于明凱，陳留金，林澤陽(yáng)，龍時(shí)丹

（1.太原中車(chē)時(shí)代軌道工程機(jī)械有限公司，北京 100055；2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京機(jī)務(wù)段，北京 100036；3.國(guó)家鐵路局裝備技術(shù)中心，北京 100038）

國(guó)內(nèi)大部分露天礦山生產(chǎn)仍然以傳統(tǒng)方式進(jìn)行采礦作業(yè)，其中礦車(chē)是礦山生產(chǎn)中最重要的運(yùn)載裝備。目前礦車(chē)主要依靠人工操作。一方面，礦車(chē)司機(jī)的人員成本很高，尤其是礦山這種復(fù)雜惡劣環(huán)境的作業(yè)人員招聘難度很大；另一方面，礦車(chē)間的通信與調(diào)度方式較為落后，容易造成人為差錯(cuò)；多礦車(chē)同時(shí)作業(yè)時(shí)存在難以高效協(xié)同作業(yè)等問(wèn)題，種種原因最終導(dǎo)致礦車(chē)作業(yè)成本居高不下，效率較低。礦車(chē)外形如圖1 所示。

圖1 礦車(chē)外形圖

礦山區(qū)域作業(yè)場(chǎng)景封閉，參與作業(yè)運(yùn)輸?shù)慕煌ㄔ厣?，路況簡(jiǎn)單，礦車(chē)的主要任務(wù)是在規(guī)定線路上進(jìn)行裝載、運(yùn)輸和卸載等，從特定線路、固定作業(yè)計(jì)劃和保證全局優(yōu)先等特點(diǎn)來(lái)看，與城市軌道交通無(wú)人駕駛環(huán)境十分相似，因此礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)以城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)是有可行性的。

1 礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)

典型的城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)一般分為三部分：

（1）環(huán)境感知系統(tǒng)，相當(dāng)于列車(chē)駕駛運(yùn)行的感知器官，即為無(wú)人駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸入動(dòng)態(tài)的周?chē)h(huán)境信息，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的決策基礎(chǔ)。

（2）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，相當(dāng)于列車(chē)駕駛的大腦，即對(duì)環(huán)境感知信息和信號(hào)指令進(jìn)行綜合判斷，作出列車(chē)駕駛運(yùn)行決策。

（3）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是地面端監(jiān)控和管理的中心，由通信網(wǎng)絡(luò)保證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與列車(chē)之間直接和連續(xù)的通信。

根據(jù)礦山場(chǎng)景運(yùn)輸作業(yè)的特點(diǎn)，礦車(chē)車(chē)輛控制主機(jī)可以承擔(dān)無(wú)人化環(huán)境感知和運(yùn)行決策控制兩部分工作，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行必要的線控改造以后可以形成滿足功能需求的車(chē)輛控制系統(tǒng)。另外，礦山不同于軌道交通擁有完善的通信網(wǎng)絡(luò)，礦山網(wǎng)絡(luò)環(huán)境往往需要專(zhuān)門(mén)搭建。

綜上，礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)由地面控制中心（即地面端）、車(chē)輛控制主機(jī)（即車(chē)輛端）和5G 車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成，如圖2 所示。

圖2 礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 5G 車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)

車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)作為地面端與車(chē)輛端的車(chē)地通信橋梁，要求有低延時(shí)、高速率、大容量、高安全性的數(shù)據(jù)傳輸特性，以實(shí)現(xiàn)高效的信息互聯(lián)。其主要功能是將車(chē)輛主要的環(huán)境感知信息、決策信息和運(yùn)行信息發(fā)送至地面端；同時(shí)負(fù)責(zé)將地面控制中心作業(yè)信息、車(chē)輛控制命令等數(shù)據(jù)傳輸至車(chē)輛。實(shí)現(xiàn)車(chē)對(duì)地、地對(duì)車(chē)的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能。

近幾年，城市軌道交通無(wú)人駕駛車(chē)地通信的典型方案是采用LTE+WLAN 雙網(wǎng)架構(gòu)，主用網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)TE，備用網(wǎng)絡(luò)為WLAN，但實(shí)際部署應(yīng)用過(guò)程中，仍然普遍存在易受干擾、時(shí)延長(zhǎng)、故障頻繁等問(wèn)題。

