趙海平,侯玉山,張偉明,范志鵬,陳永旭,馮曉光,王姍姍,周華生
(1.北京中企時代科技有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000;2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000;3.內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000;4.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司,內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200;5.北京踏歌智行科技有限公司,北京 100089)
我國幅員遼闊、礦產(chǎn)資源豐富,大中型露天礦區(qū)超過1 000 處。礦區(qū)生產(chǎn)大多采用半連續(xù)生產(chǎn)工藝,露天礦以百噸級大型礦卡運輸巖礦的模式為主,但因礦用卡車體積龐大導(dǎo)致周圍存在盲區(qū),駕駛員視野范圍受限,易造成交通事故。運輸?shù)缆诽厥猓肪€復(fù)雜多變,彎道、斜坡道較多和作業(yè)環(huán)境惡劣,導(dǎo)致傷亡事故頻發(fā),防碰撞自動剎車系統(tǒng)需求提升。
王洪峰以城市道路汽車主動避撞系統(tǒng)為應(yīng)用背景,以單線激光雷達(dá)為主要傳感器,根據(jù)雷達(dá)掃描特性,設(shè)計了一套具有自適應(yīng)特性的車輛前方障礙物檢測與跟蹤算法[1];史惠敏提供了一種在不改變信號相位的情況下提高左轉(zhuǎn)車輛安全的技術(shù),通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)對沖突等級的識別,為駕駛員提供碰撞預(yù)警[2];肖晨等在對地鐵車輛應(yīng)急駕駛防碰撞系統(tǒng)用戶需求調(diào)研和總結(jié)基礎(chǔ)上,分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、工作原理、系統(tǒng)功能、電氣接口等方面對系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行了概述,為后續(xù)地鐵車輛應(yīng)急駕駛防碰撞系統(tǒng)產(chǎn)品化和工程化研究提供了參考[3];何大凱等利用GPS 等設(shè)備的高精確性、可靠性和穩(wěn)定性等進(jìn)行開發(fā)利用,為作業(yè)機(jī)械的防碰撞策略提供研究支持[4]。但這些主防碰撞系統(tǒng)主要是面向結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下的乘用車,并不適用于礦區(qū)復(fù)雜的道路環(huán)境?;诖?,針對礦區(qū)應(yīng)用場景的礦卡設(shè)計了一套新穎有效的毫米波雷達(dá)主動防撞預(yù)警系統(tǒng),主動防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠有效的避免和緩解車輛碰撞、追尾等事故,為礦方避免人員安全事故、穩(wěn)定生產(chǎn)提供有力保障。
主動防撞預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)組成如圖1。
圖1 主動防撞預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)組成
系統(tǒng)是基于C-V2X 模塊和高精度定位模塊,通過V2I、V2V、V2P 通信,分享車輛位置信息,通過遍布車身攝像頭、毫米波雷達(dá)、V2X 和高精度GPS 等感知模塊,多重覆蓋、相互校正,實時采集車身360°的障礙物信息,然后結(jié)合FPGA 高性能AI 處理器、高頻多核智能處理器和車規(guī)安全處理器對采集信息進(jìn)行處理,輸入主機(jī)M-BOX 中進(jìn)行車輛動作控制,當(dāng)遭遇緊急危險狀況時,主機(jī)M-BOX 中的主動防撞預(yù)警系統(tǒng)及時輸出緊急制動動作,由一體化制動執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)控制車輛準(zhǔn)確、靈敏完成防撞任務(wù)。
