露天礦卡車無人駕駛測試基地建設(shè)構(gòu)想

王利明

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

近年來，我國礦山智能化研究與建設(shè)工作進入了快速發(fā)展階段[1-2]。其中礦山運輸作為露天煤礦的核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，智能化升級一直都受到煤礦企業(yè)及行業(yè)的重點關(guān)注，目前國內(nèi)已出現(xiàn)部分礦山企業(yè)進行礦山無人駕駛系統(tǒng)的研究測試和小范圍應(yīng)用。為使露天礦山卡車無人駕駛技術(shù)盡快進入大范圍落地應(yīng)用階段，需要對設(shè)備、系統(tǒng)、工藝、管理等方面進行工業(yè)試驗。而目前在生產(chǎn)礦山進行礦卡無人駕駛技術(shù)全環(huán)節(jié)全流程的研究測試存在難度，對礦山的正常生產(chǎn)會產(chǎn)生較大影響，因此，提出建設(shè)露天礦山卡車無人駕駛測試基地的構(gòu)想，通過在測試場地部署礦山無人駕駛技術(shù)的相關(guān)測試設(shè)施，針對性地設(shè)計露天礦山各環(huán)節(jié)的真實作業(yè)場景，對礦卡無人駕駛系統(tǒng)進行深度研究與測試，研究無人化技術(shù)在露天礦山的適用性、可靠性和先進性，為后續(xù)礦山無人化技術(shù)在各大露天礦山的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 礦卡無人駕駛測試與應(yīng)用現(xiàn)狀

露天礦山卡車無人駕駛技術(shù)在國外發(fā)展較早，其中較為知名的無人礦卡設(shè)備生產(chǎn)公司有：Caterpillar（卡特彼勒）、Komatsu（小松）、Hitachi（日立）等。而一些國家的露天礦山已經(jīng)成功應(yīng)用了無人駕駛礦卡，如智利國有銅業(yè)公司（Codelco）旗下最大的分公司北方銅礦公司應(yīng)用了小松公司的自動運輸系統(tǒng)；加拿大森科爾能源公司計劃在其下屬North Steep－bank 礦山部署超過150 輛無人駕駛卡車；澳大利亞Fortescue Metals Group（FMG）與卡特彼勒（CAT）公司合作在所羅門鐵礦區(qū)投入使用54 臺無人駕駛礦，使礦區(qū)的運行效率提高了20%；澳大利亞西部皮爾巴拉鐵礦區(qū)目前擁有全球最大的無人駕駛卡車車隊，目前超過130 臺，運輸量超10 億t 礦石。

在國內(nèi)測試與應(yīng)用方面，比較有代表性的有2018 年包鋼集團、踏歌智行、北方股份、北京航空航天大學(xué)、中國移動、華為合作簽約，共同推進世界最大的稀土露天礦山白云鄂博礦無人駕駛項目，實施“5G 網(wǎng)絡(luò)條件下無人駕駛及操作的智慧礦山技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用”；江銅集團、中國移動、華為、航天重工和山推股份在城門山銅礦聯(lián)合打造的國內(nèi)首個有色礦山車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，礦車具有無人行駛、智能避障等功能[3-4]；中煤平朔集團公司東露天煤礦、國家能源集團黑岱溝露天煤礦、西灣露天煤礦[5]等國內(nèi)大型露天煤礦在生產(chǎn)礦山進行的小范圍礦卡無人駕駛應(yīng)用示范項目。

根據(jù)目前國內(nèi)的測試與應(yīng)用情況，主要突顯出2 大問題：①安全：受技術(shù)限制，目前礦山無人駕駛車輛都配備有輔助駕駛?cè)藛T和安全員，減人目標(biāo)實現(xiàn)不了，極大地提高了無人駕駛運輸?shù)淖鳂I(yè)成本；②效率：因作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，目前礦山主要生產(chǎn)運輸設(shè)備無人駕駛的運行效率較有人駕駛會有所降低，礦山大范圍使用無人駕駛會造成產(chǎn)能目標(biāo)無法實現(xiàn)、生產(chǎn)成本大幅提升等問題。

2 測試基地構(gòu)想

露天礦山卡車無人駕駛測試基地的建設(shè)目標(biāo)為盡最大可能還原露天礦的實際作業(yè)條件，并盡可能在測試基地中模擬露天礦所有可能出現(xiàn)的場景，以達到測試系統(tǒng)適用性和可靠性的目的。以平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦轉(zhuǎn)向遺留采坑作為基地建設(shè)的研究對象，對如何構(gòu)建專業(yè)化礦卡無人駕駛測試基地進行研究。

