括三種形式，涵蓋：T字形道路、匯聚型道路和十字形道路；采運排設(shè)備協(xié)同作業(yè)場景涵蓋：卡車電鏟協(xié)同作業(yè)、卡車排棄協(xié)同作業(yè)、卡車破碎站協(xié)同作業(yè)、車輛跟馳協(xié)同作業(yè)、多車路口會車作業(yè)、車輛協(xié)同避障超車等場景。

1.1 道路形態(tài)介紹

不同的露天礦山道路形態(tài)，會對露天礦山車輛運行軌跡路徑產(chǎn)生重要影響。露天礦道路特點：道路轉(zhuǎn)彎多、道路坡道多、路況相較城市路況差。根據(jù)露天礦山道路運輸系統(tǒng)的布置情況，將露天礦山道路劃分成三種類型：T字形道路、十字形道路、匯聚型道路，相應(yīng)道路形態(tài)如圖1所示。

圖1 露天礦山道路形態(tài)

1.2 設(shè)備協(xié)同場景

1)卡車電鏟協(xié)同作業(yè)：露天礦山采用單斗卡車開采工藝，電鏟等采掘設(shè)備實現(xiàn)剝離物及礦物的挖掘，將巖石及礦物裝載至運輸?shù)V車中，礦車與電鏟協(xié)同配合過程中，需制定礦車進入電鏟鏟位的路線及卡車之間的等待規(guī)則。電鏟-卡車協(xié)同作業(yè)流程為：卡車駛?cè)胙b載區(qū)域→卡車按待裝規(guī)定等待裝車→卡車接收駛?cè)胄盘枴ㄜ囻側(cè)胙b車位→電鏟進行裝車→卡車接收離開信號→卡車駛出裝車位。電鏟-卡車協(xié)同作業(yè)如圖2(a)所示。

2)卡車排棄協(xié)同作業(yè)：剝離運輸卡車經(jīng)由剝離運輸?shù)缆否傁驅(qū)?yīng)排土場。排棄卡車進入排卸區(qū)域需要保證與其他排卸卡車的協(xié)同作業(yè)，同時減少與輔助工程設(shè)備的交互影響，建立排棄卡車與其他工程設(shè)備之間的空間位置關(guān)系模型以及相互調(diào)度規(guī)則，制定排棄卡車排棄物料的車輛入換方式。運輸卡車排棄作業(yè)流程：卡車駛?cè)肱判秴^(qū)域→卡車按排卸規(guī)定等待卸車→卡車接收駛?cè)胄盘枴ㄜ囬_始排卸→卡車接收離開信號→卡車駛出排卸位，如圖2(b)所示。

3)卡車破碎站協(xié)同作業(yè)：露天礦山運輸卡車將礦巖從采掘點運出后，運輸卡車經(jīng)由礦山運輸?shù)缆否側(cè)肫扑檎緟^(qū)域。進入破碎站區(qū)域卸車過程中，需要保證卸車區(qū)域車輛的協(xié)同作業(yè)，最大效率地實現(xiàn)卡車的駛?cè)腭偝?。運輸卡車破碎站協(xié)同作業(yè)流程為：卡車按排卸規(guī)定等待卸車→卡車接收信號→卡車開始排卸→卡車接收離開信號→卡車駛出破碎站區(qū)域，如圖2(c)所示。

4)車輛跟馳協(xié)同作業(yè)：卡車運輸?shù)缆沸旭偂杉邮张c前車實時距離→運輸距離大于安全距離→保持原速行駛→運輸距離小于安全距離→減速運行→接收與前車實時距離→與前車等速運行，如圖2(d)所示。

5)多車路口會車作業(yè)：駛?cè)肼房跁噮^(qū)→接收會車指令信號→路口會車區(qū)等待→重車先行→接收啟動信號→駛離會車區(qū)。此過程中確定路口會車通行規(guī)則，實時判斷車輛屬性信息、距離信息、速度信息，來實現(xiàn)路口優(yōu)先通過車輛，保證車輛在路口通行的暢通，如圖2(e)所示。

6)車輛協(xié)同避障：露天礦山車輛運輸過程中，存在大小車之間的特殊作業(yè)場景下運輸車輛之間的超車行為，或者由于運輸過程中，大量巖土大塊堆撒至運輸?shù)缆分醒耄枰囕v進行超車、避障行駛。露天礦山車輛運輸過程中存在超車行駛等特殊條件下的場景，如圖2(f)所示。

