戴 亨，張巴圖

（1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

在國(guó)家工業(yè)4.0 和中國(guó)制造2025 的戰(zhàn)略引導(dǎo)下，傳統(tǒng)露天礦山正深入推進(jìn)“兩化”（信息化和工業(yè)化）的高層次深度融合[1]，在新科技的賦能下，發(fā)展智能化乃至無(wú)人化采礦技術(shù)、革新礦山開采模式并減少作業(yè)人員的數(shù)量，是大勢(shì)所趨[2]。近年來(lái)，無(wú)人駕駛技術(shù)迅猛發(fā)展，露天礦山以其獨(dú)特的環(huán)境條件為無(wú)人駕駛技術(shù)落地提供了契機(jī)[3]，露天礦山運(yùn)輸無(wú)人駕駛系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱無(wú)人駕駛系統(tǒng)）以礦用自卸車“裝載、運(yùn)輸和卸載”典型作業(yè)為中心[4]，與鉆機(jī)、電鏟、推土機(jī)、平路機(jī)等露天礦作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備配合工作[5]，通過引入無(wú)人駕駛系統(tǒng)技術(shù)，把人、環(huán)境、設(shè)備、信息在時(shí)間和空間上聯(lián)系到一起，實(shí)現(xiàn)露天礦山運(yùn)輸作業(yè)的完全無(wú)人自主運(yùn)行[6]，有利于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)采運(yùn)靈活配置，產(chǎn)能柔性調(diào)整，是“智慧礦山”的重要基礎(chǔ)，也是不可缺的前提條件[7]。

1 露天礦山運(yùn)輸無(wú)人駕駛系統(tǒng)

1.1 作業(yè)方式分類

礦山運(yùn)輸無(wú)人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)示意圖如圖1。

為明確無(wú)人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)方式中運(yùn)營(yíng)方需要關(guān)注、參與的內(nèi)容，將作業(yè)方式分為2 類：

1）正常作業(yè)方式。未出現(xiàn)故障或異常情況，無(wú)人駕駛系統(tǒng)以設(shè)計(jì)功能提供完整的服務(wù)。

2）降級(jí)作業(yè)方式。由于故障或異常情況，無(wú)人駕駛系統(tǒng)需要在人員參與下實(shí)現(xiàn)故障的恢復(fù)。

1.2 外部關(guān)聯(lián)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)與外部的接口可分為人員接口與設(shè)備接口。

圖1 礦山運(yùn)輸無(wú)人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)示意圖

1）外部關(guān)聯(lián)人員主要包括：①調(diào)度長(zhǎng)：是作業(yè)控制中心（OCC）的主管人員，負(fù)責(zé)為調(diào)度員與地圖編制員分配工作任務(wù)和緊急情況下的協(xié)調(diào)控制，并對(duì)無(wú)人駕駛作業(yè)區(qū)的總體運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控；②調(diào)度員：調(diào)度員監(jiān)督所負(fù)責(zé)運(yùn)輸車輛的運(yùn)行情況，在異常情況下對(duì)無(wú)人駕駛運(yùn)輸車輛的運(yùn)行情況進(jìn)行干預(yù)；③地圖編制員：負(fù)責(zé)創(chuàng)建、管理、維護(hù)和發(fā)布無(wú)人駕駛作業(yè)區(qū)的數(shù)字地圖，簡(jiǎn)稱礦山地圖；④停車場(chǎng)操作員：停車場(chǎng)操作員可從無(wú)人駕駛系統(tǒng)中獲取到停車場(chǎng)內(nèi)及入口處的車輛位置及狀態(tài)信息；⑤挖掘機(jī)操作員：在裝載時(shí)負(fù)責(zé)指揮無(wú)人駕駛礦用自卸車；⑥加油操作員：無(wú)人駕駛礦用自卸車運(yùn)行至加油點(diǎn)點(diǎn)時(shí)，加油操作員在調(diào)度員的配合下，完成車輛的加油作業(yè)；⑦救援人員：負(fù)責(zé)對(duì)故障的無(wú)人駕駛礦用自卸車進(jìn)行救援；⑧人工駕駛車輛司機(jī)：駕駛車輛與地圖編制員配合，共同完成礦山地圖的創(chuàng)建與更新工作。

