武 懋

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006）

2020 年2 月，國(guó)家發(fā)改委等8 部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]，明確提出“到2025 年露天煤礦實(shí)現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無(wú)人化運(yùn)輸”。無(wú)人駕駛作為礦山智能化體系中重要組成部分[2]，是加快露天礦山轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)露天礦山無(wú)人、安全、智能和高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)途徑[3]。隨著綠色礦山上升為國(guó)家戰(zhàn)略，我國(guó)綠色礦山建設(shè)進(jìn)入發(fā)展的快車(chē)道[4]，國(guó)內(nèi)很多大型露天礦都在積極引入無(wú)人駕駛。平朔集團(tuán)東露天礦作為國(guó)家煤炭工業(yè)“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，目前是中煤集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井，2020 年11 月成功入選國(guó)家首批智能化示范煤礦建設(shè)名單。按照中煤集團(tuán)智能化礦山建設(shè)工作計(jì)劃，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，東露天礦在平朔集團(tuán)前期無(wú)人駕駛的基礎(chǔ)上，深入開(kāi)展基于5G 網(wǎng)絡(luò)的礦卡無(wú)人駕駛技術(shù)研究。

1 無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)較為知名的生產(chǎn)廠商有Caterpillar（卡特彼勒）、Komatsu（小松）、Hitachi（日立）等。目前許多采礦公司將自動(dòng)化視為行業(yè)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)成功的自動(dòng)化采礦運(yùn)料系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)許多重要的目標(biāo)，包括對(duì)安全的積極影響和生產(chǎn)率的提高等?？ㄌ乇死蘸托∷啥技芯ㄔ煳磥?lái)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。在過(guò)去10 年間，卡特彼勒和小松十分重視關(guān)鍵核心技術(shù)和產(chǎn)品，稱(chēng)之為基礎(chǔ)模塊，并不斷地推進(jìn)了自動(dòng)化進(jìn)程[5-6]。

我國(guó)對(duì)于智慧礦山的研究和應(yīng)用還處于起步階段，隨著近年來(lái)無(wú)人駕駛相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)礦山機(jī)械的智能化研究也取得一些進(jìn)展，但在礦山無(wú)人化生產(chǎn)、無(wú)人化運(yùn)輸?shù)确矫婢唧w應(yīng)用較少，同時(shí)在無(wú)人礦山建設(shè)方面尚未有統(tǒng)一的規(guī)范形成，針對(duì)智慧礦山及無(wú)人作業(yè)車(chē)輛設(shè)備的測(cè)試也無(wú)專(zhuān)用的測(cè)試場(chǎng)地；但是隨著新一代5G 技術(shù)的應(yīng)用及人工智能技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)有望在智慧礦山的建設(shè)方面實(shí)現(xiàn)飛躍發(fā)展，另外相關(guān)政策的不斷出臺(tái)，也側(cè)面反映了國(guó)家層面對(duì)智慧礦山建設(shè)的鼓勵(lì)[7-8]。

因此，無(wú)論從技術(shù)層面還是政策層面，都極有必要建設(shè)一個(gè)基于真實(shí)露天礦山作業(yè)場(chǎng)景的測(cè)試基地，通過(guò)該測(cè)試基地來(lái)驗(yàn)證無(wú)人化運(yùn)輸系統(tǒng)在智慧礦山應(yīng)用的可行性與適用性，一旦該測(cè)試基地建成，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的引領(lǐng)示范意義和巨大的商業(yè)價(jià)值。

2 平朔東露天礦礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)建設(shè)

無(wú)人駕駛項(xiàng)目作為中煤平朔引入的重點(diǎn)科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，從2020 年起已經(jīng)投入在礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛領(lǐng)域。前期在中煤平朔安太堡露天煤礦4?？舆M(jìn)行1臺(tái)卡車(chē)無(wú)人駕駛試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)近1 年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。2022 年6 月在平朔東露天礦的無(wú)人駕駛完整臺(tái)套測(cè)試與應(yīng)用驗(yàn)證啟動(dòng)。平朔東露天礦是平朔集團(tuán)最有潛力的煤礦，具備推廣礦用卡車(chē)無(wú)人化的條件，所以選擇東露天作為單臺(tái)套無(wú)人礦卡的測(cè)試基地，開(kāi)展基于真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景的測(cè)試，符合礦山生產(chǎn)應(yīng)用要求。

2.1 系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)應(yīng)用需求，對(duì)7 臺(tái)NTE200 礦卡進(jìn)行線控化改造并開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛系統(tǒng)，配合同步改造的輪式推土機(jī)、履帶式推土機(jī)等協(xié)同輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)礦卡的全流程無(wú)人駕駛。

