哈爾烏素露天礦無人駕駛方案研究

武 講 鄭群飛

（中煤西安設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業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，以人工智能、機器人等技術為代表的第四次工業革命給中國煤炭工業帶來了新的挑戰與機遇。煤炭工業作為關系我國經濟命脈和能源安全的重要基礎產業，智能化是其發展的必由之路，采用智能化高新技術帶動傳統礦業的轉型和升級，可從本質上提升礦企的核心競爭力，從而推動我國礦業向安全、綠色、集約、高效的目標發展［1-4］。

無人駕駛系統作為礦山智能化發展的一部分，是加快露天礦山轉型升級，推動露天礦山無人、安全、智能和高質量發展的必經途徑。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、行業政策鼓勵及企業發展要求，露天礦無人駕駛系統研究呈現井噴式發展，國內眾多礦山企業、科研院所、科技公司及礦用卡車生產廠家紛紛進行露天礦無人駕駛系統研究。目前，國內露天礦無人駕駛系統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依然存在較大差距，我國露天礦山無人駕駛系統發展任重道遠。

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

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蒙古自治區準格爾旗，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工藝，現有各類礦用卡車84臺（見表1），卡車平均運距約3 km。哈爾烏素露天礦現有卡車司機約250人，用工數量大，人工成本高，加之露天礦作業環境惡劣、人員老齡化、作業枯燥等因素，導致用工難問題越來越突出。此外，由于露天礦卡車設備盲區大等原因，露天礦卡車運輸事故安全隱患大，據統計，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，國家及煤炭行業對智能化礦山發展的重視度逐漸提高，露天礦“無人則安”生產觀念越來越受到礦山企業重視［7-8］，因此，哈爾烏素露天礦開展無人駕駛系統研究是必然的。

露天礦無人駕駛通過感知周圍環境，控制車輛的速度和轉向，保證車輛安全、可靠行駛。露天礦相對封閉的作業環境及其特有的實時、動態性，為無人駕駛系統的應用提供了良好平臺。哈爾烏素露天礦無人駕駛系統的研究及實施應用將具有以下優點：

（1）無人駕駛將減少現場作業人員數量，節省人工成本，提升安全水平。

（2）無人駕駛的應用，可實現作業區域內車輛的集群調度，有效提高車輛的利用率和作業效率。

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

（4）無人駕駛系統與先進、智能的生產設備結合，可實現生產過程的全面監測和集中控制。

（5）將露天礦管理系統和無人駕駛系統有機融合，可優化業務管理流程，提高人員工作效率，提升露天礦整體生產管理和決策水平。

（6）利用無人駕駛系統中的數據分析和決策平臺構建各類分析模型，從而優化生產過程，提高資源利用率，實現節能減排、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充分利用礦山已有調度、通訊和管理等系統，對原有設備進行升級改造，并結合無人駕駛需求，增加相關智能化軟硬件。目前有關無人駕駛系統的架構分級較多［9-10］，針對露天礦運輸作業環節而言，按照控制程序分級可將無人駕駛功能結構分為：環境感知、決策規劃、車輛控制、信息監管四個層級。根據哈爾烏素露天礦設備特點及生產實際，哈爾烏素露天礦運輸作業環節無人駕駛主要建設內容有：①設備無人化改造；②無人駕駛作業區域5G通訊系統；③高精三維地圖及衛星定位系統建設；④綜合管控平臺；⑤作業區域內設備、標識及定位加裝。哈爾烏素露天礦運輸環節無人駕駛系統框架見圖1。

2.1 哈爾烏素露天礦無人駕駛建設內容

（1）設備無人化改造。為充分利用現有設備資源，減少無人駕駛投資，對哈爾烏素露天礦現有運輸卡車進行無人化改造，升級露天礦運輸調度系統，以適應無人駕駛技術應用。設備無人化改造見圖2所示，改造系統見表2所示。

（2）無人駕駛作業區域5G通訊系統。利用在礦區構建的5G通信基站組成的區域網絡通信系統，將無人礦車、礦山道路和系統云智能調度平臺聯結起來，實現車輛—道路—中心的實時通信連接。5G通信系統建成后能夠解決露天礦山生產作業區域的通信信號覆蓋問題，針對特征地形，合理構建網絡，解決信號盲區。

（3）高精三維地圖及衛星定位系統建設。由于露天礦具有采掘點變化頻繁、變化區域多而雜的特點，為適應各種設備的無人駕駛正常作業，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。在哈爾烏素露天礦采用無人機對礦區道路進行飛行掃描，生成點云數據，通過技術處理生成高精三維地圖，同時配套移動式車載掃描系統，對正在工作的區域進行不間斷掃描，以實時了解作業變化，優化無人駕駛卡車決策，規劃最佳行駛路線。

（4）綜合管控平臺。綜合管控平臺是無人駕駛系統的管理調度中心，主要包括：智能管理系統、智能生產管控系統和智能輔助系統，其中智能生產管控系統是核心。系統通過V2X車聯網連接無人卡車、挖機、推土機及其他設備，組成一體化的自動控制解決方案，按照任務需求對系統內的車隊、設備、人員進行管理與調度，從而實現礦山作業的智能化，提高作業安全和生產效率。

