礦山無人駕駛技術及發展前景分析

汪玥玢

摘要：礦山無人駕駛技術是智能礦山的重要組成部分，然而其尚未在國內得到廣泛應用。分析了國內外礦山無人駕駛技術的研究現狀，介紹了礦山無人駕駛系統的構成與實際工作情況，對國內外無人駕駛技術進行對比和進一步探討，總結了礦山無人駕駛技術發展的影響因素，并分析了國內礦山無人駕駛技術的未來發展前景，可為礦山無人駕駛技術的發展提供參考。

關鍵詞：無人駕駛系統;智能礦山;車載自動駕駛;無線通訊;發展前景

中圖分類號：TD5文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）03-0048-03doi：10.11792/hj20200310

礦山無人駕駛技術是智能礦山的組成部分，包括礦車、礦用裝載機、鉆機等采運設備的無人駕駛，以及遠程管理系統。礦山無人駕駛系統通過系統決策規劃和車載傳感器對環境感知，自動駕駛礦用設備進行采運作業。礦車無人駕駛的優勢在于提高生產安全性，提升社會經濟效益。采礦現場環境惡劣，實現無人駕駛可以有效降低人員安全隱患，節約運營成本，同時提升品牌效應。相較于國外企業和科研團隊的研究與應用，國內礦山行業在這個領域還處于初級階段[1]。本文以礦用自卸車為例，分析無人駕駛技術的發展現狀及未來的發展前景。

1 國內外發展現狀

目前，國內沒有無人駕駛技術的分級標準。參考美國汽車工程師學會對汽車自動駕駛的分級標準，對礦用機械領域進行如下分級：①L’1輔助駕駛。司機坐在作業車輛中，借助傳感器、報警裝置等設備駕駛作業車輛，如倒車雷達、倒車影像。②L’2視距遙控。設置就近地面控制，司機觀察現場情況，操縱手柄駕駛作業車輛。③L’3視頻控制。針對惡劣環境，設置遠程控制，操作員通過視頻監控確認現場情況，遠程遙控作業設備。④L’4全自動。系統自動駕駛，調度員只需處理特殊情況和突發故障[1]。本文討論的礦車無人駕駛技術屬于L’4等級。

礦車的無人駕駛技術在北美、西澳、南非均已初步實現。例如：澳大利亞金伯利巴礦山投入使用了卡特彼勒公司的無人駕駛礦用自卸車;美國猶他州賓漢銅礦與美國ASI公司合作，對挖掘機進行了技術改造，開發并使用了礦山無人駕駛管理系統。針對在用車型，無人駕駛系統改裝技術也日漸成熟。例如：小松930E、卡特彼勒777D的礦用自卸車改造，沃爾沃A40F鉸接式卡車改造，紐荷蘭L218滑移裝載機改造等，超過18種車型的改造技術已在北美、西澳等礦山實現應用[2]。對于上述地區，礦山無人駕駛技術正處于采運過程全自動向真正數字礦山發展的階段。

相較于最前沿技術，國內暫時仍處于單車車載系統試驗階段，概念車和部分試驗成品設備已陸續研制。2018年11月27日，徐工集團無人駕駛礦車亮相2018上海寶馬車展，證明國內已初步具有科技研發實力，仍需繼續研究并著力大規模投入使用。

2 礦山無人駕駛系統

礦山無人駕駛技術不僅僅是車輛無人駕駛，而是一個完整的系統。從物理層面，礦山無人駕駛系統（見圖1）可以分為3個部分：車載自動駕駛系統、無線通訊系統和智能礦山管理系統。

2.1 車載自動駕駛系統

直接面向工程現場的車載自動駕駛系統包括主控單元、接口單元、線控液壓制動單元、轉動單元、天線、GPS、攝像頭、有/無人切換開關等組成部分。

線控液壓制動、轉動單元操控車輛行進，空車速度不超過30 km/h，重車速度控制在10～20 km/h。為保證系統安全，有/無人切換開關只有在停車狀態下可以使用，當發生突發狀況或故障時，由調度員遠程駕駛。通常情況下，車載攝像頭不用來控制駕駛，視頻數據在需要時可以被調出查看現場情況。系統實現對環境的感知（取代了司機的眼和耳），行駛路徑的決策規劃（取代了司機的大腦），車輛行進控制（取代了司機的手和腳），以及數據記錄和故障診斷。為保證現場工作安全，降低故障設備對正常工作的影響，在識別到異常時，車輛設備會及時開啟安全模式，生成故障區包絡，隨著故障時間延長擴大包絡范圍，并向管理系統持續發送故障信息，等待維修。

2.2 無線通訊系統

2020年第3期/第41卷 ?機電與自動控制機電與自動控制 ?黃 金

無線通訊系統是車載自動駕駛系統和智能礦山管理系統之間溝通的橋梁，保證其為二者提供可靠的通訊服務是無人駕駛系統實現的必要條件。

無線通訊系統包括基塔無線通信、GPS差分服務和路側感知監控。需要在采場運輸通道設立基塔，用于信號放大和傳遞;GPS差分服務用于提供準確坐標;路側感知監控用于應對現場復雜路況和突發事件。

基于準確性、可靠性需求，無線通訊系統設置多制式、多冗余通道。常用通訊制式包括LTE/WIFI/5G等，一套系統至少使用2種制式，一種制式至少開通2條通道。5G網絡速率快、延時低，但是衰減大，需要基塔多，基于經濟性和通訊效率需求，現場可根據實際情況自行選擇合理的通訊制式。基塔距離取決于邊沿帶寬，不應低于2 Mb/s。

