無人駕駛技術(shù)在新疆天池能源南露天煤礦的應(yīng)用

楊孝新，郭浩宇，楊志勇

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

隨著我國的經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，煤炭行業(yè)的綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型已成必由之路?，F(xiàn)階段，5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與礦山企業(yè)的融合逐步走向深水區(qū)，礦山生產(chǎn)模式不斷發(fā)生變化，而礦山智能化建設(shè)已成為當(dāng)前礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新趨勢。作為智慧礦山建設(shè)的重要組成部分，礦區(qū)無人駕駛技術(shù)日趨成熟，不僅大大提高了礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)效率，降低了礦區(qū)運(yùn)營管理成本，還進(jìn)一步增強(qiáng)了礦區(qū)智能化水平，促進(jìn)礦業(yè)安全、高效、綠色發(fā)展。

1 露天礦無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外露天礦無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)礦業(yè)國家自20 世紀(jì)90 年代就已開展礦山自動(dòng)化、智能化研究，目前發(fā)達(dá)國家的露天礦卡車無人駕駛技術(shù)和系統(tǒng)已廣泛投入實(shí)際應(yīng)用。2013年，澳大利亞FMG（Fortescue Metals Group）在索羅門鐵礦區(qū)（Solomon Hub）運(yùn)行卡特“礦山之星”（Mine Star）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了卡車無人駕駛和礦山車輛管理、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、安全避讓、設(shè)備診斷、調(diào)度協(xié)同指揮等功能，大幅減少了現(xiàn)場人員，使礦區(qū)的卡車運(yùn)行效率提高了20%以上。巴西淡水河谷公司利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)卡車在開采區(qū)、卸料區(qū)之間的自動(dòng)高效往返運(yùn)輸，截止目前已在布魯庫圖礦區(qū)運(yùn)輸超過1 億t 礦石，累計(jì)行駛180 萬km，從未發(fā)生過1 起因自動(dòng)駕駛卡車導(dǎo)致的安全事故。

1.2 國內(nèi)露天礦無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)礦用卡車無人駕駛技術(shù)起步較晚，近年來通過積極儲(chǔ)備人才、技術(shù)資源，高起點(diǎn)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，礦山無人駕駛卡車的技術(shù)才有了較快發(fā)展。目前國內(nèi)各大露天煤礦均在探索礦卡無人駕駛技術(shù)，主要基于現(xiàn)有采運(yùn)設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)少量礦山卡車無人化運(yùn)行，尚未完全實(shí)現(xiàn)露天礦生產(chǎn)現(xiàn)場無人化采掘、運(yùn)輸、排土[1-3]。國家能源集團(tuán)準(zhǔn)東露天煤礦2020年投入1 臺(tái)挖掘機(jī)、6 輛礦車進(jìn)行了“5G＋無人駕駛”現(xiàn)場試驗(yàn)，目前已累計(jì)運(yùn)行17.4 萬km。黑岱溝露天煤礦完成了國內(nèi)首臺(tái)載重290 t 930E 無人駕駛礦用卡車改造，實(shí)現(xiàn)了10 臺(tái)930E 電動(dòng)輪自卸無人駕駛礦用卡車在坑下混編作業(yè)連續(xù)運(yùn)行。

2 礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)

1）總體結(jié)構(gòu)。礦山無人駕駛系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、高精度定位技術(shù)、傳感器技術(shù)以及車輛控制技術(shù)等，系統(tǒng)整體架構(gòu)自上而下分為云計(jì)算及服務(wù)層、邊緣計(jì)算與通信層、車端計(jì)算及執(zhí)行層。系統(tǒng)主要由云端調(diào)度指揮平臺(tái)、車載無人駕駛系統(tǒng)、5G＋4G 通信系統(tǒng)、人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)等構(gòu)成[4-6]。