圖2 露天礦無人駕駛設(shè)備協(xié)同場景

2 無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

無人駕駛系統(tǒng)的實現(xiàn)，需要如下技術(shù)作為支撐，包括車輛定位技術(shù)、傳感感知技術(shù)以及路徑優(yōu)化車輛調(diào)度算法等技術(shù)。

2.1 車輛定位關(guān)鍵技術(shù)

露天礦山實現(xiàn)無人駕駛技術(shù)，需要實現(xiàn)對車輛的實時定位，目前車輛的定位技術(shù)主要包括：GPS定位、磁感定位、慣性定位等技術(shù)。

1)GPS定位：基于GPS定位的方法通過全球定位系統(tǒng)來進行車輛定位?；贕PS的定位方法優(yōu)點在于可全天候連續(xù)定位，使用差分GPS可實現(xiàn)厘米級定位，且適用于全局定位，缺點在于受環(huán)境影響較大，高樓、樹木、隧道都會屏蔽GPS信號，由于露天礦山處在空曠地帶，因此受高空建筑物或封閉硐室影響相對較小。

2)磁感定位：基于磁傳感器的磁感應(yīng)定位方法通過在露天礦山固定運輸車道上安裝磁釘，車輛可以在無人駕駛工程中通過檢測磁信號的位置實現(xiàn)定位。磁感應(yīng)定位方法優(yōu)點在于通過預(yù)先鋪置的磁性材料，檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠，不受天氣或其他障礙物的影響；其缺點需要對道路進行升級改造，成本較高，不便于大規(guī)模推廣，適用于機場、工廠、車間等場所的物流自動導(dǎo)引。

3)慣性定位：基于慣性傳感器的定位方法，通過使用陀螺儀、加速度計傳感器來測量車輛的角加速度和線性加速度對測得的數(shù)據(jù)進行積分，從而推算出車輛相對初始位置的當前位置信息。基于慣性定位方法的優(yōu)點在于不需要接受外界信號，受環(huán)境干擾??；其缺點在于存在累計誤差，且隨時間增加而增加，因此該方法適用于局部短時間內(nèi)的定位或輔助定位。

4)基于視覺或激光的地圖信息匹配定位：通過攝像頭或激光雷達的地圖信息匹配是一種絕對位置估計方法。通過建立地圖信息，不斷將檢測到的數(shù)據(jù)特征與地圖信息進行對比匹配，從而得到車輛在地圖中的絕對位置?；诘貓D信息匹配定位方法的優(yōu)點在于無累積誤差，不需要對道路進行改造；其缺點在于需要對地圖提前采集制作，由于繪制地圖工作的數(shù)據(jù)量大，地圖匹配及更新的實時性難度較大，加之露天礦山采剝工程持續(xù)更新，地圖更新是制約其發(fā)展的難點。

目前露天礦定位采用GPS定位或者GPS定位融合慣性導(dǎo)航定位，同時融合激光雷達的方式來進行車輛定位。

2.2 數(shù)據(jù)傳感感知技術(shù)

要實現(xiàn)露天礦山無人駕駛，需在礦車安裝感知環(huán)境的傳感器。涵蓋激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達以及高精度攝像頭，他們相互協(xié)助，在距離、速度、方向上提供可靠的數(shù)據(jù)，輔助礦車準確地感知礦山環(huán)境。

1)激光雷達：激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。其優(yōu)點是可實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、點干擾能力強等。

2)毫米波雷達：毫米波雷達是指在30～300GHz頻域的雷達。具有波長短、頻段寬，比較容易實現(xiàn)窄波束，雷達分辨率高，不易受干擾等優(yōu)點。通過接收信號和發(fā)射信號的相關(guān)處理實現(xiàn)對目標的探測方位、距離、相對速度。其優(yōu)勢在于可實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)無間斷全程覆蓋，單臺雷達可以實現(xiàn)“360°”區(qū)域覆蓋。

