孫慶山，張 磊，龐東君，高德旭，楊 丹

（北京易控智駕科技有限公司，北京 100083）

在露天礦生產(chǎn)中，礦方對(duì)無(wú)人駕駛車輛的需求也在不斷增長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、定位技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、傳感技術(shù)、車輛控制技術(shù)的日益成熟，為礦用無(wú)人駕駛卡車應(yīng)用提供了一個(gè)全新的發(fā)展機(jī)遇，用戶的需求推動(dòng)了礦用卡車的研究開(kāi)發(fā)，礦用卡車制造商們對(duì)礦用無(wú)人駕卡車的前景看好，全球各大主要礦用車制造商均在無(wú)人駕駛領(lǐng)域的研究及應(yīng)用上都取得了較大的進(jìn)展。

1 礦用無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

礦用無(wú)人駕駛卡車的研究早在20 世紀(jì)70 年代就開(kāi)始。1994 年，Cat 公司2 臺(tái)無(wú)人駕駛礦卡在美國(guó)投入使用。1995 年，小松公司1 臺(tái)載重77 t 的礦卡在日本的一個(gè)采石場(chǎng)進(jìn)行無(wú)人駕駛采礦試驗(yàn)。目前，5 大全球礦用車供應(yīng)商都在進(jìn)行無(wú)人駕駛礦用車的應(yīng)用與研究。小松的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)澳大利亞和智利運(yùn)行多年，現(xiàn)已有180 多臺(tái)930E 實(shí)現(xiàn)了無(wú)人駕駛，累計(jì)運(yùn)輸物料超過(guò)20 億t；卡特彼勒也有超過(guò)150 多臺(tái)礦用無(wú)人駕駛卡車在幫助近10 家礦業(yè)公司運(yùn)輸鐵礦石、銅和油砂等，為客戶安全移送物料已超過(guò)10 億t（數(shù)據(jù)來(lái)源：卡特彼勒中國(guó)微信公眾號(hào)）；日立、利勃海爾和別拉斯的無(wú)人駕駛技術(shù)也正在試驗(yàn)中；小松最近宣布將在巴西卡拉加斯礦山增加37 臺(tái)930E 無(wú)人駕駛礦車。國(guó)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(wú)人駕駛卡車研究都進(jìn)入了試驗(yàn)測(cè)試階段，截止2019年12 月份，易控智駕無(wú)人駕駛運(yùn)輸土方量已經(jīng)超過(guò)4 萬(wàn)m3，無(wú)人駕駛行駛總里程也已經(jīng)達(dá)到7 500 km。

2 無(wú)人駕駛總體技術(shù)構(gòu)架

露天礦礦用卡車無(wú)人駕駛系統(tǒng)總體技術(shù)構(gòu)架分為3 個(gè)層次：①云計(jì)算及服務(wù)層；②通訊及邊緣計(jì)算；③車載計(jì)算與行動(dòng)。無(wú)人駕駛總體技術(shù)構(gòu)架圖如圖1。

圖1 無(wú)人駕駛總體技術(shù)構(gòu)架圖

基于LTE－V 的車載單元OBU，具備V2V（車和車）、V2I（車和基礎(chǔ)設(shè)施）和V2N（車和平臺(tái)）通信對(duì)話功能，V2X 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)200 m 范圍的感知。未來(lái)可升級(jí)成5G 的V2X，并增加路測(cè)單元RSU。車端無(wú)人駕駛系統(tǒng)主要是感知、定位（融合定位）、決策規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制和車輛電器控制（貨箱舉升、車燈）等幾個(gè)主要方面。

1）感知方面?；诩す饫走_(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭（輔助）、V2V 的融合感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物、擋墻、路面和落石等的識(shí)別，以及動(dòng)態(tài)障礙物軌跡預(yù)測(cè)等。

2）決策規(guī)劃方面。依據(jù)全局路徑和地圖信息對(duì)車輛行為進(jìn)行規(guī)劃（前進(jìn)、倒退、停車、繞障、卸載、路口通行、避讓車輛等），基于實(shí)時(shí)感知的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡的規(guī)劃。

3）運(yùn)動(dòng)控制方面。主要是控制車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、手剎等與車輛6 自由度運(yùn)動(dòng)有關(guān)的線控執(zhí)行器。

4）算法方面。主要算法分為云端平臺(tái)和車端無(wú)人駕駛系統(tǒng)兩部分。云端平臺(tái)主要是增量地圖更新、全局路徑規(guī)劃、車流規(guī)劃、任務(wù)調(diào)度、裝載位/卸載位自動(dòng)生成等。

3 無(wú)人駕駛系統(tǒng)各主要技術(shù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)方式