2.1.1 車(chē)輛無(wú)人化改造

已完成1 臺(tái)電鏟、7 臺(tái)無(wú)人礦卡、13 臺(tái)有人駕駛輔助作業(yè)設(shè)備的協(xié)同作業(yè)功能，改造內(nèi)容包括對(duì)礦卡的線控系統(tǒng)和車(chē)載控制系統(tǒng)。線控系統(tǒng)為車(chē)輛的線控化改造，包括駕駛模式切換、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)等。采用雙控雙駕的改造方案，同時(shí)支持無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程駕駛及人工駕駛模式，線控系統(tǒng)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，保證不會(huì)對(duì)原車(chē)功能與性能造成任何影響。

車(chē)載控制系統(tǒng)主要是在車(chē)輛上加裝車(chē)載主控制器、安全監(jiān)控冗余單元和一系列傳感器，可劃分為車(chē)載控制器和車(chē)載傳感器，其中核心設(shè)備為車(chē)載主控制器。安全冗余單元監(jiān)測(cè)域控制器的工作狀態(tài)。傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、慣性導(dǎo)航單元、V2X通信設(shè)備、攝像頭、交換機(jī)等，主要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛感知與定位數(shù)據(jù)的獲取。

2.1.2 地面控制系統(tǒng)建設(shè)

無(wú)人駕駛地面控制系統(tǒng)包含無(wú)人運(yùn)輸智能作業(yè)管理與監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程應(yīng)急接管系統(tǒng)及無(wú)人運(yùn)輸仿真系統(tǒng)。充分考慮無(wú)人駕駛運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性，系統(tǒng)均采用本地化部署。其中無(wú)人運(yùn)輸智能作業(yè)管理與監(jiān)控系統(tǒng)作為無(wú)人駕駛的核心系統(tǒng)，已經(jīng)針對(duì)無(wú)人駕駛現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理、工藝等現(xiàn)場(chǎng)需求完成了定制開(kāi)發(fā)，具備良好的兼容性和可擴(kuò)展性，結(jié)合東露天礦智能礦山建設(shè)需求完成了與調(diào)度中心管控一體化平臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度與統(tǒng)一指揮。

2.2 無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 高精度導(dǎo)航定位技術(shù)

針對(duì)露天礦山環(huán)境惡劣、單一定位方案響應(yīng)度不高和信號(hào)易被遮擋的問(wèn)題，研究采用慣導(dǎo)系統(tǒng)、GNSS－RTK 系統(tǒng)、激光雷達(dá)系統(tǒng)組成的高精度組合導(dǎo)航定位方案，以實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械定位的魯棒性和準(zhǔn)確性。

在GNSS 信號(hào)良好的運(yùn)行環(huán)境中，方案主要采用差分組合導(dǎo)航和輪速計(jì)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛卡車(chē)實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)解算。其中差分組合導(dǎo)航系統(tǒng)將雙天線RTK 定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行融合，該套融合定位方案，水平定位誤差≤10 cm，高程定位誤差≤20 cm，速度測(cè)量誤差≤30 cm/s，方位角測(cè)量誤差≤0.1°。

2.2.2 超視距融合感知技術(shù)

礦山路況復(fù)雜，存在道路邊沿模糊、路面起伏、積水反光等問(wèn)題，因此，需要通過(guò)多種傳感器技術(shù)融合的方案實(shí)現(xiàn)感知系統(tǒng)的可靠性。此外，通過(guò)地面控制系統(tǒng)結(jié)合V2X 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與路之間的信息共享，達(dá)到超視距的協(xié)同能力。

V2X 通信模塊兼容Mesh/4G/5G/C－V2X 等多種通信方式，可以實(shí)現(xiàn)礦卡－電鏟、礦卡－推土機(jī)的V2V 通信、礦卡－路側(cè)的V2I 通信、礦卡－管控中心的V2C 通信，該通信模塊算法實(shí)現(xiàn)的方式與具體通信設(shè)備完全解耦，無(wú)任何硬件強(qiáng)依賴(lài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方式的兼容。V2X 通信模塊架構(gòu)圖如圖1。

圖1 V2X 通信模塊架構(gòu)圖

2.2.3 基于人機(jī)意圖的協(xié)同決策與規(guī)劃

采用預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的方法，建立人機(jī)共駕系統(tǒng)的決策模型，并基于大數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和更新，從而將駕駛員的智慧引入到無(wú)人礦卡系統(tǒng)回路中，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛模式下的車(chē)輛協(xié)同決策。在全局路徑規(guī)劃方面，主要采用改進(jìn)的混合A 星（Hybrid A＊）算法，依據(jù)實(shí)時(shí)采集的地圖高精度地圖信息，規(guī)劃出1 條路徑短、無(wú)碰撞的最優(yōu)路徑，即保證全局規(guī)劃生成的路徑最佳，最大程度上減少無(wú)人駕駛卡車(chē)的行駛距離，提升作業(yè)效率的同時(shí)降低車(chē)輛油耗。改進(jìn)的Hybrid A＊算法是一種滿足無(wú)人駕駛卡車(chē)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)的算法，該算法在路徑點(diǎn)的計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)車(chē)輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑、車(chē)輛軸距、車(chē)輛轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)彎角度等參數(shù)建立車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并通過(guò)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及Hybrid A＊內(nèi)部參數(shù)推導(dǎo)出下一個(gè)路徑點(diǎn)可能出現(xiàn)的位置。