采用5G 移動(dòng)通信技術(shù)的礦山車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)可提供高達(dá)1Gbit/s 的通信速率，能有效降低通信時(shí)延。另外5G技術(shù)的3 個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景也適用于礦山作業(yè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，其中包括增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信、超可靠低時(shí)延通信。

（1）增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶即超大帶寬移動(dòng)應(yīng)用，相比LTE 網(wǎng)絡(luò)帶寬增加了幾十倍，可以為礦山提供完善的多業(yè)務(wù)融合無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)解決方案。

（2）大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信適用于構(gòu)建礦山地圖，實(shí)現(xiàn)車(chē)載、路旁、路基等環(huán)境的特征數(shù)據(jù)采集，以此來(lái)完成礦山5G 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

（3）超可靠低時(shí)延通信將有效改善LTE 網(wǎng)絡(luò)的諸多低可靠性問(wèn)題。采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的5G 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在礦山區(qū)域內(nèi)部署邊緣MEC，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為礦山網(wǎng)絡(luò)提供安全隔離的同時(shí)提供專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用資源。

1.2 地面控制中心設(shè)計(jì)

礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)采用中心式控制策略。地面控制中心是礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)中的綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)，具備數(shù)字地圖、路徑規(guī)劃、作業(yè)調(diào)度、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄等功能，是礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的中樞和大腦。

1.2.1 數(shù)字地圖

數(shù)字地圖是基于衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)和用戶導(dǎo)入數(shù)據(jù)，對(duì)礦山環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化建模生成的高精度地圖。它將礦車(chē)可通行區(qū)域劃分為不同的地圖單元。根據(jù)作業(yè)特性和實(shí)際運(yùn)輸需求，地面控制中心在不同的地圖單元類(lèi)型設(shè)置單元的屬性和礦車(chē)在單元內(nèi)的基本運(yùn)行策略。數(shù)字地圖是地面端實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和作業(yè)調(diào)度控制的基礎(chǔ)和重中之重。

1.2.2 路徑規(guī)劃

后臺(tái)人員可根據(jù)礦山實(shí)際作業(yè)需求，在數(shù)字地圖的基礎(chǔ)上規(guī)劃和管理常用運(yùn)行路徑和定義動(dòng)作組，例如，指定路線行駛，指定位置處設(shè)置車(chē)輛應(yīng)執(zhí)行的特定操作，例如鳴笛、開(kāi)關(guān)車(chē)燈等。

1.2.3 作業(yè)調(diào)度

作業(yè)調(diào)度功能包括作業(yè)模式管理、車(chē)隊(duì)協(xié)同控制、車(chē)輛安全防護(hù)、遠(yuǎn)程操縱、緊急停車(chē)等子功能。

作業(yè)模式管理是指編制和下發(fā)不同的作業(yè)任務(wù)信息給車(chē)輛控制系統(tǒng)。

車(chē)輛協(xié)同功能是指在多車(chē)輛共同作業(yè)的場(chǎng)景下，地面端向車(chē)輛發(fā)出的行駛速度、方向修正功能，防止車(chē)輛之間出現(xiàn)運(yùn)行沖突，進(jìn)而避免停車(chē)、相撞、區(qū)域死鎖等情況發(fā)生。

車(chē)輛安全防護(hù)功能通過(guò)算法保護(hù)車(chē)輛自身的安全，主要是設(shè)定車(chē)輛安全距離、最大限速、制動(dòng)距離等，并考慮一定的安全裕量。

當(dāng)作業(yè)需求發(fā)生變化，或者車(chē)輛處于非正常作業(yè)的情況時(shí)，后臺(tái)人員有權(quán)用遠(yuǎn)程操縱方式直接干預(yù)車(chē)輛的運(yùn)行；緊急情況下，后臺(tái)人員還可以命令車(chē)輛緊急停止。