3.1 采 裝

采裝時(shí)，由于采裝設(shè)備位置不固定，在采裝設(shè)備上安裝具有高精度定位功能的輔助交互系統(tǒng)，輔助交互系統(tǒng)通過(guò)4G/5G 與平臺(tái)互聯(lián)。采裝設(shè)備司機(jī)依據(jù)設(shè)備位置、姿態(tài)信息和平臺(tái)下發(fā)的作業(yè)邊界信息，在系統(tǒng)的輔助下，手動(dòng)確定裝載位置，平臺(tái)依據(jù)裝載位置和可行駛區(qū)域，規(guī)劃車輛裝載路徑。車輛在裝載過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)感知周邊的三維信息，以平臺(tái)規(guī)劃的路徑為引導(dǎo)，并進(jìn)行局部實(shí)時(shí)規(guī)劃，最終停在適合裝載的最佳位置。

3.2 運(yùn) 輸

運(yùn)輸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)方式：①每輛車的運(yùn)輸路徑，平臺(tái)都會(huì)基于地圖信息、裝載位置和卸載位置等信息進(jìn)行全局規(guī)劃，每輛車按照全局規(guī)劃的調(diào)度路徑行駛；②每輛車的無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)感知周邊100 m 范圍內(nèi)的三維環(huán)境信息，包括擋墻、地面落石、車輛、行人等，當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)根據(jù)障礙物類型和狀態(tài)，選擇停車避障或繞障；③所有車輛間的信息交互有2 種模式，車與車直接交互或通過(guò)平臺(tái)間接交互。

3.3 排 卸

車輛排土?xí)r，按照平臺(tái)預(yù)設(shè)的排土位進(jìn)行倒車入位，過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)感知擋墻邊界，控制車輛后輪貼到擋墻后停車、掛空擋、拉手剎，判斷車輛姿態(tài)是否適合舉升，如果滿足舉升條件則開(kāi)始排土操作、控制貨箱舉升，舉升過(guò)程中也會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛姿態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，立刻停止舉升并降斗。如果舉升過(guò)程中沒(méi)有異常發(fā)生，貨箱舉止最大角度后保持一定時(shí)間，然后車輛向前行駛一段距離后，停車降斗，貨箱將至最低位后，車輛完成排土操作，按照平臺(tái)規(guī)劃路徑繼續(xù)行駛。

3.4 駕駛模式的切換方式

1）正常狀態(tài)下，車輛完全是無(wú)人駕駛模式運(yùn)行。

2）平臺(tái)上會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)（車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)視頻）。由無(wú)人駕駛切換到遠(yuǎn)程遙控駕駛模式，有2 個(gè)主要決策機(jī)制：①當(dāng)平臺(tái)檢測(cè)到車輛無(wú)法進(jìn)行無(wú)人駕駛時(shí)（無(wú)人駕駛無(wú)法處理的異常狀態(tài)或車輛進(jìn)入限定遙控駕駛區(qū)域），平臺(tái)自動(dòng)提示調(diào)度人員，某輛車需要平臺(tái)調(diào)度人員接管，進(jìn)入遠(yuǎn)程遙控駕駛模式，完成當(dāng)前運(yùn)輸任務(wù)；②平臺(tái)調(diào)度人員實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)度人員判斷車輛需要人工遠(yuǎn)程接管時(shí)，由調(diào)度人員手動(dòng)切換進(jìn)入遠(yuǎn)程遙控駕駛模式。

3）人機(jī)共駕模式。主要是目前需要安全員的情況下，安全員在無(wú)人駕駛運(yùn)行過(guò)程中，人工轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤、腳踩剎車踏板、腳踩油門踏板（執(zhí)行3 種任意1種操作）后，車輛由無(wú)人駕駛模式進(jìn)入人工駕駛模式。如要再次需要進(jìn)入無(wú)人駕駛模式，讓車輛停車后重新激活無(wú)人駕駛模式即可。

3.5 監(jiān)控與預(yù)警機(jī)制

車輛動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等）、底盤（制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等）、車身（燈光、車門、貨箱角度）等部件的狀態(tài)信息、故障信息獲取后，所有信息會(huì)上傳到平臺(tái)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)對(duì)車輛執(zhí)行器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和分析診斷，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入安全模式，確保車輛安全停車，平臺(tái)通知維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修。

3.6 加油機(jī)制

無(wú)人駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控油箱中實(shí)際油料位置，當(dāng)檢測(cè)油位到達(dá)加油界限時(shí)，總控平臺(tái)會(huì)調(diào)度車輛按照平臺(tái)規(guī)劃的加油路徑去指定地點(diǎn)加油或指派加油車到車輛停車合適的位置加油。

