武 講 鄭群飛

（中煤西安設(shè)計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，以人工智能、機器人等技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命給中國煤炭工業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇。煤炭工業(yè)作為關(guān)系我國經(jīng)濟命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，智能化是其發(fā)展的必由之路，采用智能化高新技術(shù)帶動傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，可從本質(zhì)上提升礦企的核心競爭力，從而推動我國礦業(yè)向安全、綠色、集約、高效的目標發(fā)展［1-4］。

無人駕駛系統(tǒng)作為礦山智能化發(fā)展的一部分，是加快露天礦山轉(zhuǎn)型升級，推動露天礦山無人、安全、智能和高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)途徑。從上世紀90年代開始，美國、加拿大、澳大利亞、日本等世界發(fā)達國家就已開始露天礦山無人駕駛研究。截止目前，國外礦山無人駕駛卡車運行數(shù)量已超過400臺［5］。我國露天礦山無人駕駛研究起步較晚，近年來，隨著國家、行業(yè)政策鼓勵及企業(yè)發(fā)展要求，露天礦無人駕駛系統(tǒng)研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，國內(nèi)眾多礦山企業(yè)、科研院所、科技公司及礦用卡車生產(chǎn)廠家紛紛進行露天礦無人駕駛系統(tǒng)研究。目前，國內(nèi)露天礦無人駕駛系統(tǒng)研究仍處于測試及試運行階段，與國外露天礦山相對成熟的無人駕駛技術(shù)依然存在較大差距，我國露天礦山無人駕駛系統(tǒng)發(fā)展任重道遠。

哈爾烏素露天礦是我國自行設(shè)計、建設(shè)、運行的大型現(xiàn)代化露天煤礦，核定產(chǎn)能35 Mt/a，剝離量約150 Mm3/a。哈爾烏素露天礦為響應(yīng)國家及國家能源集團智能化礦山建設(shè)要求，2018年11月進行了“礦用自卸車無人駕駛系統(tǒng)”項目公開招標。基于此，本研究以哈爾烏素露天礦現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，從理論層面探討哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)的框架方案，為無人駕駛系統(tǒng)順利實施提供支撐。

1 哈爾烏素露天礦無人駕駛研究的必要性及意義

哈爾烏素露天礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗，隸屬于國家能源能集團，剝離采用單斗—卡車間斷工藝，采煤采用單斗—卡車—半移動破碎站半連續(xù)工藝，現(xiàn)有各類礦用卡車84臺（見表1），卡車平均運距約3 km。哈爾烏素露天礦現(xiàn)有卡車司機約250人，用工數(shù)量大，人工成本高，加之露天礦作業(yè)環(huán)境惡劣、人員老齡化、作業(yè)枯燥等因素，導(dǎo)致用工難問題越來越突出。此外，由于露天礦卡車設(shè)備盲區(qū)大等原因，露天礦卡車運輸事故安全隱患大，據(jù)統(tǒng)計，我國露天礦卡車運輸事故約占露天礦總事故的70%以上［6］。目前，國家及煤炭行業(yè)對智能化礦山發(fā)展的重視度逐漸提高，露天礦“無人則安”生產(chǎn)觀念越來越受到礦山企業(yè)重視［7-8］，因此，哈爾烏素露天礦開展無人駕駛系統(tǒng)研究是必然的。

露天礦無人駕駛通過感知周圍環(huán)境，控制車輛的速度和轉(zhuǎn)向，保證車輛安全、可靠行駛。露天礦相對封閉的作業(yè)環(huán)境及其特有的實時、動態(tài)性，為無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好平臺。哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)的研究及實施應(yīng)用將具有以下優(yōu)點：

（1）無人駕駛將減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，節(jié)省人工成本，提升安全水平。

（2）無人駕駛的應(yīng)用，可實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)車輛的集群調(diào)度，有效提高車輛的利用率和作業(yè)效率。

（3）無人駕駛技術(shù)可規(guī)范車輛的操作運行，達到降低油耗、降低輪胎等損耗的目的。

（4）無人駕駛系統(tǒng)與先進、智能的生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)測和集中控制。

（5）將露天礦管理系統(tǒng)和無人駕駛系統(tǒng)有機融合，可優(yōu)化業(yè)務(wù)管理流程，提高人員工作效率，提升露天礦整體生產(chǎn)管理和決策水平。

（6）利用無人駕駛系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析和決策平臺構(gòu)建各類分析模型，從而優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高資源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色開采。