攝像頭模塊基于高性能的FPGA 平臺,采用深度學(xué)習(xí)框架,通過尖端AI 處理算法,能精確識別乘用車、礦卡等多種車型,支持行人檢測,支持線纜橋架、指示牌、巖堆擋墻等多種元素識別。同時通過對礦區(qū)元素定制化訓(xùn)練,能夠精確識別大礦卡、電鏟等礦區(qū)特種車輛。
主動防撞預(yù)警系統(tǒng)采用ARS408 和SRR308 毫米波雷達(dá)傳感器。通過合理的傳感器布置,能起到良好的盲區(qū)檢測效果。傳感器具有優(yōu)異的測量性能和高度的操作安全性,并能自動識別傳感器和傳感器環(huán)境的故障,非常堅固可靠耐用。充分利用了長距毫米波雷達(dá)測距優(yōu)勢,結(jié)合短距毫米波雷達(dá)廣角特性,既能很好探測礦卡前方遠(yuǎn)距離障礙物又能更好覆蓋了礦卡側(cè)前方盲區(qū)。
充分精巧獨特的傳感器布置,利用長距毫米波雷達(dá)測距優(yōu)勢和廣角特性,使用3 臺組合布置的毫米波雷達(dá),起到了優(yōu)秀的盲區(qū)檢測效果。布置3 臺前向ARS408 毫米波雷達(dá),既能很好探測礦卡前方遠(yuǎn)距離障礙物又能更好覆蓋了礦卡側(cè)前方盲區(qū),覆蓋左前側(cè)至右前側(cè)的檢測區(qū)域。
采用了多傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù),通過毫米波雷達(dá)精確測距以及視覺系統(tǒng)對物體的精準(zhǔn)識別,使得防撞預(yù)警系統(tǒng)的檢測和避障目標(biāo)更有效。
基于無人駕駛線控方案和制動執(zhí)行方案,形成防撞系統(tǒng)一體化制動執(zhí)行控制模塊。具備控制電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和礦卡制動線控控制功能(電動輪可線控化改造),做到精確控制和反饋,具有安全、可靠、實時的特點。一體化制動執(zhí)行控制模塊,用可靠、安全的方案解決電動輪和機(jī)械輪礦卡的執(zhí)行問題。
1)對于電動輪車型。通過對電制動和裝載制動通過線控控制器,做到高精度(控制精度優(yōu)于1%)、強(qiáng)實時(信號發(fā)出時延小于50 ms),同時可以精確采集(精度優(yōu)于1%)人工電制動信號和自動電制動剎車信號,做到閉環(huán)反饋,進(jìn)行合理決策和控制。
2)對于機(jī)械輪車型。通過控制電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制機(jī)械制動踏板,做到及時響應(yīng)制動,并結(jié)合機(jī)械制動信號,反饋給系統(tǒng)決策。
主動防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠通過4G 網(wǎng)絡(luò),自動將雷達(dá)測距數(shù)據(jù)、剎車動作數(shù)據(jù)、剎車離合開閉數(shù)據(jù)、系統(tǒng)自檢數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)故障記錄等數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至礦區(qū)調(diào)度指揮中心服務(wù)器內(nèi),同時通過部署在服務(wù)器上的監(jiān)控統(tǒng)計平臺,自動實時統(tǒng)計所有車輛上毫米波雷達(dá)自動剎車系統(tǒng)工作運轉(zhuǎn)情況,并以報表形式展現(xiàn)出來,為管理者提供決策依據(jù)。
