露天礦車載監(jiān)控終端技術(shù)的應(yīng)用研究

張?zhí)旆?神華和利時信息技術(shù)有限公司,北京100011)

1 前言

露天礦的開采作業(yè)中,由于道路彎道多、作業(yè)空間有限、司機工作強度較大等原因,運輸事故數(shù)量占到總事故起數(shù)的70% 以上。在視野不開闊或者拐彎的區(qū)域,司機無法及時發(fā)現(xiàn)對向行駛車輛,情況嚴重時將會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。但由于面向露天礦的安全裝備產(chǎn)品研發(fā)處于起步階段,目前國內(nèi)尚無完整的解決方案從根本上解決此問題[1]。

伴隨著“智能化礦山”建設(shè)進程的加速,信息技術(shù)在礦山的作業(yè)過程中起到了巨大的推動作用。本文通過對車載監(jiān)控終端C-V2X 技術(shù)的研究,從語音技術(shù)、短距離無線通信GPS 定位、可視技術(shù)等不同方面改善駕駛員的視野并進行提示,從而實現(xiàn)車輛防撞的目的,保證露天礦運輸安全,為露天煤礦企業(yè)的安全發(fā)展夯實了基礎(chǔ)。

2 運輸監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

對露天煤礦運輸系統(tǒng)的監(jiān)測主要是對礦山運輸車輛進行監(jiān)測,其監(jiān)測一方面保障運輸過程的安全[2];另一方面,可以減少非正常的燃料的消耗,并提供調(diào)查信息和支持,幫助管理者做出決策,同時為煤礦運輸系統(tǒng)的工作人員提供實時信息[3]。

2.1 系統(tǒng)組成

露天礦車載監(jiān)控系統(tǒng)分為7 個部分:車載信息終端、基本車況監(jiān)控系統(tǒng)、燃油監(jiān)控系統(tǒng)、及時通訊系統(tǒng)、輪胎監(jiān)控子系統(tǒng)、管理平臺以及數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。車載信息終端分為車載信息終端A 與車載信息終端B,其中管理平臺需要通過通訊系統(tǒng)的才可以成功將車載信息數(shù)據(jù)傳輸至車載信息終端A,車載信息A 負責(zé)基本車況監(jiān)控、輪胎監(jiān)控以及燃油這3 個監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收錄、分析與處理;然后,再經(jīng)由車載信息終端A 處理之后又過渡至信息終端B[4],具體如圖1所示。

圖1 露天礦車載監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.2 國內(nèi)外研究進展

國外露天礦車載監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展比較早,其中美國的模塊公司、加拿大的Wenco 公司的卡車調(diào)度系統(tǒng)知名度最高。美國模塊公司將其開發(fā)的卡車調(diào)度系統(tǒng)運用到了全球大約130 多個礦。20世紀末,美國模塊公司所研發(fā)出來的井工礦坑道調(diào)度系統(tǒng)在南美和智利取得了十分良好的應(yīng)用效果,除此之外,美國模塊公司研發(fā)出的鐵路調(diào)度系統(tǒng),也成功地運用于巴西鐵路運營系統(tǒng)。加拿大Wenco 公司研發(fā)出的卡車調(diào)度系統(tǒng),其業(yè)務(wù)范圍覆蓋面廣,并成功裝備了許多個大型礦山。

進入21世紀,國外以卡特公司的“ MineStar”系統(tǒng)和小松公司的“AHS” 系統(tǒng)為代表的卡車無人駕駛技術(shù)進展加快,并在巴西淡水河谷公司、 澳大利亞所羅門鐵礦等礦山進行了無人駕駛卡車的試驗和應(yīng)用[5]。

現(xiàn)如今,國內(nèi)露天煤礦原煤運輸系統(tǒng)采取的是單斗—卡車—帶式輸送機半連續(xù)工藝?，F(xiàn)階段而言,國內(nèi)現(xiàn)存的車輛防護策略可分為2 種: 一是運用雷達和視頻技術(shù)手段,能夠有效幫助司機了解路況,但是作用范圍小。但是其弊端也較為明顯,易受到光、灰塵干擾。二是通過構(gòu)建基站組網(wǎng)并在采區(qū)地帶設(shè)立無線基站,在采煤車輛安置信息數(shù)據(jù)終端,使終端將信息傳至基站,由基站對車輛的區(qū)域位置予以合理計算,最終把反送至信息數(shù)據(jù)終端。該措施成本低,但基站運算量大、安裝位置的相關(guān)標準極高。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

