哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛方案研究

武 講 鄭群飛

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，以人工智能、機(jī)器人等技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命給中國(guó)煤炭工業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。煤炭工業(yè)作為關(guān)系我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(dòng)傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)，可從本質(zhì)上提升礦企的核心競(jìng)爭(zhēng)力，從而推動(dòng)我國(guó)礦業(yè)向安全、綠色、集約、高效的目標(biāo)發(fā)展［1-4］。

無(wú)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(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。從上世紀(jì)90年代開始，美國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本等世界發(fā)達(dá)國(guó)家就已開始露天礦山無(wú)人駕駛研究。截止目前，國(guó)外礦山無(wú)人駕駛卡車運(yùn)行數(shù)量已超過(guò)400臺(tái)［5］。我國(guó)露天礦山無(wú)人駕駛研究起步較晚，近年來(lái)，隨著國(guó)家、行業(yè)政策鼓勵(lì)及企業(yè)發(fā)展要求，露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，國(guó)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(jìn)行露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)研究。目前，國(guó)內(nèi)露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)研究仍處于測(cè)試及試運(yùn)行階段，與國(guó)外露天礦山相對(duì)成熟的無(wú)人駕駛技術(shù)依然存在較大差距，我國(guó)露天礦山無(wú)人駕駛系統(tǒng)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

哈爾烏素露天礦是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)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(guó)家及國(guó)家能源集團(tuán)智能化礦山建設(shè)要求，2018年11月進(jìn)行了“礦用自卸車無(wú)人駕駛系統(tǒng)”項(xiàng)目公開招標(biāo)。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(wú)人駕駛系統(tǒng)的框架方案，為無(wú)人駕駛系統(tǒng)順利實(shí)施提供支撐。

1 哈爾烏素露天礦無(wú)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(zhǔn)格爾旗，隸屬于國(guó)家能源能集團(tuán)，剝離采用單斗—卡車間斷工藝，采煤采用單斗—卡車—半移動(dòng)破碎站半連續(xù)工藝，現(xiàn)有各類礦用卡車84臺(tái)（見表1），卡車平均運(yùn)距約3 km。哈爾烏素露天礦現(xiàn)有卡車司機(jī)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(wèn)題越來(lái)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(yùn)輸事故安全隱患大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)露天礦卡車運(yùn)輸事故約占露天礦總事故的70%以上［6］。目前，國(guó)家及煤炭行業(yè)對(duì)智能化礦山發(fā)展的重視度逐漸提高，露天礦“無(wú)人則安”生產(chǎn)觀念越來(lái)越受到礦山企業(yè)重視［7-8］，因此，哈爾烏素露天礦開展無(wú)人駕駛系統(tǒng)研究是必然的。

露天礦無(wú)人駕駛通過(guò)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(duì)封閉的作業(yè)環(huán)境及其特有的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)性，為無(wú)人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好平臺(tái)。哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)的研究及實(shí)施應(yīng)用將具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）無(wú)人駕駛的應(yīng)用，可實(shí)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(wú)人駕駛技術(shù)可規(guī)范車輛的操作運(yùn)行，達(dá)到降低油耗、降低輪胎等損耗的目的。

（4）無(wú)人駕駛系統(tǒng)與先進(jìn)、智能的生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)和集中控制。

（5）將露天礦管理系統(tǒng)和無(wú)人駕駛系統(tǒng)有機(jī)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(wú)人駕駛系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析和決策平臺(tái)構(gòu)建各類分析模型，從而優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色開采。

2 哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛方案研究

哈爾烏素露天礦無(wú)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(duì)原有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，并結(jié)合無(wú)人駕駛需求，增加相關(guān)智能化軟硬件。目前有關(guān)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的架構(gòu)分級(jí)較多［9-10］，針對(duì)露天礦運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)而言，按照控制程序分級(jí)可將無(wú)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(gè)層級(jí)。根據(jù)哈爾烏素露天礦設(shè)備特點(diǎn)及生產(chǎn)實(shí)際，哈爾烏素露天礦運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)無(wú)人駕駛主要建設(shè)內(nèi)容有：①設(shè)備無(wú)人化改造；②無(wú)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(tái)；⑤作業(yè)區(qū)域內(nèi)設(shè)備、標(biāo)識(shí)及定位加裝。哈爾烏素露天礦運(yùn)輸環(huán)節(jié)無(wú)人駕駛系統(tǒng)框架見圖1。