全景影像終端是一款適用于大型礦卡、工程作業(yè)車輛的360°全景駕駛輔助系統(tǒng),系統(tǒng)通過改造現(xiàn)有倒車影像系統(tǒng)及加裝攝像頭完成在車身周圍前后左右的4 個超廣角、高清夜視攝像頭的運用,實時收集四周車身的高清視頻畫面,在圖像處理器中經(jīng)過圖像拼接、畸變矯正、透視變換和融合等處理,最終合成車身周圍360°的鳥瞰全景畫面,并顯示在車載顯示屏上,為司機(jī)提供360°全景駕駛輔助。系統(tǒng)可幫助駕駛?cè)藛T消除車身周圍的視覺盲區(qū),從而有效降低交通事故的發(fā)生概率[5-6]。同時,系統(tǒng)還具有4路高清錄像功能,可為交通事故、突發(fā)事件等狀況,提供有效證據(jù)、還原事故真相。
全景影像輔助系統(tǒng)顯示,既提供了車身周圍360°全景視圖畫面,也提供了車身前、后、左、右的單視圖畫面,單視圖畫面可根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)自動切換,還可通過薄膜按鍵切換出雙邊視圖。全景影像系統(tǒng)特點:①高清夜視:在陰天或夜晚等弱光條件下,依舊可以保持高清畫質(zhì);②智能軌跡:針對具有ESP的車型,系統(tǒng)內(nèi)置智能行車軌跡線和倒車軌跡線,為行車、泊車提供精確指引;③倒車提示線:倒車時,后視圖會顯示倒車提示線,通過綠、黃、紅3 種顏色,進(jìn)行安全距離的預(yù)警,改善了該倒車功能的用戶體驗和實際作用,為司機(jī)的安全行車提供了有力保障[7];④車標(biāo)自定義:用戶可自定義車輛外觀和顏色,滿足多樣化的用戶需求;⑤圖像調(diào)整:用戶可根據(jù)使用需要,調(diào)整單視圖的顯示范圍以及全景圖像的亮度等;⑥高清錄像:系統(tǒng)支持4 路高清視頻同時記錄,并可對關(guān)鍵視頻進(jìn)行保護(hù),記錄的視頻既支持本地回放,也可支持PC 端播放;⑦外置存儲:外接U 盤或移動硬盤(系統(tǒng)分U 盤版和硬盤版),最高支持2 TB 容量;⑧擴(kuò)展功能:系統(tǒng)可根據(jù)客戶需要最高支持掛接16 路雷達(dá),對全景顯示進(jìn)行增強(qiáng),并可通過聲音進(jìn)行提示和預(yù)警;⑨高度定制化:根據(jù)礦卡量身定制,解決礦卡盲區(qū)大的問題,其中鳥瞰拼接范圍最大可超過800 m3;⑩智能化聯(lián)動顯示:根據(jù)防撞系統(tǒng)檢測側(cè)方盲區(qū)的危險性,自動切換到對應(yīng)的側(cè)方危險視頻畫面。
1)智能感知、多重檢測。視覺感知基于深度學(xué)習(xí)框架,具有智能感知特性,多個毫米波雷達(dá)之間重疊覆蓋檢測,同時毫米波雷達(dá)與視覺進(jìn)行融合檢測,確保安全。
2)執(zhí)行精確、響應(yīng)快。通過一體化執(zhí)行控制模塊能夠精確控制車輛電制動并做到快速響應(yīng),響應(yīng)時間50 ms。
3)全方位預(yù)警、立體化顯示。采用衛(wèi)星定位和V2V 通信技術(shù),解決卡車周圍車輛的位置、運動方向、與本車之間的相對關(guān)系等問題。特別是對受到道路側(cè)面擋墻的遮擋、彎道的遮擋或三角體遮擋的車輛應(yīng)能及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、定位和預(yù)警[8-9]。通過V2X 超前感知,進(jìn)行語音報警,聯(lián)動全景影像進(jìn)行車身周邊視頻顯示,當(dāng)車輛行駛前方出現(xiàn)障礙物小于安全距離時,該系統(tǒng)會發(fā)出剎車提醒信號,方便輔助司機(jī)判斷前方情況提醒前方危險,在司機(jī)及時操作剎車踏板制動的情況下,自動剎車系統(tǒng)不會啟動,人為操作優(yōu)先;若司機(jī)未及時操作剎車踏板制動,則該系統(tǒng)先提示報警,再啟動電緩行,車速下降,如危險持續(xù),則進(jìn)行剎停,并進(jìn)行裝載制動。危險排除后,司機(jī)手動按下“剎車制動解除按鍵”,使“剎車踏板”恢復(fù)原狀,剎車狀態(tài)解除[10]。