3.7 車輛超裝和欠裝及偏裝等情況處理機(jī)制

目前，車輛裝車的信息主要有挖機(jī)司機(jī)手工錄入，上傳平臺(tái)。車輛會(huì)根據(jù)自身運(yùn)行狀態(tài)對(duì)裝車重量進(jìn)行預(yù)估，但準(zhǔn)確度有限。貨箱裝偏時(shí)，會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行姿態(tài)造成影響，無(wú)人駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛姿態(tài)，并基于實(shí)時(shí)識(shí)別的路況信息對(duì)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)車輛運(yùn)行姿態(tài)不穩(wěn)時(shí)，會(huì)進(jìn)行降速運(yùn)行或停車進(jìn)入安全模式。未來(lái)會(huì)將車輛輪胎換成子午線真空胎，每條輪胎增加壓力和溫度傳感器，通過(guò)輪胎信息進(jìn)行裝載重量以及裝載位置的判斷。

3.8 多模式定位

目前商用領(lǐng)域所有的衛(wèi)星接收系統(tǒng)都是多模式的，即中國(guó)的北斗（BD）、美國(guó)的GPS、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）等系統(tǒng)衛(wèi)星信息都是同步接收。定位衛(wèi)星必須多顆以上才能保證準(zhǔn)確的位姿解算，同一區(qū)域里，單一系統(tǒng)的定位衛(wèi)星覆蓋數(shù)有限，所以行業(yè)內(nèi)都是多模式兼容，既能看見(jiàn)多少顆衛(wèi)星的信息就用多少顆衛(wèi)星的信息解算。國(guó)內(nèi)北斗芯片也基本都是多模式的。

4 礦用無(wú)人駕駛車輛的效益優(yōu)勢(shì)

1）智能卡車調(diào)度。傳統(tǒng)的車輛優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，是根據(jù)車輛行駛路徑、車輛在該路徑上的運(yùn)行時(shí)間，采裝設(shè)備的匹配狀況、所裝物料與排卸的關(guān)系、計(jì)劃采裝工作量、排卸點(diǎn)計(jì)劃、煤質(zhì)搭配、巖石品位等多因素進(jìn)行線性和動(dòng)態(tài)規(guī)劃，使產(chǎn)能最大化、成本最少為優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)，但從目前國(guó)內(nèi)已安裝使用的卡車調(diào)度系統(tǒng)來(lái)看，真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)的露天礦幾乎沒(méi)有，其主要原因是：①司機(jī)終端操作不規(guī)范；②有人駕駛的車輛不一定按系統(tǒng)規(guī)劃的行車路徑運(yùn)行（由于路況、氣候的影響及人為因素）；③不按系統(tǒng)所預(yù)估的車輛運(yùn)行速度行駛；④運(yùn)輸設(shè)備和裝載設(shè)備等的故障情況提交給系統(tǒng)不及時(shí)；⑤統(tǒng)計(jì)分析的裝車時(shí)間、卸車時(shí)間以及在路徑上運(yùn)行的時(shí)間誤差較大；⑥現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度干預(yù)臨時(shí)調(diào)車；⑦傳統(tǒng)的卡車調(diào)度系統(tǒng)因考慮成本因素，定位模塊一般采用米級(jí)定位精度，又沒(méi)有慣性導(dǎo)航部件，造成平面及高程的誤差較大。無(wú)人駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)的卡車調(diào)度相比，它能準(zhǔn)確的獲取實(shí)時(shí)更新的三維地圖信息、運(yùn)輸?shù)缆肪W(wǎng)絡(luò)信息、設(shè)備速度位置信息、裝載信息、卸載信息、設(shè)備故障信息、卡車的空重信息、輔助設(shè)備信息等，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性使得智能調(diào)度具備成為現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。優(yōu)化調(diào)度會(huì)使設(shè)備效率提高20%左右，這是個(gè)極其可觀的效率。

2）有效降低燃油消耗。車輛油耗是礦山生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行成本核算的重要指標(biāo)，采用無(wú)人駕駛進(jìn)行采剝作業(yè)的礦山，卡車在運(yùn)行過(guò)程中，采用的是最優(yōu)化的控制操作策略，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率更高，這樣有效降低了燃油消耗、節(jié)省了燃油費(fèi)用、減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的碳排放量，有效地降低了燃?xì)馀欧艑?duì)礦區(qū)空氣的污染。同時(shí)無(wú)人駕駛車輛能夠有效地分析車輛在行駛過(guò)程中提升高度、路況、道路坡度、空重車等相關(guān)因素，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，形成油耗曲線，為生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為生產(chǎn)決策提供更加真實(shí)的支持。