2 哈爾烏素露天礦無人駕駛方案研究

哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)充分利用礦山已有調(diào)度、通訊和管理等系統(tǒng)，對原有設(shè)備進行升級改造，并結(jié)合無人駕駛需求，增加相關(guān)智能化軟硬件。目前有關(guān)無人駕駛系統(tǒng)的架構(gòu)分級較多［9-10］，針對露天礦運輸作業(yè)環(huán)節(jié)而言，按照控制程序分級可將無人駕駛功能結(jié)構(gòu)分為：環(huán)境感知、決策規(guī)劃、車輛控制、信息監(jiān)管四個層級。根據(jù)哈爾烏素露天礦設(shè)備特點及生產(chǎn)實際，哈爾烏素露天礦運輸作業(yè)環(huán)節(jié)無人駕駛主要建設(shè)內(nèi)容有：①設(shè)備無人化改造；②無人駕駛作業(yè)區(qū)域5G通訊系統(tǒng)；③高精三維地圖及衛(wèi)星定位系統(tǒng)建設(shè)；④綜合管控平臺；⑤作業(yè)區(qū)域內(nèi)設(shè)備、標識及定位加裝。哈爾烏素露天礦運輸環(huán)節(jié)無人駕駛系統(tǒng)框架見圖1。

2.1 哈爾烏素露天礦無人駕駛建設(shè)內(nèi)容

（1）設(shè)備無人化改造。為充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源，減少無人駕駛投資，對哈爾烏素露天礦現(xiàn)有運輸卡車進行無人化改造，升級露天礦運輸調(diào)度系統(tǒng)，以適應(yīng)無人駕駛技術(shù)應(yīng)用。設(shè)備無人化改造見圖2所示，改造系統(tǒng)見表2所示。

（2）無人駕駛作業(yè)區(qū)域5G通訊系統(tǒng)。利用在礦區(qū)構(gòu)建的5G通信基站組成的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將無人礦車、礦山道路和系統(tǒng)云智能調(diào)度平臺聯(lián)結(jié)起來，實現(xiàn)車輛—道路—中心的實時通信連接。5G通信系統(tǒng)建成后能夠解決露天礦山生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的通信信號覆蓋問題，針對特征地形，合理構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，解決信號盲區(qū)。

（3）高精三維地圖及衛(wèi)星定位系統(tǒng)建設(shè)。由于露天礦具有采掘點變化頻繁、變化區(qū)域多而雜的特點，為適應(yīng)各種設(shè)備的無人駕駛正常作業(yè)，需要高精度的三維地圖，且需要對三維高精地圖進行實時更新，以保證礦山的安全生產(chǎn)。在哈爾烏素露天礦采用無人機對礦區(qū)道路進行飛行掃描，生成點云數(shù)據(jù)，通過技術(shù)處理生成高精三維地圖，同時配套移動式車載掃描系統(tǒng)，對正在工作的區(qū)域進行不間斷掃描，以實時了解作業(yè)變化，優(yōu)化無人駕駛卡車決策，規(guī)劃最佳行駛路線。

（4）綜合管控平臺。綜合管控平臺是無人駕駛系統(tǒng)的管理調(diào)度中心，主要包括：智能管理系統(tǒng)、智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)，其中智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)是核心。系統(tǒng)通過V2X車聯(lián)網(wǎng)連接無人卡車、挖機、推土機及其他設(shè)備，組成一體化的自動控制解決方案，按照任務(wù)需求對系統(tǒng)內(nèi)的車隊、設(shè)備、人員進行管理與調(diào)度，從而實現(xiàn)礦山作業(yè)的智能化，提高作業(yè)安全和生產(chǎn)效率。

（5）作業(yè)區(qū)域內(nèi)設(shè)備、標識及定位加裝。為確保哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知周邊設(shè)備及運輸路況信息，充分利用原有毫米波雷達自動剎車系統(tǒng)，適當增加輔助車輛定位系統(tǒng)。同時，在道路交通標識標牌上加裝定位器，實時反饋車輛位置，保障車輛位置信息的及時性和準確性，確保無人駕駛卡車運輸路線合理、運輸過程安全。

2.2 哈爾烏素露天礦無人駕駛技術(shù)方案

（1）線控改造。哈爾烏素露天礦礦用卡車均有CAN線接口，車輛線控化改造過程中，與設(shè)備廠家進行協(xié)調(diào)，獲得CAN線接入許可，再利用工控機通過CAN線接口與底層控制器進行信息交互，底層控制器通過IO/CAN與底層執(zhí)行器（驅(qū)動系統(tǒng)、制動閥等）進行交互，進而實現(xiàn)整車的線控，底盤及線控子系統(tǒng)見圖3。