2.1 哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛建設(shè)內(nèi)容

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

（2）無(wú)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(wú)人礦車、礦山道路和系統(tǒng)云智能調(diào)度平臺(tái)聯(lián)結(jié)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)車輛—道路—中心的實(shí)時(shí)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(hào)覆蓋問(wèn)題，針對(duì)特征地形，合理構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，解決信號(hào)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(diǎn)變化頻繁、變化區(qū)域多而雜的特點(diǎn)，為適應(yīng)各種設(shè)備的無(wú)人駕駛正常作業(yè)，需要高精度的三維地圖，且需要對(duì)三維高精地圖進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以保證礦山的安全生產(chǎn)。在哈爾烏素露天礦采用無(wú)人機(jī)對(duì)礦區(qū)道路進(jìn)行飛行掃描，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)技術(shù)處理生成高精三維地圖，同時(shí)配套移動(dòng)式車載掃描系統(tǒng)，對(duì)正在工作的區(qū)域進(jìn)行不間斷掃描，以實(shí)時(shí)了解作業(yè)變化，優(yōu)化無(wú)人駕駛卡車決策，規(guī)劃最佳行駛路線。

（4）綜合管控平臺(tái)。綜合管控平臺(tái)是無(wú)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(guò)V2X車聯(lián)網(wǎng)連接無(wú)人卡車、挖機(jī)、推土機(jī)及其他設(shè)備，組成一體化的自動(dòng)控制解決方案，按照任務(wù)需求對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的車隊(duì)、設(shè)備、人員進(jìn)行管理與調(diào)度，從而實(shí)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(biāo)識(shí)及定位加裝。為確保哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知周邊設(shè)備及運(yùn)輸路況信息，充分利用原有毫米波雷達(dá)自動(dòng)剎車系統(tǒng)，適當(dāng)增加輔助車輛定位系統(tǒng)。同時(shí)，在道路交通標(biāo)識(shí)標(biāo)牌上加裝定位器，實(shí)時(shí)反饋車輛位置，保障車輛位置信息的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，確保無(wú)人駕駛卡車運(yùn)輸路線合理、運(yùn)輸過(guò)程安全。

2.2 哈爾烏素露天礦無(wú)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(guò)程中，與設(shè)備廠家進(jìn)行協(xié)調(diào)，獲得CAN線接入許可，再利用工控機(jī)通過(guò)CAN線接口與底層控制器進(jìn)行信息交互，底層控制器通過(guò)IO/CAN與底層執(zhí)行器（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)閥等）進(jìn)行交互，進(jìn)而實(shí)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(yùn)輸?shù)缆翻h(huán)境復(fù)雜，為保證無(wú)人運(yùn)輸卡車運(yùn)行過(guò)程中的安全，需要對(duì)運(yùn)行設(shè)備安裝激光雷達(dá)等傳感設(shè)備［11］，以探測(cè)道路實(shí)時(shí)狀況。哈爾烏素露天礦礦用卡車無(wú)人化改造時(shí)，利用機(jī)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(shí)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)障礙物檢測(cè)，保證卡車實(shí)時(shí)檢測(cè)出不同障礙物，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜態(tài)障礙物檢測(cè)與目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、路沿檢測(cè)、防碰撞預(yù)警等功能。同時(shí)通過(guò)機(jī)群系統(tǒng)及V2X技術(shù)實(shí)現(xiàn)多車之間的感知信息共享，達(dá)到超視距的感知能力。

（3）機(jī)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(tái)，建立基于人機(jī)意圖的協(xié)同決策系統(tǒng)，利用機(jī)群系統(tǒng)對(duì)所有車輛行駛軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的情況設(shè)定特定決策。主要包含以下幾點(diǎn)：障礙物決策、會(huì)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(dòng)檢測(cè)與處理、故障問(wèn)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(wú)人駕駛系統(tǒng)中配備高精度三維地圖及定位系統(tǒng)，無(wú)人駕駛卡車路徑規(guī)劃過(guò)程中根據(jù)配備的礦區(qū)高精度三維地圖及當(dāng)前車輛位置和指定的終點(diǎn)位置進(jìn)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(duì)全局道路進(jìn)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(jìn)行全面自動(dòng)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(wú)人駕駛運(yùn)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(guò)在哈爾烏素露天礦現(xiàn)有挖掘和推土設(shè)備上安裝自動(dòng)定位系統(tǒng)和感知系統(tǒng)，確定物料作業(yè)位置，卡車無(wú)人駕駛系統(tǒng)根據(jù)信息反饋結(jié)果，完成物料的裝載、運(yùn)輸和排棄循環(huán)過(guò)程。無(wú)人駕駛卡車在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中實(shí)時(shí)接收礦山道路標(biāo)識(shí)標(biāo)牌上的GPS定位信息，確保運(yùn)輸過(guò)程中安全、穩(wěn)定。