2.1 基礎(chǔ)建設(shè)條件

測試基地的核心目標(biāo)是對露天礦山卡車無人駕駛技術(shù)進行全環(huán)節(jié)全流程的測試研究，因此要建設(shè)高質(zhì)量的測試基地，應(yīng)盡量還原露天礦的實際作業(yè)條件，基礎(chǔ)建設(shè)條件主要如下：①具備露天礦山的基本組成要素：如剝采工作面、道路、排土場地等；②場地應(yīng)具備良好的外部建設(shè)條件：如電源、進場道路等；③場地應(yīng)能最大程度的還原露天礦山的真實環(huán)境。

安太堡露天煤礦轉(zhuǎn)向遺留采坑位于安太堡礦內(nèi)排土場西側(cè)，礦區(qū)生態(tài)公園以東。在安太堡礦開采該處位置向東完成轉(zhuǎn)向后，由于內(nèi)排跟進問題遺留下該處礦坑，因此完全滿足場地選址的幾個關(guān)鍵條件，且該處位置目前已經(jīng)廢棄，不與現(xiàn)有生產(chǎn)露天礦發(fā)生交叉，具備非常好的基地建設(shè)條件。礦坑北幫與西幫為剝離遺留終幫，南幫和東幫為排土遺留終幫。礦坑坑底標(biāo)高為1 235 m 水平，礦坑四周地表最大標(biāo)高約1 480 m 水平，礦坑的最大深度為245 m。

2.2 高精度地圖系統(tǒng)

高精度地圖系統(tǒng)是指在智能化露天礦生產(chǎn)過程中，整個礦山作業(yè)區(qū)域的三維地形構(gòu)建以及實時變化的維護過程，并能夠為其他相關(guān)系統(tǒng)提供需要的地圖關(guān)鍵信息[6]。高精度地圖核心定義是擁有精確的車輛位置信息和豐富的道路元素數(shù)據(jù)信息，起到構(gòu)建類似于人腦對于空間的整體記憶與認(rèn)知的功能，可以幫助汽車預(yù)知路面復(fù)雜信息，如坡度、曲率、航向等，更好地回避潛在的風(fēng)險。高精度地圖系統(tǒng)是實現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵所在，其核心即是地理信息和空間信息。整體作業(yè)流程如圖1。

圖1 整體作業(yè)流程圖

2.3 測試場地

通過現(xiàn)場踏勘以及根據(jù)無人機測量的相關(guān)地形數(shù)據(jù)分析，對研究地點現(xiàn)場的實際情況進行研究，形成了基地建設(shè)的幾點技術(shù)原則：①擬利用原井東礦遺留的注漿車間場地改造為決策指揮控制系統(tǒng)，考慮到安全方面的因素，采運排測試場地應(yīng)位于決策指揮控制系統(tǒng)位置水平以下；②現(xiàn)場未能保留完整的剝采工作面和排土工作面，需要采取工程措施重新構(gòu)建剝采工作面和排土工作面，考慮到巖石剝挖成本高昂，且不利于端幫的穩(wěn)定性，場地建設(shè)時優(yōu)先采用剝挖松散物料和采取填方的方式構(gòu)建作業(yè)工作面；③現(xiàn)場端幫道路保留不完整，且寬度遠小于30 m，需要重新構(gòu)建道路運輸系統(tǒng)，考慮到端幫幫坡角較大，端幫路擴寬難以實現(xiàn)，運輸系統(tǒng)建設(shè)時優(yōu)先考慮道路較寬位置，必要時設(shè)置單行道路；④主聯(lián)絡(luò)道路位于南幫，綜合坡度約9%，不符合規(guī)范對聯(lián)絡(luò)路道路的相關(guān)要求，因此需要采取必要措施減小主聯(lián)絡(luò)路的綜合坡度；⑤由于基地為深凹尾坑，最大高差達245 m，坑內(nèi)匯水向坑外排棄較為困難，因此需要在坑底保留匯水坑，以保證雨季期間形成的區(qū)域匯水不會影響到基地的正常運行。

該方案充分利用坑底填方形成的1 245 m 水平平臺，在該平臺實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)剝采工作面、道路交叉、S彎道等多個場景的構(gòu)建，同時在1 305 m 水平排土臺階進行挖方處理至1 290 m 水平，形成標(biāo)準(zhǔn)排土作業(yè)工作面。在1 290 m 水平排土場以上水平不再設(shè)置測試場地，僅通過聯(lián)絡(luò)道路聯(lián)通至場外。