目前,露天礦車載監(jiān)控系統(tǒng)已發(fā)展較為完善,其中重要的車載防碰撞預(yù)警終端,通過北斗/GPS 衛(wèi)星定位,實時監(jiān)測車輛行駛位置、車速,同時通過Zigbee 或RF433 射頻自組網(wǎng)通訊技術(shù),實現(xiàn)車輛之間的信息交互和安全預(yù)警。數(shù)據(jù)傳遞至終端后,及時獲取周邊近距離車輛的位置、速度等信息,判斷是否存在碰撞的危險同時發(fā)出語音報警提醒駕駛員提高警惕或減速停車。但目前所采用的車—車通訊技術(shù)也存在不足,具體如下:

(1)不同廠商產(chǎn)品采用的Zigbee 或RF433 為私有通訊協(xié)議,不同廠商產(chǎn)品通信困難。

(2)Zigbee 或RF433 是定位于低傳輸速率的應(yīng)用,傳輸帶寬分別是250 kbps 和100 kbps,V2X 的帶寬是上行500 Mbps,下行1 Gbps。

(3)Zigbee 或RF433 更多應(yīng)用于車車通信,不具備車與路(V2R)、車與人(V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車與網(wǎng)絡(luò)(V2N)等之間的通信。

(4)Zigbee 或RF433 業(yè)務(wù)局限性較明顯,不適應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)車或自動駕駛的業(yè)務(wù)擴充。

3 車載終端C-V2X 技術(shù)

C-V2X 技術(shù),中文解釋為蜂窩車用無線通信技術(shù)(Cellular Vehicle to Everything)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)高效率、高可靠無人駕駛的關(guān)鍵支撐技術(shù),利用車載單元和路側(cè)單元的多種傳感設(shè)備,實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)汽車與周圍車輛、路側(cè)設(shè)備等的相互連接,幫助網(wǎng)聯(lián)車輛全面掌握交通狀況。

車載監(jiān)控終端C-V2X 技術(shù)是基于現(xiàn)有車載終端系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行功能升級,除具有傳統(tǒng)的定位、測試功能以外,還可以通過攝像機采購定時采集駕駛員頭部圖像,通過AI 分析判斷駕駛員行為,對露天礦外委車輛的安全防撞距離進行預(yù)警。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

車載監(jiān)控終端主要由供電模塊、通信模塊、定位模塊、C-V2X 模組、存儲及語音模、陀螺儀、主板,車車防碰撞預(yù)警及駕駛員行為分析計算、嵌入式系統(tǒng)軟件組成,具體組成如圖2所示。

圖2 車載監(jiān)控終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中,供電模塊、通信模塊是終端的基礎(chǔ)硬件,實現(xiàn)設(shè)備供電,數(shù)據(jù)傳輸;定位模塊主要是北斗/GPS 高精度定位模塊,陀螺儀獲取車輛姿態(tài)信息;C-V2X 模組主要是5G-V2X 通行模塊,RF 通訊主要是與現(xiàn)有RF 通信終端之間的通信;主板具備處理器、內(nèi)存、O/I 接口,以及承載以上相關(guān)模塊芯片。

車載系統(tǒng)的防碰撞預(yù)警主要是通過GNSS 定位,RF 射頻與C-V2X 車輛網(wǎng)多種技術(shù)實現(xiàn)超速報警、防碰撞預(yù)警等關(guān)鍵功能。駕駛員行為分析主要是通過攝像機采購定時采集駕駛員頭部圖像,通過AI 分析判斷駕駛員行為。

嵌入式系統(tǒng)軟件采用車與車通信協(xié)議標準,實現(xiàn)超速報警、停車報警、支持進、出區(qū)域報警、防碰撞預(yù)警、報警信息播報、設(shè)備狀態(tài)自檢等功能。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)基于車輛軌跡的道路網(wǎng)更新技術(shù)

露天礦隨著生產(chǎn)進度的推進,坑下的道路也在不斷的變化,車輛軌跡數(shù)據(jù)包含了豐富的道路信息,如車流量、車道、轉(zhuǎn)向等,直接反映了道路網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化。根據(jù)道路變化類型,確定不同更新策略,主要包括增加、刪除、延長、合并等操作。

對舊道路數(shù)據(jù)按照道路交叉點分割成路段,在軌跡數(shù)據(jù)中分析軌跡的變化特征,如方向、轉(zhuǎn)角等,根據(jù)軌跡線與舊道路段的關(guān)系確定變化類型,根據(jù)變化類型,提取道路變化增量信息,及時更新道路數(shù)據(jù),實現(xiàn)所有車輛在礦區(qū)內(nèi)的實時位置可以準確定位。

2)基于衛(wèi)星信號的高精度定位技術(shù)

車輛防碰撞預(yù)警設(shè)備采用亞米級高精度的定位技術(shù),通過讀取GNSS 衛(wèi)星位置與時間差信息,并計算車輛時速,對于車速超出限定值的情況,發(fā)出超速報警,同時數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心。