2）外部關(guān)聯(lián)設(shè)備主要包括：①無(wú)人駕駛礦用自卸車：即安裝了無(wú)人駕駛設(shè)備的礦用自卸車，調(diào)度員可通過無(wú)人駕駛系統(tǒng)向礦用自卸車下發(fā)各種命令，無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛執(zhí)行這些命令，同時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)接收礦用自卸車反饋的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)際運(yùn)行工況、車輛本身狀態(tài)信息、故障信息等，并將其通過顯示界面展示給調(diào)度員；②挖掘機(jī)：在挖掘機(jī)上安裝定位與通信裝置，通過該裝置無(wú)人駕駛系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取挖掘機(jī)的精確位置及姿態(tài)信息；③人工駕駛車輛：出于安全目的，所有進(jìn)入無(wú)人駕駛作業(yè)區(qū)的人工駕駛車輛均應(yīng)安裝定位與通信裝置。通過該裝置，車輛的基本狀態(tài)信息輸入至無(wú)人駕駛系統(tǒng)；④破碎站：無(wú)人駕駛礦用自卸車獲取破碎站當(dāng)前的運(yùn)行情況，避免在破碎站出現(xiàn)異常的情況下向破碎站卸料；⑤礦用卡車調(diào)度系統(tǒng)：無(wú)人駕駛系統(tǒng)可接收并執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)為無(wú)人駕駛礦用自卸車分配的作業(yè)任務(wù)；⑥礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：提供礦區(qū)天氣、邊坡狀態(tài)、火災(zāi)、洪災(zāi)等信息。

2 正常作業(yè)方式

2.1 系統(tǒng)上電自檢

1）車載電氣設(shè)備上電前，須進(jìn)行以下確認(rèn)。①停車場(chǎng)工作人員檢查車輛狀態(tài)，確認(rèn)是否具備上線運(yùn)行條件；②調(diào)度員確認(rèn)礦山現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境（是否有大雨、大雪、地質(zhì)災(zāi)害等不適合開展礦山作業(yè)的情況），是否具備無(wú)人駕駛系統(tǒng)正常工作條件。

2）若正常，調(diào)度員允許停車場(chǎng)工作人員為車輛電氣設(shè)備上電。上電后無(wú)人駕駛系統(tǒng)車載設(shè)備進(jìn)行上電自檢。自檢過程中，無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)車載設(shè)備狀態(tài)、車載傳感器狀態(tài)、車輛基本狀態(tài)進(jìn)行檢查。自檢結(jié)束后，無(wú)人駕駛系統(tǒng)將自檢結(jié)果反饋給調(diào)度員。若自檢通過，系統(tǒng)允許調(diào)度員執(zhí)行后續(xù)作業(yè)，否則系統(tǒng)反饋?zhàn)詸z失敗原因，并等待調(diào)度員進(jìn)行故障處理。

2.2 遠(yuǎn)程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試

車載電氣設(shè)備自檢通過后，按如下步驟遠(yuǎn)程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)：①調(diào)度員通知停車場(chǎng)工作人員離開無(wú)人駕駛車輛進(jìn)入安全區(qū)域；②停車場(chǎng)工作人員進(jìn)入安全區(qū)域后通知調(diào)度員，調(diào)度員下發(fā)遠(yuǎn)程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)命令，控制車輛啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

遠(yuǎn)程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，無(wú)人駕駛系統(tǒng)將進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試目的是判斷車輛底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等）功能是否正常。靜態(tài)測(cè)試的過程為，無(wú)人駕駛系統(tǒng)向車輛底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送特定的控制指令，并實(shí)時(shí)接收車輛反饋的執(zhí)行結(jié)果信息，通過控制指令與執(zhí)行結(jié)果的比較來(lái)判斷車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)是否正常。

2.3 作業(yè)任務(wù)分配

車輛的日常作業(yè)任務(wù)包括發(fā)車、裝載、排土、卸礦、加油、收車等，并通常包含作業(yè)起點(diǎn)、作業(yè)終點(diǎn)、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)次數(shù)等信息。無(wú)人駕駛系統(tǒng)支持外部輸入和調(diào)度員指定兩種方式的作業(yè)任務(wù)分配。