1）剝采工作面。露天礦山的作業(yè)起點就是剝采工作面，測試基地建設(shè)時需要充分考慮露天礦山不同剝采方式，并搭建符合露天礦實際作業(yè)情況的剝采工作面，以滿足測試場地對不同剝采方式的模擬和試驗。剝采工作面根據(jù)自卸卡車的裝車方式和工作面組成形式進行設(shè)計。裝車方式考慮同水平裝車和下裝車2 種裝車方式，設(shè)置不同臺階高度的裝車作業(yè)面；工作面組成形式設(shè)計為相向開采工作面，為充分測試2 個裝載作業(yè)點距離較近時對卡車作業(yè)的影響，工作面采掘帶剩余長度盡量取值較小，該值可根據(jù)場地建設(shè)的實際條件確定。

2）礦山運輸。露天礦山采運排3 大主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，運輸環(huán)節(jié)是最復(fù)雜的，是整個礦山各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中成本最高、設(shè)備數(shù)量最多、生產(chǎn)管控最困難、最易出現(xiàn)安全事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此礦山運輸系統(tǒng)是智能化露天礦建設(shè)的關(guān)鍵核心環(huán)節(jié)[7]。礦山運輸系統(tǒng)的建設(shè)需要盡可能還原所有的礦山道路情況，如直線道路、不規(guī)則彎曲道路、S 彎道路、交匯道路、交叉道路、連續(xù)變坡道路、極限轉(zhuǎn)彎道路、極限爬坡道路、雙行變單行道路、路面凹凸道路、兩側(cè)附著系數(shù)不同道路、路面結(jié)構(gòu)變化道路等，以實現(xiàn)智能化露天礦運輸系統(tǒng)的全方位測試。根據(jù)研究確定的測試場地建設(shè)方案，道路運輸系統(tǒng)測試場地建設(shè)主要技術(shù)特征表見表1。

表1 道路運輸系統(tǒng)測試場地建設(shè)主要技術(shù)特征表

3）排土工作面。露天礦山的剝離作業(yè)終點是排土場，所有的剝離物都運輸?shù)脚磐翀鲞M行排棄。露天礦山采用單斗卡車的開采工藝時，剝離物由卡車運輸?shù)脚磐翀鲞M行排棄。因此在構(gòu)建排土工作面時，應(yīng)充分考慮礦山自卸卡車的排土作業(yè)方式，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)卡車排土作業(yè)工作面，并考慮輔助排土設(shè)備與排土卡車的配合作業(yè)問題。

2.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是指智能化露天礦作業(yè)的所有信息交互系統(tǒng)，如地圖與決策指揮控制系統(tǒng)、決策指揮控制系統(tǒng)與車輛控制系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)與車、車與車、車與人等[8]。通信系統(tǒng)的構(gòu)建采用5G 通信技術(shù)，5G技術(shù)具有超高速率、超低延時的核心優(yōu)點，露天礦山智能化系統(tǒng)對通信系統(tǒng)有極高的要求，5G 通信將滿足以下要求。

1）大數(shù)據(jù)量上傳要求。智能化露天礦山行駛作業(yè)車輛從有人駕駛變?yōu)闊o人駕駛，以前由人的大腦處理和解決的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)現(xiàn)在都需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行慕y(tǒng)一處理，分析和計算決策。同時系統(tǒng)需要應(yīng)用V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即在車與車之間、車與控制中心之間需要大量的數(shù)據(jù)傳遞，5G 技術(shù)將很好的滿足該需求。

2）傳輸時延要求。智能化露天礦山中的無人駕駛車輛在遇到異?；蚓o急情況時會請求控制中心進行接管，因此對中心的快速響應(yīng)上具有非常高的要求。在這些交互式體驗中，具有極低傳輸時延的5G技術(shù)可以很好地解決因時延導(dǎo)致的意外事故，更低的通信延時保證了車輛和人員的安全。

3）快速下載要求。智能化露天礦山無人駕駛車輛行駛路徑基于頻繁更新路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的高精度地圖基礎(chǔ)上構(gòu)建，需要支持大量的數(shù)據(jù)下載和更新，在目前工作繁忙，生產(chǎn)任務(wù)緊迫的礦山開采作業(yè)中，需要更加流暢的下載體驗，才能更大化的提高生產(chǎn)作業(yè)效率，更好的保證無人駕駛車輛的安全駕駛行為。