2.3 智能礦山管理系統

從管理層面，無人駕駛系統可以分為4個部分：無人駕駛作業區、作業控制中心、作業計劃辦公區和維修區。無人駕駛作業區實現作業車輛的自助定位、循跡行駛、主動防撞、聯合裝載、自動卸載、異常處理等功能;作業控制中心的工作是管理與監控，包括礦山地圖、路徑規劃、運營調度、運行監控和數據記錄;作業計劃辦公區是系統的決策層，制定車輛作業計劃表發給作業控制中心;維修區分為2部分，定期維護和即時故障檢修。

智能礦山管理系統包括數據庫服務器、地面控制服務器、中央顯示屏、調度員工作站、緊急停車按鈕、遠程操作臺、差分GPS基站等組成部分，是整個系統的核心。正常工作模式下，管理系統完成作業決策、指揮和記錄任務，發生異常時進入緊急/非緊急降速模式，礦車行進速度不高于5 km/h，保證人員、財產安全。

3 礦山無人駕駛技術影響因素

礦山無人駕駛系統作為一個完整的系統，不僅支持底層設備自動運行，更重要的是，提供了一個上層決策單元，可以方便靈活地增減功能單元，而不會影響既存環節的正常運轉。礦山無人駕駛系統的高度智能特性，可以實現“停車場出發-裝-運-卸-加油-返回停車場”作業流程全自動，在人員調度、資源損耗等方面有絕對的優勢。線控制動、轉動、位移系統提供了高控制精度，使之具有高度的可靠性。

3.1 環 境

無人駕駛技術很大程度依賴于環境感知的準確性[3]，路況、天氣等環境識別判斷對車輛設備的運行具有多方面的影響。惡劣天氣等極端環境會導致車輛緊急降速，火災等危險情況更是會讓系統緊急停運，有的情況需要系統遠程人工操作，有的情況需要其他設備干預維修。為了提供準確參數/變量輸出，系統需要建立足夠龐大的情景數據庫[4]，現場環境的復雜程度和不同礦山的差異性制約了礦山無人駕駛系統的通用水平，拖慢了無人駕駛技術的推廣速度。

3.2 網 絡

穩定可靠的網絡是無人駕駛系統的必備條件，一旦網絡出現故障，輕則導致現場車輛停運，影響工作效率，重則發生意外碰撞，造成經濟損失和安全隱患。網絡影響包括傳輸穩定性、數據安全等方面，傳輸穩定性方面，需要平衡網絡通訊速率和經濟成本，為系統提供盡可能可靠的通訊制式;數據安全方面，要求系統具備嚴密的控制邏輯和抗干擾能力。

3.3 經 濟

一套完整的無人駕駛系統包含的軟、硬件成本很高，其中最貴的就是多種多樣的傳感器。需要實現的功能越多，傳感器等配套硬件就越復雜，成本也就越高。此外，軟件平臺搭建、網絡安全防火墻等環節，也需要很高的人員、資金投入。極高的成本并不容易被已經習慣傳統工藝的礦山接受，這也制約了無人駕駛技術的普及和推廣。

4 前景分析

礦山無人駕駛技術在國外已有較成熟、大規模應用，在全球信息化、智能化的浪潮中，國內礦山無人駕駛技術的應用前景是顯而易見的。目前，國內仍未有礦山實現礦車無人駕駛，針對國內礦山運行環境，無人駕駛技術可以先從簡單礦用設備如鉆機、鏟裝設備的改造入手，逐步提高系統的多樣性和完整性，推進礦山智能化。

針對系統暴露的問題，在未來的研究中，仍需要科研人員探討攻克。隨著科技水平提升，礦山無人駕駛技術會愈加可靠，也更能為礦山生產帶來經濟效益。

5 結 語

近十幾年來，科技發展突飛猛進，礦山設備的自動控制水平越來越體現了礦山企業的核心競爭力。不可否認，礦山無人駕駛系統在提高生產效率、降低安全隱患、帶來經濟效益等方面有突出表現，是未來智能礦山必不可少的一部分，需要礦山企業加快研究與推廣。

[參 考 文 獻]

[1] 陳延壽.無人駕駛汽車研究動向[J].汽車與配件，2017（6）：44-48.

[2] 株洲變流技術國家工程研究中心有限公司.中車礦用自卸車無人駕駛系統介紹[R].株洲：株洲變流技術國家工程研究中心有限公司，2019.

[3] 王福文.無人駕駛汽車發展狀況及面臨的挑戰[J].滄州師范學院學報，2017，3（4）：84-87.

[4] 賈瑞清，孫稚媛，張尚生.關于無人駕駛汽車存在問題的擬解決方案[J].測控技術，2018，37（8）：1-4.

Abstract：Driverless technology in mines is an important part of intelligent mines.However，it is not yet widely applied domestically.The paper analyzes the research status of the driverless technology at home and abroad，introduces the structure and practical work status of driverless systems in mines，and compares the driverless technology at home and abroad.Further discussion and research are made.Influence factors of driverless technology development are summarized，and the development prospect of driverless technology in mines at home and abroad is analyzed，which can provide reference for the development of driverless technology in mines.

Keywords：driverless system;intelligent mine;truck-loaded driverless technology;wireless communications;development prospect