3 礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)

1）與傳統(tǒng)作業(yè)方式融合互補(bǔ)。無(wú)人駕駛啟動(dòng)運(yùn)行要求對(duì)運(yùn)行場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)信息的高精地圖采集，包括道路信息、高程信息及動(dòng)態(tài)人車(chē)信息。

2）降低維修及燃油成本。無(wú)人駕駛技術(shù)可規(guī)避人工駕駛的操作習(xí)慣差異，通過(guò)控制車(chē)輛保持在最優(yōu)的車(chē)速范圍內(nèi)，能夠降低車(chē)輛輪胎消耗及燃油消耗，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

3）提升車(chē)輛本質(zhì)安全。礦用無(wú)人駕駛系統(tǒng)，利用車(chē)輛感知系統(tǒng)及V2X 技術(shù)實(shí)現(xiàn)超視距融合，確保有人駕駛車(chē)輛及無(wú)人駕駛車(chē)輛數(shù)據(jù)信息共享，在車(chē)輛安全距離小于設(shè)定范圍即可發(fā)出預(yù)警消息，提醒駕駛員或車(chē)端控制系統(tǒng)及時(shí)避讓或停車(chē)，保證車(chē)輛運(yùn)行安全。

4）統(tǒng)一接入管控一體化平臺(tái)優(yōu)化管理。無(wú)人駕駛系統(tǒng)接入礦區(qū)已建設(shè)完成的管控一體化系統(tǒng)，統(tǒng)一調(diào)度和處理運(yùn)輸作業(yè)中出現(xiàn)的問(wèn)題，保障生產(chǎn)作業(yè)的接續(xù)，提升礦區(qū)多平臺(tái)數(shù)據(jù)集成度，為高效簡(jiǎn)潔化辦公提供支撐，同時(shí)無(wú)人駕駛相關(guān)數(shù)據(jù)與原有調(diào)度系統(tǒng)集成，簡(jiǎn)化操作流程，減少相關(guān)操作崗位人員投入，提升整體生產(chǎn)管理和決策水平。

5）完成無(wú)人駕駛常態(tài)化多車(chē)編組運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試期間通過(guò)單車(chē)測(cè)試、編組測(cè)試方式逐漸實(shí)現(xiàn)安全員下車(chē)，已完成3 車(chē)編組及5 車(chē)編組常態(tài)化測(cè)試運(yùn)行，排除部分場(chǎng)地原因，目前無(wú)人駕駛系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流暢運(yùn)行。目前正在開(kāi)展調(diào)試人員下車(chē)試驗(yàn)，待相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)條件具備后啟動(dòng)安全員下車(chē)常態(tài)化測(cè)試。已完成7 臺(tái)礦卡的無(wú)人駕駛改造，編組測(cè)試工作正在有序進(jìn)行中，預(yù)計(jì)到2023 年底將實(shí)現(xiàn)1260 平盤(pán)“采－運(yùn)－排”全流程無(wú)人駕駛常態(tài)化運(yùn)行，項(xiàng)目建成將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率和作業(yè)成本以及經(jīng)濟(jì)效率方面將帶來(lái)顯著提升[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

中煤平朔集團(tuán)東露天礦區(qū)自卸卡車(chē)用于露天煤礦巖石和煤炭的運(yùn)輸，每天3 班24 h 連續(xù)運(yùn)行，作業(yè)條件艱苦，工作環(huán)境惡劣。無(wú)人駕駛系統(tǒng)在東露天礦建成后將有利于降低人工工作強(qiáng)度，增強(qiáng)礦山生產(chǎn)安全，提高礦山企業(yè)生產(chǎn)效率，降低礦山生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)采運(yùn)靈活配置，產(chǎn)能柔性調(diào)整，為創(chuàng)建智慧礦山提供支持。

智慧礦山是現(xiàn)代礦區(qū)發(fā)展的重要方向，機(jī)械自動(dòng)化的礦區(qū)無(wú)法勝任全場(chǎng)景的智慧礦區(qū)任務(wù)。無(wú)人駕駛作為智能化露天礦建設(shè)的一部分，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是露天礦提質(zhì)增效的重要研究方向。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人駕駛技術(shù)將更加與多種學(xué)科技術(shù)相互融合發(fā)展，相關(guān)技術(shù)人員也在不斷研究和完善相應(yīng)的技術(shù)，相信經(jīng)過(guò)各方面人員的不斷努力，無(wú)人駕駛的智慧礦山必將實(shí)現(xiàn)。