2）云端調(diào)度指揮平臺(tái)。云端調(diào)度指揮平臺(tái)主要負(fù)責(zé)無人駕駛系統(tǒng)的車輛狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度、車隊(duì)管理、礦山數(shù)字地圖顯示、遙控駕駛、全局路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)分析等，是實(shí)現(xiàn)作業(yè)管理與監(jiān)控的主體，是礦山運(yùn)輸無人駕駛的綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)，相當(dāng)于中樞和大腦。

3）車載無人駕駛系統(tǒng)。車載無人駕駛系統(tǒng)主要由高精度定位設(shè)備、高靈敏度傳感器、V2X 模塊、超算平臺(tái)、高可靠性線控底盤等構(gòu)成。通過多模式衛(wèi)星導(dǎo)航、4G/5G 基站通信以及路測感知設(shè)備等實(shí)現(xiàn)車輛位置實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位、車體周邊運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)顯示、信息數(shù)據(jù)接收與上傳、運(yùn)行軌跡規(guī)劃等功能，實(shí)現(xiàn)無人駕駛自卸車自主裝車、運(yùn)輸、排土等作業(yè)活動(dòng)。

4）通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要采用“5G＋4G”混合通信網(wǎng)絡(luò)，通過在運(yùn)輸車輛上安裝5G＋LTE－V 的車載單元OBU，使車輛實(shí)現(xiàn)V2N（車和平臺(tái)）、V2V（車和車）、V2I（車和基礎(chǔ)設(shè)施）通信對(duì)話功能。其中，V2V 功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛周邊200 m 范圍的感知，能夠在高頻段、高車流量的環(huán)境下提供可靠的通信能力，并且在大容量、低時(shí)延、抗干擾性以及可管理性等方面更為成熟穩(wěn)定。

5）人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)具備高精度定位、信息交互、任務(wù)引導(dǎo)等功能[7-8]。在調(diào)度平臺(tái)統(tǒng)一指揮下，通過5G/V2X 無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)采裝設(shè)備、無人駕駛卡車、輔助生產(chǎn)設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)。

3 新疆天池能源南露天礦無人駕駛技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 新疆天池能源南露天煤礦概況

新疆天池能源南露天煤礦位于新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)西部，核準(zhǔn)生產(chǎn)能力為30.0 Mt/a，面積45.84 km2，開采標(biāo)高由610 m 至325 m 標(biāo)高，煤層平均厚度76.84 m，屬于巨厚傾斜煤層，首采區(qū)煤層傾角為6°～19°。運(yùn)營模式為“自營＋承包”兼有模式，其中采煤工程采用自營模式，設(shè)有1 支采煤隊(duì)，剝離、爆破工程采用承包模式，設(shè)有2 支剝離隊(duì)、2 支爆破隊(duì)。剝離工藝為“單斗－卡車”間斷式工藝，采煤工藝為“單斗－卡車－半移動(dòng)式破碎站－帶式輸送機(jī)”半連續(xù)工藝。

3.2 無人駕駛建設(shè)方案

新疆天池能源南露天煤礦于2019 年開始籌備露天礦現(xiàn)場無人駕駛寬體自卸車運(yùn)營示范項(xiàng)目，其中礦方主要為無人駕駛示范規(guī)劃獨(dú)立封閉的作業(yè)區(qū)域、運(yùn)輸系統(tǒng)、停車場、供電線路、5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)，合作單位負(fù)責(zé)無人駕駛系統(tǒng)的搭建和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。2020 年投入了6 輛無人駕駛寬體自卸車、1 臺(tái)卡特349 挖掘機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，主要開展單編組單班作業(yè)。2021 年新增6 臺(tái)無人駕駛寬體自卸卡車、1 臺(tái)卡特349 挖掘機(jī)，并先于5 月開展單編組雙班作業(yè)，6月開始進(jìn)行雙編組雙班作業(yè)。無人駕駛寬體自卸車采用同力TLI65 型號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)斗容為25 m3，額定載重為40 t，車輪直徑為1 304 mm，最高車速為40 km/h。無人駕駛自卸車的剝離區(qū)間設(shè)置在采場東側(cè)一標(biāo)段地表～595、595～580 平盤，工程量約為150 萬m3；運(yùn)輸路線為“一標(biāo)595～580 平盤→4 號(hào)出入溝→4 號(hào)坡道～沿幫排土場610 平盤→沿幫排土場630 平盤→沿幫排土場650 平盤”；排土區(qū)間為沿幫排土場650 平盤；停車場設(shè)置在沿幫排土場650 平盤排棄區(qū)間西側(cè)。無人駕駛車輛運(yùn)行期間采用封閉式管理，將北幫聯(lián)絡(luò)路、一標(biāo)地表區(qū)域、沿幫排土場610、630、650 平盤進(jìn)行封閉。