1.2.4 安全監(jiān)控

地面端的安全監(jiān)控功能包含三個(gè)方面，包括地面硬件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、車(chē)輛信息監(jiān)控和礦山地面環(huán)境監(jiān)控。

地面硬件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控是指地面端可以監(jiān)控自身中心機(jī)房?jī)?nèi)部所屬的各種硬件的運(yùn)行狀態(tài)，主要是出現(xiàn)問(wèn)題或故障時(shí)，提醒后臺(tái)或?qū)I(yè)人員來(lái)進(jìn)行處理或搶修。

車(chē)輛信息監(jiān)控是指地面端對(duì)車(chē)輛上傳的信息進(jìn)行監(jiān)控、處理和報(bào)警提示，以便于中心人員可有效地掌控礦區(qū)所有無(wú)人駕駛車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)并做出應(yīng)對(duì)；這里的車(chē)輛信息主要是車(chē)輛控制主機(jī)和車(chē)輛的車(chē)輛基本信息、運(yùn)行信息、決策信息和環(huán)境感知信息等。

礦山在關(guān)鍵位置部署了攝像頭和專(zhuān)用傳感器，對(duì)這些位置應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和安全識(shí)別，是保障礦山無(wú)人化作業(yè)運(yùn)行的基礎(chǔ)和重要組成部分。

1.2.5 數(shù)據(jù)記錄

地面控制中心的多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)整個(gè)礦區(qū)所有車(chē)輛和設(shè)備運(yùn)行相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、車(chē)載控制器故障數(shù)據(jù)、通信系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)。

1.3 車(chē)輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛控制系統(tǒng)是礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)采集車(chē)輛信息和控制車(chē)輛動(dòng)作。一方面，車(chē)輛端接收地面端輸入的各種指令，控制各種車(chē)行駛、停車(chē)和裝/卸載等。另一方面，車(chē)輛端攝像頭、傳感器等感知周?chē)h(huán)境信息，并將必要信息傳輸給地面端，保證作業(yè)任務(wù)高效、安全完成。

車(chē)輛控制系統(tǒng)的主要功能包括作業(yè)行駛、主動(dòng)防撞、自動(dòng)卸載、異常處理等。

作業(yè)行駛主要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛控制功能，根據(jù)地面端制定和下發(fā)給各車(chē)的作業(yè)任務(wù)和路線信息做出車(chē)輛行駛和裝/卸載決策，并且執(zhí)行動(dòng)作，主要控制車(chē)輛方向、速度，使車(chē)輛循跡行駛，以及完成作業(yè)任務(wù)。

主動(dòng)防撞通過(guò)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等車(chē)載傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛運(yùn)行路徑上存在障礙物時(shí)，車(chē)輛端判斷是否需要減速或停車(chē)，同時(shí)還將障礙物信息發(fā)送至地面端。

自動(dòng)卸載指礦車(chē)到達(dá)卸載區(qū)后控制車(chē)輛執(zhí)行自動(dòng)卸載作業(yè)，但當(dāng)有多輛無(wú)人駕駛礦山自卸車(chē)等待卸載時(shí)，將接收地面端控制指令進(jìn)入等待卸載隊(duì)列。

異常處理是當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)不能正常運(yùn)行或者作業(yè)的問(wèn)題時(shí)，向地面端匯報(bào)故障信息并請(qǐng)求地面端處理；同時(shí)儲(chǔ)存故障信息，便于后期分析。

2 實(shí)施建議

礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)在實(shí)施時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)決策與規(guī)劃、場(chǎng)景安全分級(jí)以及感知技術(shù)挑戰(zhàn)等問(wèn)題。

2.1 做好礦山作業(yè)場(chǎng)景的決策與規(guī)劃

與公路乘用車(chē)無(wú)人駕駛的分布式?jīng)Q策相比，礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)更適宜采用中心式?jīng)Q策，即利用中心式的控制器全局優(yōu)化所有車(chē)輛決策，這樣便從理論上保證了全局最優(yōu)。但這樣會(huì)提升對(duì)計(jì)算資源的需求量，因此，需要提出一種平衡決策模型復(fù)雜度和決策優(yōu)化程度的全局決策方法，以此來(lái)規(guī)劃礦車(chē)的采運(yùn)卸作業(yè)調(diào)度和行駛軌跡，在節(jié)約資源的前提下保證多車(chē)運(yùn)行安全與作業(yè)效率提升。