（5）作業區域內設備、標識及定位加裝。為確保哈爾烏素露天礦無人駕駛系統能夠實時感知周邊設備及運輸路況信息，充分利用原有毫米波雷達自動剎車系統，適當增加輔助車輛定位系統。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，與設備廠家進行協調，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與底層執行器（驅動系統、制動閥等）進行交互，進而實現整車的線控，底盤及線控子系統見圖3。

（2）超視距融合感知。如圖4所示，哈爾烏素露天礦運輸道路環境復雜，為保證無人運輸卡車運行過程中的安全，需要對運行設備安裝激光雷達等傳感設備［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，在車輛前部及尾部關鍵部位安裝傳感設備，實現礦區內障礙物檢測，保證卡車實時檢測出不同障礙物，實現動、靜態障礙物檢測與目標識別與跟蹤、路沿檢測、防碰撞預警等功能。同時通過機群系統及V2X技術實現多車之間的感知信息共享，達到超視距的感知能力。

（3）機群+單車協同決策。結合哈爾烏素露天礦礦用卡車調度系統及新建5G通訊網絡和綜合管控平臺，建立基于人機意圖的協同決策系統，利用機群系統對所有車輛行駛軌跡進行實時監控預測，對可能出現的情況設定特定決策。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、基于大數據的道路平整度自動檢測與處理、故障問題決策。

（4）路徑及速度規劃。如圖5所示，哈爾烏素露天礦無人駕駛系統中配備高精度三維地圖及定位系統，無人駕駛卡車路徑規劃過程中根據配備的礦區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劃［12］。根據參考路徑的曲率、允許的側向加速度極限值、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劃。管控系統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）輔助設備及設施。如圖6所示，哈爾烏素露天礦無人駕駛運輸環節涉及到物料的采掘與排棄，因此需要挖掘設備及推土設備的配合。通過在哈爾烏素露天礦現有挖掘和推土設備上安裝自動定位系統和感知系統，確定物料作業位置，卡車無人駕駛系統根據信息反饋結果，完成物料的裝載、運輸和排棄循環過程。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、穩定。

（6）機群管理調度。如圖7所示，為實現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度，應充分利用哈爾烏素露天礦現有卡車調度系統，建立智能機群管理調度系統。建成后的機群管理調度系統通過V2X車聯網通信控制協議連接無人卡車、智能操作終端、管控中心以及其他設備，共同組成一體化的自動控制解決方案。主要包含以下內容：①起始點，系統對卡車車輛進行狀態檢查，完成檢查可派發任務；②協同裝載，機群系統根據當前任務情況對車輛進行指揮調度，協調卡車與掘機完成協同裝載，并按序駛離裝載區；③自動駕駛運輸，卡車根據機群下發的排土點及全局路徑規劃完成自動駕駛行駛到排土場，過程中可實現主動避障遙控駕駛；④協同卸載，卡車行駛到卸載區，按照機群指令依次完成卸載任務，并駛向下一次任務點或者返回停車場；⑤終點，到達終點后對車輛進行再次的狀態確認及檢查并記錄在數據庫中，等待下一次任務。

3 預估投資及效益分析

3.1 投資估算

露天礦無人駕駛技術研究涉及到多個行業和專業，目前，國內有關無人駕駛研究滯后于國外，現階段我國露天煤礦在無人駕駛技術方面仍處于探索、試驗階段，暫未出現成功應用實例。結合現階段我國露天煤礦無人駕駛技術研究實際和哈爾烏素露天煤礦生產狀況，對哈爾烏素露天煤礦進行一臺套設備無人化改造試驗，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投資估算基礎是改造4臺930E卡車和1臺電鏟，估算總投資為設計范圍內系統從籌建到竣工時全部土建工程、設備購置及安裝工程、工程建設其他費用投資。具體結果見表3。

3.2 預測效益及實施效果分析

根據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2～3 h，年作業時間近7 000 h，可提高生產效率15%～20%［5］。結合我國露天礦發展現狀及哈爾烏素露天礦實際開采情況，按照無人卡車系統建設運行生產效率提高約10%核算，哈爾烏素露天礦無人駕駛技術每年帶來的經濟效益將超過百萬元。此外，哈爾烏素露天礦無人駕駛技術實施后可產生以下影響：

（1）無人駕駛系統的應用可準確獲取礦山實時三維動態信息、道路信息、設備信息等，數據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后，卡車在運行過程中，采用最優的控制操作策略，使發動機的運行效率更高，駕駛操作方式逐步優化，從而有效降低燃油及輪胎消耗。

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

（4）提高運輸環節的安全性。礦用無人駕駛系統，通過車輛傳感設備，采集外界環境數據，消除車輛盲區、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 結論

（1）露天礦是一個復雜的大系統，智能化露天礦建設是大系統各組成環節全面升級轉型的過程，無人駕駛作為智能化露天礦建設的一部分，是未來發展的必然趨勢，也是露天礦提質增效的重要研究方向。

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

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