3.3 無人駕駛作業(yè)流程

1）采裝。在調(diào)度指揮平臺(tái)的統(tǒng)一規(guī)劃下，搭載感知、定位設(shè)備的無人駕駛寬體自卸車，沿實(shí)時(shí)規(guī)劃路徑，自主進(jìn)入裝載區(qū)，有序待裝。車輛待裝過程中，挖機(jī)標(biāo)定裝載位，車輛自動(dòng)駛?cè)胙b載位，裝載完成后車輛根據(jù)平臺(tái)指令駛出裝載區(qū)。

2）運(yùn)輸。無人駕駛自卸車重載離場后，根據(jù)平臺(tái)下發(fā)的實(shí)時(shí)軌跡，駛向排土場。沿途自主實(shí)現(xiàn)爬坡、過彎、繞障等動(dòng)作，規(guī)劃進(jìn)入排土場。

3）排土。無人駕駛自卸車駛?cè)肱磐翀龊?，調(diào)度指揮平臺(tái)根據(jù)卸載車輛排隊(duì)情況、排土線作業(yè)實(shí)況為待卸載車輛指定排土位置，并提供排土位置引導(dǎo)路線；進(jìn)入排土位后，自卸車自主開展停車、舉廂、落廂、車態(tài)調(diào)整等卸載操作。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

截止2021 年12 月，南露天煤礦無人駕駛示范項(xiàng)目已投入2 臺(tái)挖掘機(jī)和12 輛無人駕駛寬體自卸車，累計(jì)完成剝離工程量約106 萬m3，運(yùn)行里程超過15.7 萬km。

根據(jù)露天煤礦實(shí)際工況，成功研發(fā)出混合調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)單作業(yè)平臺(tái)到多作業(yè)平臺(tái)多編組混合調(diào)度。2021 年6 月份率先在全國范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)雙編組雙班全流程自動(dòng)作業(yè)，并穩(wěn)定運(yùn)行6 個(gè)月以上，日生產(chǎn)量約為3 900 m3，生產(chǎn)效率比單編組運(yùn)行高出10%以上。完成了6 輛無人駕駛自卸車改制。通過加裝車輛線控執(zhí)行器安全冗余部件、安設(shè)胎溫胎壓傳感器、更換寬溫版本激光雷達(dá)、增設(shè)后向激光雷達(dá)、車載計(jì)算平臺(tái)升級(jí)，進(jìn)一步提高無人駕駛自卸車的運(yùn)行效率、可靠性及環(huán)境適應(yīng)能力。

3.5 存在問題

1）雙編組運(yùn)行模式在作業(yè)流程方面不足以驗(yàn)證多編組作業(yè)時(shí)無人駕駛系統(tǒng)的生產(chǎn)銜接性、流暢性，如鏟位排布、坡道形成、坡道拆除、多車連續(xù)排隊(duì)同時(shí)排土、加油、出車點(diǎn)檢、維修保養(yǎng)等。

2）無線通信信號(hào)受采礦作業(yè)現(xiàn)場地形變化影響較大。露天煤礦現(xiàn)場作業(yè)區(qū)的地形變化較為頻繁，隨著采剝工作面推進(jìn)深入和排土區(qū)域抬升，現(xiàn)有5G 無線網(wǎng)絡(luò)無法滿足地形變化后覆蓋需求，時(shí)常出現(xiàn)通信盲區(qū)。