鑒于礦區(qū)實際環(huán)境情況，且隨著測試采礦進度的深入，整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)隨著采礦進度進行不定向不定時的移動，不利于架設(shè)固定的鐵塔進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，考慮到網(wǎng)絡(luò)的便捷移動需求，采用5G 通信車的方式進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通信車對外接口為380 V 動力電源、RJ45 網(wǎng)口、車輛根據(jù)測試覆蓋情況選擇停放于礦區(qū)頂部或者底部。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.5 露天礦山智能化決策指揮控制系統(tǒng)

決策指揮控制系統(tǒng)是指整個露天礦的最高指揮中心，負(fù)責(zé)整體管控礦山的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)。決策指揮控制系統(tǒng)將部署無人礦山管控與測試系統(tǒng)，實現(xiàn)整個測試基地的測試管理與智能調(diào)度，包括決策指揮控制系統(tǒng)、應(yīng)急接管子系統(tǒng)、系統(tǒng)仿真與測試子系統(tǒng)，通過這3 個子系統(tǒng)實現(xiàn)整個智能化礦山的業(yè)務(wù)管理與示范運營。

1）決策指揮控制系統(tǒng)。決策指揮控制系統(tǒng)是露天礦山機械管理與調(diào)度的核心系統(tǒng)，使命是連接采礦作業(yè)中的各類機械設(shè)備到管控中心大腦，通過不間斷的計算、規(guī)劃、管理，為礦山生產(chǎn)活動打造現(xiàn)代化高效發(fā)展引擎。該系統(tǒng)適用于連接和調(diào)度智能化礦山各種場景下的工程機械，包括挖卡協(xié)同作業(yè)場景下的挖掘機、大型礦卡、寬體自卸、排土場等場景中的智能終端設(shè)備。決策指揮控制系統(tǒng)根據(jù)實際生產(chǎn)需要合理安排作業(yè)規(guī)劃，實現(xiàn)礦山業(yè)務(wù)綜合效益最大化。

2）應(yīng)急接管子系統(tǒng)。主要包括虛擬駕駛與遙控駕駛2 大模塊，其中遙控駕駛通過在平行駕駛中心的駕駛模擬器上部署的遙控駕駛云端程序，完成對自動駕駛車輛的遠程應(yīng)急接管，操作駕駛模擬器的遠程遙控駕駛員對車輛控制的優(yōu)先級大于自動駕駛車輛的自動駕駛算法，駕駛員可以實現(xiàn)對車輛的主動強制接管和被動應(yīng)急響應(yīng)接管。虛擬駕駛部分，在中心服務(wù)器上部署虛擬環(huán)境，并在虛擬環(huán)境中映射與真實車輛對應(yīng)的虛擬車輛。通過控制算法，可以實現(xiàn)車輛在云端的平行學(xué)習(xí)與運行。

3）系統(tǒng)仿真與測試子系統(tǒng)。礦區(qū)工作環(huán)境惡劣、道路條件復(fù)雜，礦山運輸設(shè)備體積和重量龐大、傳動、轉(zhuǎn)向機構(gòu)特殊，為無人礦山車輛設(shè)備的實際控制造成較大的困難。若直接采用實車進行測試，會有較大的測試風(fēng)險、也會影響測試的快速進展、并增加測試成本。通過部署虛擬測試將極大提高測試效率、降低測試成本、同時保證測試的安全。該系統(tǒng)需具備準(zhǔn)確的礦卡動力學(xué)模型、逼真的虛擬現(xiàn)實模型、傳感器模型、感知、決策、規(guī)劃、控制等功能，可仿真內(nèi)容包括車輛性能測試、運行安全測試、無人駕駛算法測試等，為無人車輛的測試提供多樣性的選擇。

3 結(jié)語

對如何建設(shè)專業(yè)化測試基地進行了研究，提出構(gòu)建三系統(tǒng)一場地的建設(shè)思路，并對高精地圖系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、智能化決策指揮控制系統(tǒng)的重要作用和具體功能進行了剖析，對測試場地的具體建設(shè)內(nèi)容進行了初步構(gòu)想。建設(shè)專業(yè)化的露天礦山卡車無人駕駛測試基地有利于推動礦山無人駕駛技術(shù)的快速迭代成熟，為礦山智能化建設(shè)提供有效的技術(shù)途徑和經(jīng)驗借鑒。