利用GNSS 衛(wèi)星定位設(shè)備獲取車輛位置信息,通過射頻自組網(wǎng)通訊方式,向車輛四周進行廣播車輛當(dāng)前位置信息,同時接收其他車輛發(fā)送的車輛位置信息。通過解析計算,計算與其他車輛的距離和相對位置。距離過近時(30、50、100 m 以內(nèi))發(fā)出不同的報警信號。

系統(tǒng)采用北斗和GPS 雙頻模式,結(jié)合差分信號可實現(xiàn)水平定位精度<1 m,垂直定位精度<5 m,覆蓋范圍可達到20 ～40 km。

利用差分信號基站的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行組網(wǎng),通過4G/5G 網(wǎng)絡(luò)等通信手段發(fā)布GNSS 差分信號(差分精度為亞米級),為用戶和車輛定位提供數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航定位服務(wù)。

3)V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

V2X 即車與車(V2V)、車與行人(V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車與網(wǎng)絡(luò)(V2N)等之間的通信系統(tǒng),用于提高道路安全性、提升交通出行效率,讓交通更安全、高效、智慧。

2018 年12 月27 日,工信部發(fā)布頂層設(shè)計指導(dǎo)性文件,2020 年實現(xiàn)LTE-V2X 產(chǎn)業(yè)化與商用部署,實現(xiàn)LTE-V2X 在部分高速公路和城市主要道路的覆蓋,開展5G-V2X 示范應(yīng)用,構(gòu)建車路協(xié)同環(huán)境,提升車用高精度時 空服務(wù)的規(guī)模化應(yīng)用水平。目前,由政府主導(dǎo)的C-V2X 工作組已組織開展LTE V2X 和5G V2X 的技術(shù)研究、試驗驗證和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推廣等工作。

基于LTE-V2X 等技術(shù)實現(xiàn)低時延、高可靠的安全預(yù)警、交通效率類提升和部分自動駕駛業(yè)務(wù),通過提供增強的行車環(huán)境感知能力,V2X 通信可避免大多數(shù)碰撞事故。

4)基于AI 視覺深度學(xué)習(xí)的視頻分析技術(shù)

充分利用AI 視覺深度學(xué)習(xí)技術(shù),實現(xiàn)駕駛員行為分析和輔助駕駛。

駕駛員行為分析通過利用AI 視覺深度學(xué)習(xí)和分析手段,對駕駛員是否疲勞駕駛,是否系安全帶,是否使用手持電話,遮擋攝像頭違規(guī)行為識別報警。有違規(guī)行為時上傳報警信息到生產(chǎn)調(diào)度中心,同時發(fā)出語音報警,視頻拍照和錄像本地留存,可供外部調(diào)閱。

5)基于5G 通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

相比4G 網(wǎng)絡(luò),5G 峰值速率提升了20 倍以上。隨著車聯(lián)網(wǎng)和智能駕駛技術(shù)的快速發(fā)展,車輛行駛數(shù)據(jù)采集,處理和交互控制的要求越來越高,龐大的數(shù)據(jù)交互需求需要超高速率、超低延時的傳輸,這恰恰是5G 大顯身手的地方。

3.3 C-V2X 技術(shù)特點及比較

相比普通蜂窩通信,C-V2X 的技術(shù)要求更高,需要提供更好的傳輸、時延、可靠性等能力:物理層結(jié)構(gòu)進行增強,支持更高的速度;支持全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步;更高效的資源分配機制以及擁塞控制機制;上下行傳輸增強;多接入邊緣計算能力。

目前C-V2X 在歐洲發(fā)達國家已經(jīng)取得長足的發(fā)展,很好的解決了傳統(tǒng)的傳感器裝置成本偏高、在汽車移動距離過大的情況下無法發(fā)揮理想的問題。隨著技術(shù)創(chuàng)新的深入,主要有兩條技術(shù)路線應(yīng)運而生,為C-V2X 技術(shù)和DSRC 技術(shù)。其中,DSRC 屬于視距傳輸技術(shù),在障礙物較多的場景中將會對其造成影響;其次,DSRC 需要復(fù)雜、完善的基礎(chǔ)設(shè)施部署:最后,自動駕駛對通信范圍、可靠性、穩(wěn)健性有更高的要求,DSRC 缺乏未來的技術(shù)演進路線。

4 結(jié)論

大噸位重型車輛運輸?shù)V巖是大型露天礦山運輸?shù)闹饕问街?卡車司機存在較大的視覺盲區(qū)。露天礦車載監(jiān)控終端C-V2X 技術(shù)通過GNSS 定位,RF 射頻與C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)多種技術(shù)可實現(xiàn)超速報警、防碰撞預(yù)警等關(guān)鍵功能。隨著人工智能、計算機視覺技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、電子技術(shù)等學(xué)科的引入,露天礦山道路運輸環(huán)境下的運輸安全性必將日益提高。