（2）超視距融合感知。如圖4所示，哈爾烏素露天礦運輸?shù)缆翻h(huán)境復(fù)雜，為保證無人運輸卡車運行過程中的安全，需要對運行設(shè)備安裝激光雷達等傳感設(shè)備［11］，以探測道路實時狀況。哈爾烏素露天礦礦用卡車無人化改造時，利用機群+V2X+傳感器融合技術(shù)，在車輛前部及尾部關(guān)鍵部位安裝傳感設(shè)備，實現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)障礙物檢測，保證卡車實時檢測出不同障礙物，實現(xiàn)動、靜態(tài)障礙物檢測與目標識別與跟蹤、路沿檢測、防碰撞預(yù)警等功能。同時通過機群系統(tǒng)及V2X技術(shù)實現(xiàn)多車之間的感知信息共享，達到超視距的感知能力。

（3）機群+單車協(xié)同決策。結(jié)合哈爾烏素露天礦礦用卡車調(diào)度系統(tǒng)及新建5G通訊網(wǎng)絡(luò)和綜合管控平臺，建立基于人機意圖的協(xié)同決策系統(tǒng)，利用機群系統(tǒng)對所有車輛行駛軌跡進行實時監(jiān)控預(yù)測，對可能出現(xiàn)的情況設(shè)定特定決策。主要包含以下幾點：障礙物決策、會車處理、停車操作、十字路口、基于大數(shù)據(jù)的道路平整度自動檢測與處理、故障問題決策。

（4）路徑及速度規(guī)劃。如圖5所示，哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)中配備高精度三維地圖及定位系統(tǒng)，無人駕駛卡車路徑規(guī)劃過程中根據(jù)配備的礦區(qū)高精度三維地圖及當前車輛位置和指定的終點位置進行全局行駛路徑規(guī)劃［12］。根據(jù)參考路徑的曲率、允許的側(cè)向加速度極限值、道路坡度、行駛偏差、道路限速要求等，對全局道路進行初始速度規(guī)劃。管控系統(tǒng)依靠線控底盤和控制軟件算法進行全面自動化控制，即使在彎道也具有極佳的軌跡控制能力。

（5）輔助設(shè)備及設(shè)施。如圖6所示，哈爾烏素露天礦無人駕駛運輸環(huán)節(jié)涉及到物料的采掘與排棄，因此需要挖掘設(shè)備及推土設(shè)備的配合。通過在哈爾烏素露天礦現(xiàn)有挖掘和推土設(shè)備上安裝自動定位系統(tǒng)和感知系統(tǒng)，確定物料作業(yè)位置，卡車無人駕駛系統(tǒng)根據(jù)信息反饋結(jié)果，完成物料的裝載、運輸和排棄循環(huán)過程。無人駕駛卡車在整個運輸過程中實時接收礦山道路標識標牌上的GPS定位信息，確保運輸過程中安全、穩(wěn)定。

（6）機群管理調(diào)度。如圖7所示，為實現(xiàn)哈爾烏素露天礦礦用卡車無人駕駛過程中的智能管理與調(diào)度，應(yīng)充分利用哈爾烏素露天礦現(xiàn)有卡車調(diào)度系統(tǒng)，建立智能機群管理調(diào)度系統(tǒng)。建成后的機群管理調(diào)度系統(tǒng)通過V2X車聯(lián)網(wǎng)通信控制協(xié)議連接無人卡車、智能操作終端、管控中心以及其他設(shè)備，共同組成一體化的自動控制解決方案。主要包含以下內(nèi)容：①起始點，系統(tǒng)對卡車車輛進行狀態(tài)檢查，完成檢查可派發(fā)任務(wù)；②協(xié)同裝載，機群系統(tǒng)根據(jù)當前任務(wù)情況對車輛進行指揮調(diào)度，協(xié)調(diào)卡車與掘機完成協(xié)同裝載，并按序駛離裝載區(qū)；③自動駕駛運輸，卡車根據(jù)機群下發(fā)的排土點及全局路徑規(guī)劃完成自動駕駛行駛到排土場，過程中可實現(xiàn)主動避障遙控駕駛；④協(xié)同卸載，卡車行駛到卸載區(qū)，按照機群指令依次完成卸載任務(wù)，并駛向下一次任務(wù)點或者返回停車場；⑤終點，到達終點后對車輛進行再次的狀態(tài)確認及檢查并記錄在數(shù)據(jù)庫中，等待下一次任務(wù)。