4)信息互通性。毫米波雷達(dá)主動防碰撞自動剎車系統(tǒng)、防撞預(yù)警系統(tǒng)之間具有信息互通,做到感知信息共享,相互確認(rèn),還可以根據(jù)實際需要,設(shè)置報警聲音、預(yù)警靈敏度等信息,讓預(yù)警更符合需求。
5)高適應(yīng)性、高穩(wěn)定性。能夠適應(yīng)露天礦現(xiàn)場惡劣環(huán)境,抗震、耐高溫低溫(-40~+75 ℃);能適用于任何車型,不影響原車結(jié)構(gòu)、體積小、操作簡易。在不同天氣(白天、夜晚等)、不同的介質(zhì)(粉塵、大霧等)、車輛不同運行姿態(tài)(同向、相向、彎道、平路、上坡、下坡、空車、重車等姿態(tài)可以通過傳感器判斷)條件下均應(yīng)能夠達(dá)到準(zhǔn)確的防撞效果。
6)自檢功能。系統(tǒng)在每次通電開機(jī)后都自動進(jìn)行設(shè)備自檢工作,自檢結(jié)果會通過顯示器和提醒司機(jī)。
主動防撞預(yù)警系統(tǒng)分別在內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司南露天煤礦、扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司、國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司露天礦等進(jìn)行了實施應(yīng)用。
內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司南露天煤礦開采年限已有40 年歷史,年核定產(chǎn)能1 800 萬t。該礦于2019 年11 月開始使用前面提出的主動防撞預(yù)警系統(tǒng),并在117 臺礦用卡車上進(jìn)行了系統(tǒng)安裝。扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司位于霍林河煤田二采區(qū),年核定產(chǎn)能1 800 萬t,并于2020 年5 月開始使用主動防碰撞預(yù)警系統(tǒng),在76 臺礦用卡車車輛進(jìn)行了安裝。白音華二號礦是國家電投集團(tuán)為實現(xiàn)跨區(qū)域煤電聯(lián)營打造的又一煤源基地生產(chǎn)煤礦之一,該礦于2005 年開工建設(shè),2010 年投運,2020 年4 月開始使用主動防碰撞預(yù)警系統(tǒng),在24 臺礦用卡車車輛上進(jìn)行了安裝。
主防碰撞系統(tǒng)應(yīng)用期間,可以通過V2X 超前感知,進(jìn)行語音報警,聯(lián)動全景影像進(jìn)行車身周邊視頻顯示,在危險時刻進(jìn)行前向避撞剎車,也可以通過傳感器判斷車輛是在轉(zhuǎn)彎、傾斜、上坡、下坡等姿態(tài),實現(xiàn)更有效、更精確的防撞效果;其次,該系統(tǒng)通過一體化執(zhí)行控制模塊可以做到快速響應(yīng),響應(yīng)時間50 ms;此外,當(dāng)車輛行駛前方出現(xiàn)障礙物小于安全距離時,先提示報警,再啟動電緩行,車速下降,如危險持續(xù),則進(jìn)行剎停,并進(jìn)行裝載制動。系統(tǒng)在3 大礦區(qū)應(yīng)用至今,一直保持零事故運營的佳績。為礦用卡車的生產(chǎn)運營提供了較大的安全保證,變被動防撞為主動,極大的降低了礦區(qū)緊急事故發(fā)生率。
提出了一套適用于礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境的主動防碰撞系統(tǒng),并針對礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境需求進(jìn)行了功能設(shè)計。當(dāng)卡車與前方車輛有碰撞危險的情況下,主動防碰撞系統(tǒng)可以采取自動緊急制動措施,極大的降低了礦區(qū)緊急事故發(fā)生率,最大限度地減少了安全事故的發(fā)生,實現(xiàn)了礦區(qū)安全生產(chǎn)作業(yè)的目標(biāo),降低了夜間作業(yè)和疲勞駕駛的事故發(fā)生率,對保障礦區(qū)安全生產(chǎn)有重大意義。