3）有效降低輪胎消耗。礦用無(wú)人駕駛系統(tǒng)采用最優(yōu)的操作及駕駛策略，可有效降低輪胎損耗。無(wú)人駕駛使卡車的空重運(yùn)里程更為準(zhǔn)確，設(shè)備的爬坡高度更為精切，車輛何時(shí)更換輪胎，更加科學(xué)，系統(tǒng)根據(jù)輪胎磨損等情況，分派車輛去適合該輪胎路況道路上運(yùn)行，從而提升輪胎的使用壽命，到達(dá)節(jié)省成本提高效率的目的。同時(shí)可為道路維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持，道路維護(hù)到什么程度，維護(hù)成本與輪胎消耗綜合成本指標(biāo)最低。

4）節(jié)省人力成本。①無(wú)人駕駛系統(tǒng)替代駕駛員，可節(jié)省駕駛員人工成本及人員管理成本；②生產(chǎn)單位一般都要配備滿足生產(chǎn)要求的后勤及管理人員，以保障生產(chǎn)，司機(jī)的減少可有效的減少后勤保障人員及管理人的數(shù)量，節(jié)省后勤人員及管理成本。

5）提高運(yùn)輸環(huán)節(jié)的安全性。①由于人的視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)感知有盲區(qū)，看不到或聽(tīng)到造成的車輛事故也頻發(fā)，礦用無(wú)人駕駛系統(tǒng)，通過(guò)車輛傳感設(shè)備，采集外界環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)車端和平臺(tái)處理后，發(fā)給車輛安全管理和控制模塊，它消除了盲區(qū)感知，使車輛在生產(chǎn)過(guò)程更安全；②礦用無(wú)人駕駛系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，避免了由于司機(jī)疲勞駕駛、操作失誤等導(dǎo)致的車輛事故。

6）優(yōu)化開(kāi)采工藝參數(shù)。①無(wú)人駕駛車輛嚴(yán)格按照行車路徑行駛，在同一平盤上空重車會(huì)車間距可大大縮??；②露天煤礦工程施工及驗(yàn)收規(guī)范GB 50175—93 規(guī)定，沿工作臺(tái)階坡頂線、運(yùn)輸平臺(tái)和道路轉(zhuǎn)彎處應(yīng)修筑安全墻，其高度分別不得小于汽車車輪直徑的1/2、2/3 和車輪直徑，露天礦安全擋墻主要目是防止上部臺(tái)階的車輛因司機(jī)疲勞駕駛沖下下部臺(tái)階，而無(wú)人駕駛不存在疲勞駕駛問(wèn)題，所以取消安全墻或減少安全墻的高度、寬度是無(wú)人駕駛真正運(yùn)營(yíng)后，研究探討的問(wèn)題。綜合這2 個(gè)原因無(wú)人駕駛可使工作平盤寬度縮小，有效地降低二次采剝工作量，減少維護(hù)路面面積，在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下可增加工作幫坡角，減少露天礦生產(chǎn)剝采比，提高露天礦經(jīng)濟(jì)效益。

7）降低排土擋墻高度。露天煤礦工程施工及驗(yàn)收規(guī)范GB 50175—93 規(guī)定，當(dāng)排土臺(tái)階達(dá)到一定高度，危及汽車作業(yè)安全時(shí)，推土機(jī)必須按排土作業(yè)要求堆筑安全墻后，卡車方可作業(yè)，安全墻高度不得小于卡車車輪直徑的1/2。無(wú)人駕駛的精準(zhǔn)定位及停車控制，可使車輛準(zhǔn)確的停在調(diào)度目標(biāo)給定的停車位置，排土安全墻已變的無(wú)意義，所以取消安全墻或減少安全墻的寬度，減少推土機(jī)修筑排土場(chǎng)的工作量，降低排土場(chǎng)維護(hù)成本，是無(wú)人駕駛的又一優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人駕駛卡車在節(jié)省人力成本的同時(shí)，也提高了礦山車輛及人員的安全性和生產(chǎn)效率，它有機(jī)的與礦山調(diào)度管理、設(shè)備管理、資產(chǎn)管理和監(jiān)控診斷等方面結(jié)合一起，成為數(shù)字化礦山的一個(gè)重要組成部分，為生產(chǎn)組織與決策提供依據(jù)。截至2018 年底，我國(guó)共有露天煤礦450 處，產(chǎn)能9.5 億t，占總產(chǎn)能25%，每年的剝采總量大約在100 億t 的規(guī)模，在未來(lái)這個(gè)數(shù)據(jù)還會(huì)增長(zhǎng)。礦山無(wú)人駕駛市場(chǎng)巨大，具有廣泛的應(yīng)用前景。