外部輸入方式，指無(wú)人駕駛系統(tǒng)具備與礦山智能調(diào)度系統(tǒng)的接口，可接收智能調(diào)度系統(tǒng)向車輛下發(fā)的調(diào)度命令，并將其轉(zhuǎn)換為無(wú)人駕駛系統(tǒng)內(nèi)部可用的作業(yè)任務(wù)信息。調(diào)度員分配方式，是指調(diào)度員通過無(wú)人駕駛系統(tǒng)手動(dòng)為車輛指定作業(yè)任務(wù)。

2.4 參考路徑規(guī)劃

收到作業(yè)任務(wù)信息后，無(wú)人駕駛系統(tǒng)采用最佳路徑算法為車輛規(guī)劃1 條從作業(yè)起點(diǎn)至作業(yè)終點(diǎn)的參考運(yùn)行路徑。無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制下的車輛出發(fā)流程如下：①無(wú)人駕駛車載設(shè)備上電自檢和靜態(tài)測(cè)試通過；②通過外部輸入方式或調(diào)度員指定方式為車輛分配作業(yè)任務(wù)；③無(wú)人駕駛系統(tǒng)為車輛規(guī)劃參考運(yùn)行路徑；④調(diào)度員確認(rèn)作業(yè)任務(wù)和參考路徑信息無(wú)誤后，車輛自動(dòng)啟動(dòng)并駛離停車場(chǎng)。

2.5 聯(lián)合裝載

車輛到達(dá)裝載區(qū)后，無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛與挖掘機(jī)配合以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合裝載[8]。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)在裝載區(qū)內(nèi)為車輛設(shè)置了候車點(diǎn)，車輛達(dá)到裝載區(qū)后：①候車點(diǎn)無(wú)車且收到挖掘機(jī)司機(jī)發(fā)出的“進(jìn)車信號(hào)”，無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛運(yùn)行至裝載點(diǎn)停車；②候車點(diǎn)無(wú)車但尚未收到挖掘機(jī)司機(jī)發(fā)出的“進(jìn)車信號(hào)”，無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛運(yùn)行至候車點(diǎn)停車等待；③候車點(diǎn)已有車輛排隊(duì)，此時(shí)無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛在上一排隊(duì)車輛的后方停車等待。

當(dāng)多車等待裝載時(shí)，會(huì)形成待裝載隊(duì)列，排隊(duì)車輛按照“先進(jìn)先出”進(jìn)入裝載。

2.6 自動(dòng)卸載

無(wú)人駕駛系統(tǒng)在卸載區(qū)內(nèi)為車輛設(shè)置了候車點(diǎn)，車輛達(dá)到卸載區(qū)后：①卸載區(qū)內(nèi)無(wú)車作業(yè)，候車點(diǎn)也無(wú)車排隊(duì)，此時(shí)無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛進(jìn)入卸載區(qū)并進(jìn)行自動(dòng)卸載；②卸載區(qū)內(nèi)有車進(jìn)行卸載作業(yè)，候車點(diǎn)無(wú)車排隊(duì)，此時(shí)無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛在候車點(diǎn)停車等待；③卸載區(qū)內(nèi)有車進(jìn)行卸載作業(yè)，候車點(diǎn)已有車排隊(duì)，此時(shí)無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛在上一排隊(duì)車輛后方停車等待。

當(dāng)多車等待卸載時(shí)，會(huì)形成待卸載隊(duì)列，排隊(duì)車輛按照“先進(jìn)先出”進(jìn)入卸載。

2.7 道路運(yùn)輸

道路運(yùn)輸方式指車輛在無(wú)人駕駛系統(tǒng)的控制下根據(jù)規(guī)劃路徑在礦山運(yùn)輸?shù)缆飞线\(yùn)行的方式。無(wú)人駕駛系統(tǒng)在該方式中主要控制車輛沿參考運(yùn)行路徑行駛[9]。道路運(yùn)輸涉及3 種工況：雙車道工況、單車道工況和交叉路口工況。

1）雙車道工況。車輛根據(jù)行車規(guī)則行駛在對(duì)應(yīng)車道內(nèi)。除非特殊情況（障礙物阻擋），不允許車輛越過中心線。

2）單車道工況。其道路分為單車道區(qū)域、單車道接近區(qū)域。在單車道區(qū)域同一時(shí)間僅允許1 輛車通過，不允許會(huì)車。單車道接近區(qū)域?yàn)橥＼嚨群騾^(qū)，若單車道內(nèi)有對(duì)向車輛行駛，則在該區(qū)域停車等候。