2.2 實(shí)施作業(yè)場(chǎng)景安全分級(jí)

礦車(chē)無(wú)人駕駛作業(yè)場(chǎng)景包含完成正常運(yùn)營(yíng)任務(wù)的多種場(chǎng)景，可大致分為正常作業(yè)場(chǎng)景、非緊急降級(jí)場(chǎng)景和緊急降級(jí)場(chǎng)景。

正常作業(yè)場(chǎng)景指無(wú)人駕駛系統(tǒng)在無(wú)故障、無(wú)意外情況下按照生產(chǎn)需求正常作業(yè)的情形。此時(shí)系統(tǒng)按照作業(yè)計(jì)劃以高度自動(dòng)化方式運(yùn)行，除工作人員正常進(jìn)行任務(wù)分配、調(diào)度以及需求確認(rèn)意外，系統(tǒng)通常不需要人工干預(yù)。

非緊急降級(jí)場(chǎng)景指主動(dòng)功能降級(jí)處理，一般是因系統(tǒng)內(nèi)部故障或作業(yè)需要等，如路面障礙物干擾等，危險(xiǎn)性較低，一般只發(fā)生在個(gè)別車(chē)輛上。這時(shí)需要一定程度的人工干預(yù)，排查異常，進(jìn)行局部處理解決后便可恢復(fù)正常。

緊急降級(jí)場(chǎng)景是指對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)行安全威脅較大、危害較嚴(yán)重的情形，如火災(zāi)或惡劣天氣場(chǎng)景，需停用所有礦山裝備，工作人員緊急撤離。

無(wú)論上述哪種場(chǎng)景，對(duì)其進(jìn)行全面、詳細(xì)、準(zhǔn)確地描述和分析，是安全實(shí)施無(wú)人駕駛系統(tǒng)方案的前提。

2.3 應(yīng)對(duì)環(huán)境感知技術(shù)的挑戰(zhàn)

相比于乘用車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)環(huán)境惡劣，主要表現(xiàn)在灰塵多、震動(dòng)大兩方面。

礦區(qū)揚(yáng)塵大且有時(shí)有沙塵天氣，嚴(yán)重影響傳感器探測(cè)性能，其中包括探測(cè)距離和感知精度。為此作者建議應(yīng)采用多個(gè)灰塵敏感度低的毫米波雷達(dá)傳感器并融合毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭多種傳感器信息，提高感知能力和魯棒性。

礦區(qū)道路多為碎石、泥土等，車(chē)輛在行駛時(shí)沖擊與振動(dòng)強(qiáng)烈。環(huán)境信息在被采集時(shí)會(huì)發(fā)生較大跳變，除了從硬件安裝方式上做對(duì)應(yīng)調(diào)整外，軟件上也應(yīng)根據(jù)探測(cè)信息的變化適時(shí)調(diào)整感知參數(shù)，估計(jì)道路不平度、判斷振幅大小，從而提高自適應(yīng)能力和抗干擾能力。

3 礦車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)評(píng)價(jià)

基于城市軌道無(wú)人駕駛技術(shù)構(gòu)建的礦山無(wú)人駕駛系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：第一，可節(jié)省礦山企業(yè)人力運(yùn)維成本，降低人力資源控制難度，同時(shí)也減少了因人為誤操作造成危害，進(jìn)而提升企業(yè)效益；第二，礦山企業(yè)運(yùn)載裝備的自動(dòng)化、智能化程度得到提升，作業(yè)協(xié)同效率得到顯著提高，為行業(yè)轉(zhuǎn)型和持續(xù)發(fā)展提供了有借鑒意義的方案思路。

此外，本文介紹的無(wú)人駕駛系統(tǒng)方案理念也可以應(yīng)用到具有這種類(lèi)型特點(diǎn)的其他領(lǐng)域和不便于人類(lèi)活動(dòng)的一些特殊作業(yè)區(qū)域。