2.3 運輸路徑模型算法

露天礦山無人駕駛的實現(xiàn)是要依托無人駕駛的上層路徑跟蹤算法[16]。通過采集車輛的感知實時數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)對無人駕駛車輛的加速、減速、路徑跟蹤、相互車輛目標之間的實時感知，最終實現(xiàn)無人駕駛車輛任務(wù)的安全平穩(wěn)的完成。安全距離跟馳模型是從防碰撞的安全駕駛角度出發(fā)，以運動學(xué)公式為基礎(chǔ)建立起來的[17-20]。避障安全距離是指汽車發(fā)現(xiàn)情況緊急制動停車的距離，從當前車速到停止的最大滑動距離，安全距離主要由3部分組成，分別為算法運行距離S1、剎車距離S2以及預(yù)留距離S3。同時，還需實現(xiàn)上層采場至排土場的運輸路徑的統(tǒng)一規(guī)劃，選擇較優(yōu)的運輸路徑以及降低運輸距離?？ㄜ嚤苷先鐖D3所示。

圖3 卡車避障

3 露天礦山無人駕駛系統(tǒng)平臺

露天礦無人駕駛遠程協(xié)同系統(tǒng)平臺主要依托于5G網(wǎng)絡(luò)、云計算、大數(shù)據(jù)以及深度學(xué)習等方式，實現(xiàn)露天礦山工程設(shè)備的無人駕駛，實現(xiàn)工程設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)、協(xié)同調(diào)度。

3.1 協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

露天礦無人駕駛遠程協(xié)同平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。包括三部分內(nèi)容：一是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；二是無人工程設(shè)備的協(xié)同；三是無人駕駛遠程系統(tǒng)開采系統(tǒng)。無人駕駛系統(tǒng)的建立將大大減少礦山各生產(chǎn)設(shè)備之間的一線從業(yè)人員的數(shù)量，提高設(shè)備的可靠性，提高設(shè)備效率，降低由于人工操作所帶來的不安全的危險因素。

圖4 無人駕駛遠程協(xié)同平臺架構(gòu)

3.2 協(xié)同流程及通信

露天礦山無人駕駛遠程協(xié)同通過對無人駕駛車隊的智能調(diào)度管控，最終實現(xiàn)整個礦區(qū)礦卡自卸車車隊無人駕駛運行和智能網(wǎng)聯(lián)管理，調(diào)度平臺給車輛下達任務(wù)，監(jiān)控礦區(qū)車輛位置狀態(tài)及運行軌跡，車輛按照接收到的任務(wù)自動執(zhí)行，實現(xiàn)自動行駛及自動卸料。

露天礦山無人駕駛車路通信及外部感知系統(tǒng)，通過感知外部識別，來實現(xiàn)對礦山無人駕駛車輛的決策規(guī)劃、控制執(zhí)行。實現(xiàn)礦山車輛控制系統(tǒng)和礦山道路控制系統(tǒng)的融合，順利實現(xiàn)露天礦山場景下的無人駕駛。露天礦無人駕駛車路通信及外部感知系統(tǒng)關(guān)聯(lián)如圖5所示。

圖5 無人駕駛車路通信及外部感知系統(tǒng)

3.3 設(shè)備作業(yè)流程

露天礦山無人駕駛設(shè)備作業(yè)流程：包括車輛作業(yè)計劃的下達、車輛生產(chǎn)運行計劃、車輛作業(yè)計劃統(tǒng)計、礦山實時路徑規(guī)劃、礦山設(shè)備實時調(diào)度、礦山實時運行監(jiān)控、礦山實時數(shù)據(jù)記錄、車輛作業(yè)管理、自主定位、勻速行駛、自主避障、聯(lián)合裝載、自主卸載、設(shè)備異常故障、故障實時監(jiān)測以及設(shè)備的定期維護保養(yǎng)的維修層。露天礦山無人駕駛設(shè)備的作業(yè)流程之間并不是單項傳輸，而是各個環(huán)節(jié)之間的上下融合關(guān)聯(lián)分析的過程。露天礦山無人駕駛設(shè)備作業(yè)流程如圖6所示。

圖6 露天礦山無人駕駛設(shè)備作業(yè)流程

4 結(jié)論和展望

1)介紹了露天礦山的道路形態(tài)、設(shè)備協(xié)同場景、關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)平臺。無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用部署需要充分結(jié)合露天礦山的特定場景及環(huán)境，深入挖掘設(shè)備作業(yè)流程及場景，運用相關(guān)業(yè)務(wù)算法，來逐步優(yōu)化無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用。

2)目前，國內(nèi)大型露天煤礦正在積極探索無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用。以準能、寶日希勒、伊敏河露天礦為代表的露天礦無人駕駛已經(jīng)進入復(fù)雜生產(chǎn)區(qū)域試驗階段，相信不久的將來，無人駕駛車隊將在我國露天礦山編組成功。