3）交叉路口工況。其道路分為交叉路口接近區(qū)域、交叉路口區(qū)域。交叉路口區(qū)域同一時(shí)間僅允許1輛車通過，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)已有車輛時(shí)，禁止其他車輛進(jìn)入。交叉路口接近區(qū)域則為車輛停車等候區(qū)，若交叉路口區(qū)域內(nèi)有車輛行駛，則在交叉路口接近區(qū)域停車等候。

2.8 加油和泊車及系統(tǒng)關(guān)閉

1）無(wú)人駕駛系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取車輛當(dāng)前的油量信息。當(dāng)油量不足且車輛為空載時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)提醒調(diào)度員執(zhí)行加油作業(yè)。執(zhí)行加油作業(yè)時(shí)，調(diào)度員須為車輛指定加油任務(wù)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)為車輛規(guī)劃參考運(yùn)行路徑并控制車輛前往加油點(diǎn)。車輛到達(dá)加油點(diǎn)后，調(diào)度員與加油操作員配合完成加油作業(yè)。加油任務(wù)完成后，無(wú)人駕駛系統(tǒng)將控制自卸車?yán)^續(xù)進(jìn)行之前中斷的工作任務(wù)。

2）停車場(chǎng)泊車。當(dāng)車輛連續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間或因礦山業(yè)務(wù)調(diào)度需要等原因，需返回停車場(chǎng)泊車時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)為車輛分配收車任務(wù)，任務(wù)中指定了停車點(diǎn)位置信息。無(wú)人駕駛系統(tǒng)根據(jù)收車任務(wù)為車輛規(guī)劃參考運(yùn)行路徑，并控制車輛駛?cè)胪＼噲?chǎng)，停泊在指定停車點(diǎn)。

3）系統(tǒng)關(guān)閉。車輛泊車后，調(diào)度員向其發(fā)送關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)指令，由無(wú)人駕駛車載設(shè)備控制車輛關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，調(diào)度員通知停車場(chǎng)工作人員按下述步驟關(guān)閉車輛電源：①旋轉(zhuǎn)車輛鑰匙至OFF 位置；②關(guān)閉電源總開關(guān)（發(fā)動(dòng)機(jī)電源）；③關(guān)閉車輛系統(tǒng)電源（蓄電池電源）。

3 降級(jí)作業(yè)方式

當(dāng)車輛本身或無(wú)人駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)影響行車安全的異?；蚬收蠒r(shí)，將進(jìn)入降級(jí)作業(yè)方式，降級(jí)作業(yè)方式中通常需要無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制車輛停車。

3.1 上電自檢異常和靜態(tài)測(cè)試異常

1）系統(tǒng)上電自檢異常主要包括：車載設(shè)備未啟動(dòng)、模式指示燈狀態(tài)異常、車載傳感器自檢異常、車輛本身狀態(tài)異常、通信異常、車載設(shè)備運(yùn)行異常、車載存儲(chǔ)器異常等。出現(xiàn)上電自檢異常的情況下，若無(wú)人駕駛車載設(shè)備已啟動(dòng)，則切斷車載設(shè)備與車輛的通信接口，并將故障/異常信息反饋給調(diào)度員。

2）靜態(tài)測(cè)試異常。靜態(tài)測(cè)試異常包括制動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試異常和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試異常。若靜態(tài)測(cè)試異常，則無(wú)人駕駛車載設(shè)備切斷與車輛的通信接口，并將異常信息反饋給調(diào)度員。

3.2 車輛異常和車載傳感器異常

1）車輛異常。車輛異常指車輛本身故障，按故障影響大小可分為警告類故障和停車類故障。警告類故障不影響車輛安全運(yùn)行，無(wú)人駕駛系統(tǒng)檢測(cè)到該類故障后將其反饋給調(diào)度員，但繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。停車類故障則影響車輛安全運(yùn)行，無(wú)人駕駛系統(tǒng)檢測(cè)到該類故障后控制車輛沿參考路徑減速至停車，同時(shí)將故障反饋給調(diào)度員。

2）車載傳感器異常。車載傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等。傳感器異常有2 類：①傳感器無(wú)信號(hào)；②傳感器數(shù)據(jù)異常。當(dāng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器異常時(shí)，會(huì)控制車輛沿參考路徑減速至停車，同時(shí)將故障反饋給調(diào)度員。