3）無人駕駛作業(yè)對(duì)采礦計(jì)劃的銜接性更嚴(yán)格。當(dāng)工作面推進(jìn)至當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃邊界后，如果新的采剝計(jì)劃銜接不及時(shí)，會(huì)對(duì)無人駕駛拉溝作業(yè)、移鏟作業(yè)產(chǎn)生影響。

4）無人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在局部區(qū)域作業(yè)環(huán)節(jié)不連續(xù)情況。例如進(jìn)入裝載位倒車不到位、裝載區(qū)內(nèi)入換折返頻繁等，影響整體作業(yè)效率。

3.6 后期建設(shè)計(jì)劃

1）提高礦區(qū)5G 通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)質(zhì)量。根據(jù)露天煤礦無人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行情況，逐步改善礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況，定期對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行巡檢維護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)信息薄弱或者盲區(qū)，立即進(jìn)行整改完善。充分利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制指令低時(shí)延收發(fā)、大容量感知數(shù)據(jù)等功能。

2）提升無人駕駛平臺(tái)的安全防護(hù)和應(yīng)急處理能力。露天煤礦無人駕駛系統(tǒng)安全防護(hù)包括信息安全和功能安全，信息安全可通過建設(shè)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)，利用5G 技術(shù)保障平臺(tái)安全、數(shù)據(jù)傳輸正常；功能安全通過現(xiàn)場測試和實(shí)際運(yùn)行情況，不斷改進(jìn)和優(yōu)化平臺(tái)數(shù)據(jù)算法，提高終端安全防護(hù)和平臺(tái)應(yīng)急處理能力。

3）建立礦區(qū)無人駕駛運(yùn)行管理制度體系。無人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行需要依靠制度的規(guī)范管理，露天煤礦目前的無人駕駛管理類制度和辦法還不夠完善，需要進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際情況進(jìn)行修訂、完善。

4）提高無人駕駛自卸車的容錯(cuò)、感知以及故障修復(fù)能力。在生產(chǎn)作業(yè)過程中，粉塵較大會(huì)引起雷達(dá)、超聲波傳感器的誤報(bào)，造成錯(cuò)誤警告或引起系統(tǒng)功能故障，加強(qiáng)車端的感知、容錯(cuò)和故障處理能力；持續(xù)推進(jìn)無人駕駛自卸車故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛車輛軟、硬件系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警。

5）加快露天煤礦無人駕駛多編組雙班運(yùn)行。目前露天煤礦無人駕駛寬體自卸車雙編組運(yùn)行已相對(duì)穩(wěn)定，后期將重點(diǎn)開展無人駕駛四編組雙班運(yùn)行（即4 臺(tái)挖掘機(jī)、24 臺(tái)無人駕駛自卸車），實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮平臺(tái)多編組動(dòng)態(tài)調(diào)度，提升多編組作業(yè)生產(chǎn)效率，進(jìn)一步驗(yàn)證無人駕駛平臺(tái)現(xiàn)場通信能力、平臺(tái)調(diào)度及計(jì)算能力、感知識(shí)別能力、多設(shè)備協(xié)同作業(yè)能力、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的吞吐能力等。

6）推進(jìn)駕駛艙去輔助駕駛員環(huán)節(jié)。通過研發(fā)高精度遠(yuǎn)程遙控駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)和遠(yuǎn)程操控車輛作業(yè)，直至實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人駕駛。

4 結(jié)語

新疆天池能源南露天煤礦通過引入無人駕駛技術(shù)，探索了無人駕駛的發(fā)展路徑和合作模式，開展了現(xiàn)場工程實(shí)踐和理論分析研究，發(fā)展和完善了露天煤礦無人駕駛技術(shù)理論及應(yīng)用，逐步構(gòu)建符合露天煤礦自身生產(chǎn)實(shí)際的無人化生產(chǎn)管理模式，為后期智慧礦山建設(shè)起到了重要和關(guān)鍵的推動(dòng)作用。