（6）機(jī)群管理調(diào)度。如圖7所示，為實(shí)現(xiàn)哈爾烏素露天礦礦用卡車無(wú)人駕駛過(guò)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(jī)群管理調(diào)度系統(tǒng)。建成后的機(jī)群管理調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)V2X車聯(lián)網(wǎng)通信控制協(xié)議連接無(wú)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(dòng)控制解決方案。主要包含以下內(nèi)容：①起始點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)卡車車輛進(jìn)行狀態(tài)檢查，完成檢查可派發(fā)任務(wù)；②協(xié)同裝載，機(jī)群系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前任務(wù)情況對(duì)車輛進(jìn)行指揮調(diào)度，協(xié)調(diào)卡車與掘機(jī)完成協(xié)同裝載，并按序駛離裝載區(qū)；③自動(dòng)駕駛運(yùn)輸，卡車根據(jù)機(jī)群下發(fā)的排土點(diǎn)及全局路徑規(guī)劃完成自動(dòng)駕駛行駛到排土場(chǎng)，過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避障遙控駕駛；④協(xié)同卸載，卡車行駛到卸載區(qū)，按照機(jī)群指令依次完成卸載任務(wù)，并駛向下一次任務(wù)點(diǎn)或者返回停車場(chǎng)；⑤終點(diǎn)，到達(dá)終點(diǎn)后對(duì)車輛進(jìn)行再次的狀態(tài)確認(rèn)及檢查并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)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(wú)人駕駛技術(shù)研究涉及到多個(gè)行業(yè)和專業(yè)，目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)無(wú)人駕駛研究滯后于國(guó)外，現(xiàn)階段我國(guó)露天煤礦在無(wú)人駕駛技術(shù)方面仍處于探索、試驗(yàn)階段，暫未出現(xiàn)成功應(yīng)用實(shí)例。結(jié)合現(xiàn)階段我國(guó)露天煤礦無(wú)人駕駛技術(shù)研究實(shí)際和哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)狀況，對(duì)哈爾烏素露天煤礦進(jìn)行一臺(tái)套設(shè)備無(wú)人化改造試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行投資及效益估算。哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)投資估算基礎(chǔ)是改造4臺(tái)930E卡車和1臺(tái)電鏟，估算總投資為設(shè)計(jì)范圍內(nèi)系統(tǒng)從籌建到竣工時(shí)全部土建工程、設(shè)備購(gòu)置及安裝工程、工程建設(shè)其他費(fèi)用投資。具體結(jié)果見表3。

3.2 預(yù)測(cè)效益及實(shí)施效果分析

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

（1）無(wú)人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用可準(zhǔn)確獲取礦山實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)信息、道路信息、設(shè)備信息等，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性可使哈爾烏素露天礦合理按照實(shí)際情況調(diào)整礦山開采進(jìn)度及排棄計(jì)劃。

（2）采用無(wú)人駕駛進(jìn)行采剝作業(yè)后，卡車在運(yùn)行過(guò)程中，采用最優(yōu)的控制操作策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(wú)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(yùn)輸環(huán)節(jié)的安全性。礦用無(wú)人駕駛系統(tǒng)，通過(guò)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(shí)避讓道路障礙，使車輛在運(yùn)輸過(guò)程更安全。

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

4 結(jié)論

（1）露天礦是一個(gè)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(jí)轉(zhuǎn)型的過(guò)程，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。

（2）露天礦無(wú)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(guò)程中從理論角度對(duì)哈爾烏素露天礦無(wú)人駕駛系統(tǒng)框架及方案進(jìn)行研究，為無(wú)人駕駛系統(tǒng)后續(xù)研究及實(shí)施應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（3）以改造哈爾烏素露天礦4臺(tái)930E卡車和1臺(tái)電鏟為基礎(chǔ)，進(jìn)行無(wú)人駕駛系統(tǒng)投資估算，需要投資約2 419萬(wàn)元。按照礦山整個(gè)無(wú)人卡車系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)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(wú)人駕駛技術(shù)每年帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將超過(guò)百萬(wàn)元。