3.3 通信異常

此處所述通信特指無(wú)人駕駛系統(tǒng)車載設(shè)備與無(wú)人駕駛系統(tǒng)地面設(shè)備間的無(wú)線通信。若車載設(shè)備與地面設(shè)備在預(yù)定時(shí)間內(nèi)未完成信息交互，則判定通信異常。

通信異常時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)將控制車輛沿參考路徑減速至停車，并待車輛停穩(wěn)后向車輛發(fā)送停車制動(dòng)指令。

地面設(shè)備將通信異常信息反饋給調(diào)度員。調(diào)度員收到通信異常后，應(yīng)立即安排救援人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)和檢查，必要時(shí)指揮救援人員駕駛車輛行駛至安全區(qū)域。

3.4 路徑偏離異常和遠(yuǎn)程操縱

1）路徑偏離異常指車輛實(shí)際行駛路徑與參考運(yùn)行路徑的偏差超過設(shè)定值。無(wú)人駕駛車載設(shè)備異常、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障、路況惡劣等因素均可導(dǎo)致路徑偏離異常。出現(xiàn)路徑偏離異常時(shí)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)將控制車輛減速至停車，并待車輛停穩(wěn)后向車輛發(fā)送停車制動(dòng)指令，同時(shí)立即將異常信息反饋給調(diào)度員。

2）遠(yuǎn)程操縱。當(dāng)出現(xiàn)裝載點(diǎn)停車偏差、系統(tǒng)故障等異常情況時(shí)，調(diào)度員可遠(yuǎn)程操縱進(jìn)行處理。在遠(yuǎn)程操縱模式下，調(diào)度員可控制車輛的轉(zhuǎn)向角、車速、制動(dòng)壓力等值。遠(yuǎn)程操縱步驟如下：①選中需遠(yuǎn)程操縱的車輛，獲取該車的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；②通過遠(yuǎn)程操縱裝置向車輛發(fā)送轉(zhuǎn)向角、車速、制動(dòng)壓力等指令控制車輛運(yùn)行；③在遠(yuǎn)程操縱模式下控制車輛運(yùn)行至期望位置并停車后，下發(fā)停車制動(dòng)指令；④退出遠(yuǎn)程操縱模式。

3.5 障礙物和現(xiàn)境異常

1）車載傳感器檢測(cè)到車輛行駛路徑上存在障礙物時(shí)，車載設(shè)備將檢測(cè)出的障礙物的位置與尺寸發(fā)送給地面設(shè)備。車載設(shè)備與地面設(shè)備分別按照下述策略進(jìn)行控制。①車載設(shè)備控制策略：基于與障礙物的距離，采用常規(guī)制動(dòng)或緊急制動(dòng)確保車輛在安全距離內(nèi)停車；②地面設(shè)備控制策略：地面設(shè)備在礦山地圖上標(biāo)記出該障礙物，并嘗試為車輛規(guī)劃一條繞過障礙物的參考運(yùn)行路徑，并通知調(diào)度員對(duì)路徑進(jìn)行確認(rèn)；無(wú)論車輛是否成功繞過障礙物，調(diào)度員都應(yīng)通知道路維護(hù)人員及時(shí)清理障礙物。

2）環(huán)境異常。無(wú)人駕駛系統(tǒng)具有與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口，通過該接口可實(shí)時(shí)獲取礦山環(huán)境信息，包括天氣、火災(zāi)、洪災(zāi)、邊坡狀態(tài)等。當(dāng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)獲知發(fā)生影響車輛正常作業(yè)的環(huán)境異常時(shí)，應(yīng)提醒調(diào)度員采取措施應(yīng)對(duì)。調(diào)度員可采用的應(yīng)對(duì)措施包括：降低車輛的最高限速、增大車距、命令車輛回庫(kù)、單車緊急停車、所有車輛緊急停車等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化，露天礦山的信息化、智能化成為轉(zhuǎn)型的主要方向。無(wú)人駕駛技術(shù)在露天礦山運(yùn)輸作業(yè)方式的應(yīng)用，為提高礦山安全水平、改善人員作業(yè)環(huán)境、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率等方面提供可操作的支持和參考。