3 預(yù)估投資及效益分析

3.1 投資估算

露天礦無人駕駛技術(shù)研究涉及到多個行業(yè)和專業(yè)，目前，國內(nèi)有關(guān)無人駕駛研究滯后于國外，現(xiàn)階段我國露天煤礦在無人駕駛技術(shù)方面仍處于探索、試驗階段，暫未出現(xiàn)成功應(yīng)用實例。結(jié)合現(xiàn)階段我國露天煤礦無人駕駛技術(shù)研究實際和哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)狀況，對哈爾烏素露天煤礦進行一臺套設(shè)備無人化改造試驗，并對其進行投資及效益估算。哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)投資估算基礎(chǔ)是改造4臺930E卡車和1臺電鏟，估算總投資為設(shè)計范圍內(nèi)系統(tǒng)從籌建到竣工時全部土建工程、設(shè)備購置及安裝工程、工程建設(shè)其他費用投資。具體結(jié)果見表3。

3.2 預(yù)測效益及實施效果分析

根據(jù)澳大利亞所羅門鐵礦運營的無人駕駛卡車效率實際情況，該鐵礦無人駕駛卡車為60輛，有人駕駛卡車12輛，無人駕駛卡車每天作業(yè)為23.5 h，0.5 h用于點檢及加油，與有人駕駛卡車相比，無人駕駛卡車每天多作業(yè)2～3 h，年作業(yè)時間近7 000 h，可提高生產(chǎn)效率15%～20%［5］。結(jié)合我國露天礦發(fā)展現(xiàn)狀及哈爾烏素露天礦實際開采情況，按照無人卡車系統(tǒng)建設(shè)運行生產(chǎn)效率提高約10%核算，哈爾烏素露天礦無人駕駛技術(shù)每年帶來的經(jīng)濟效益將超過百萬元。此外，哈爾烏素露天礦無人駕駛技術(shù)實施后可產(chǎn)生以下影響：

（1）無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用可準確獲取礦山實時三維動態(tài)信息、道路信息、設(shè)備信息等，數(shù)據(jù)的準確性和實時性可使哈爾烏素露天礦合理按照實際情況調(diào)整礦山開采進度及排棄計劃。

（2）采用無人駕駛進行采剝作業(yè)后，卡車在運行過程中，采用最優(yōu)的控制操作策略，使發(fā)動機的運行效率更高，駕駛操作方式逐步優(yōu)化，從而有效降低燃油及輪胎消耗。

（3）節(jié)省人力成本。無人駕駛系統(tǒng)替代有人駕駛，減少礦坑人員數(shù)量，節(jié)省駕駛員人工成本及人員管理成本。

（4）提高運輸環(huán)節(jié)的安全性。礦用無人駕駛系統(tǒng)，通過車輛傳感設(shè)備，采集外界環(huán)境數(shù)據(jù)，消除車輛盲區(qū)、及時避讓道路障礙，使車輛在運輸過程更安全。

（5）降低道路及排土場擋墻高度。無人駕駛的精準定位及停車控制，可使車輛準確地停在指定位置，因此擋墻高度及寬度可適當降低，減少修筑道路及排土場擋墻的工作量，降低維護成本。

4 結(jié)論

（1）露天礦是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，智能化露天礦建設(shè)是大系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)全面升級轉(zhuǎn)型的過程，無人駕駛作為智能化露天礦建設(shè)的一部分，是未來發(fā)展的必然趨勢，也是露天礦提質(zhì)增效的重要研究方向。

（2）露天礦無人駕駛系統(tǒng)改造是智能化發(fā)展的重要部分，涉及到多學(xué)科交叉、多系統(tǒng)融合，研究過程中從理論角度對哈爾烏素露天礦無人駕駛系統(tǒng)框架及方案進行研究，為無人駕駛系統(tǒng)后續(xù)研究及實施應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（3）以改造哈爾烏素露天礦4臺930E卡車和1臺電鏟為基礎(chǔ)，進行無人駕駛系統(tǒng)投資估算，需要投資約2 419萬元。按照礦山整個無人卡車系統(tǒng)建設(shè)運行生產(chǎn)效率提高約10%，生產(chǎn)成本下降約20%估算，哈爾烏素露天礦無人駕駛技術(shù)每年帶來的經(jīng)濟效益將超過百萬元。