準東露天煤礦5G+卡車無人駕駛技術應用試驗

高金龍，蔡明祥，王識輝

（國家能源集團新疆能源有限責任公司 準東露天煤礦，新疆 昌吉831799 ）

隨著人工智能、傳感檢測等高新技術的不斷突破，數字化發展日益突出，智能制造己上升為國家戰略，迅速推進智慧礦山建設，探索出一條具有礦業特色的智能制造新道路已時不我待[1-2]。運輸是露天礦開采工藝中主要的生產環節之一,也是最容易出現事故的環節[3]。礦山環境惡劣招工困難，運輸成本高等問題，礦山運輸環節采用無人駕駛卡車代替有人駕駛卡車具有現實的需求，而且露天礦山作業場景相對封閉，物料運輸都是點到點的作業過程，隨著科學技術的發展，礦山運輸采用無人駕駛技術已具有了可行性[4]。將無人駕駛技術運用到露天礦運輸環節，有助于降低生產成本，提高運輸效率，減少運輸安全事故發生[5]。無人化礦用卡車未來將更加智能化，應用規模也會越來越大，在未來礦用卡車在設計時，將會考慮無人駕駛因素，傳感器和智能系統一定會得到更廣泛的應用[6]。

1 露天礦無人駕駛技術應用現狀

早在20 世紀70 年代初，國外已經開始對無人駕駛技術與產品應用進行研究[7]。卡特的礦山之星系統（生產協同系統）在澳大利亞所羅門鐵礦進行了應用，使用240 t 級卡特無人駕駛卡車，到2019 年底無人駕駛卡車達到72 臺。小松自動運輸系統（AHS）在澳大利亞、北美洲和南美洲的礦山進行了應用，應用該系統的無人駕駛自卸卡車約有121 臺。ASI Mobius系統在南非和美國的礦山進行了應用，應用ASI 無人駕駛自卸卡車約30 臺。根據美國SAE International國際自動機工程師學會發布的無人駕駛配置分級標準，國外的這些無人駕駛等級為L4 級別[8]。

目前國內從事礦山無人駕駛系統研發的廠家主要有踏歌智行、慧拓智能、易控智駕、中車株洲、徐工集團等，主要采取和礦用卡車主機廠商合作的模式，提供礦區自動駕駛運輸解決方案和產品。在技術路線選擇上，主要采用云端智能調度+V2X+單車智能模式，礦車采用線控驅動技術，借助激光雷達、毫米波雷達、視覺分析，以及V2X 車聯網等技術提升單車主動安全能力，基本實現高安全性的自動駕駛。

國外軟件系統相對成熟，已大規模商用，并得到市場的認可。國內軟件系統進行自動駕駛礦卡、遠程遙控挖掘機等相關技術研發與應用示范；自主開發軟件，技術標準與算法應用已逐步完善和成熟，系統在后續應用、維護等方面更具優勢；處于試驗與試商用階段，缺乏市場充分驗證。

2 5G+卡車無人駕駛技術研究方案

對礦用寬體車進行線控化改造，并在線控車輛基礎上安裝無人駕駛所需的控制單元、定位感知傳感器和配套通信設備。通過參數適配和算法調節，使線控車輛具備適應實際生產作業場景的無人駕駛功能。

建設無人駕駛所需的調度指揮中心和數據中心，提供調度指揮場所和無人駕駛調度管控平臺所需的計算存儲平臺。同步建設覆蓋無人駕駛區域的5G 網絡，滿足無人駕駛通信需求。

采掘設備、輔助設備安裝協同作業交互終端系統，使其具備人機交互、定位、通信及數據采集功能，完善采剝工藝中的配套生產作業環節。

以上內容建設完成后，通過無人駕駛全天候連續運行，完善工藝參數和算法，積累運行數據。后續建設遠程遙控駕駛艙和VPN 數據專線，提高無人駕駛系統運行穩定性和安全性。

2.1 卡車線控化改造

對現有同力I65 礦用寬體車，依托生產廠進行線控化改造，優化卡車自動駕駛硬件配置前裝匹配、通信協議匹配及全新無駕駛室線控車型重塑，使改造后寬體車具備無人駕駛系統線控功能并完成性能測試驗證。實現車輛對障礙物的識別和動靜態區分，檢測可行駛區域，并對區域的障礙物進行提取。

2.1.1 卡車外部改造

1）正前方。布置1 個長距離激光雷達+1 個長距離毫米波雷達，兩者均布置在前方中間檔板上，激光雷達在上，毫米波雷達在下。覆蓋前方距離150 m、180°范圍。

2）兩側前角。各布置1 個長距離激光雷達+1 個向下中短距離激光雷達。遠距離激光雷達覆蓋側方和前方150 m，270°左右范圍；短距離激光雷達覆蓋兩側雷達附件范圍。

3）后方。布置1 個中短距離激光雷達，覆蓋后方50 m 范圍。

2.1.2 卡車內部改造

1）增加胎溫臺壓傳感器。該操作可以讓無人駕駛車輛每個輪胎的胎壓得到實時監控，有效減少輪胎因胎壓和溫度引起的爆胎，石頭刺爆后能及時發現并進行維修，增加車輛的安全性。

2）加裝應急制動。為整車行車制動系統增加冗余保護，當車輛行車制動系統出現問題時，應急制動系統會及時介入，防止車輛出現危險。

3）加裝應急轉向液壓泵。當無人駕駛車輛主轉向液壓泵出現故障時，應急轉向液壓泵會及時介入，保證壓力持續供應且不失去轉向能力。

4）升級無人駕駛系統車載計算平臺。可以提高無人駕駛系統整體的穩定性。

2.2 無人駕駛調度中心建設

無人駕駛調度中心是在云端建立調度指揮平臺，對無人駕駛礦車進行集中調度監控，為每輛車指定運輸目的地，車輛通過接收無線指令以合適的速度、按照確定的路線運行至目的地，并完成相關作業操作。無人駕駛車輛通過平臺信息、自身定位和感知系統來確定礦山上的運行坐標以及周圍的環境情況，使得車輛能在自主操作的情況下實現裝載、運輸和卸載的循環作業。

2.3 5G 網絡環境建設

卡車無人駕駛應用場景主要分為車輛編隊行駛、高級駕駛、傳感器信息交互、遠程遙控駕駛，這4類V2X 業務對通信技術提出了更高的要求，除了要求時延低，還必須保證網絡可靠性強、吞吐量大、安全性能高[9]。依托5G 大帶寬、低時延、高可靠網絡特性，實現通過遠程智能駕駛平臺對遠端車輛的全向監控和智能遠程控制，其系統包括數據交互與控制、網絡傳輸以及控制和平臺3 部分。在無人駕駛車輛裝載區域、運輸道路、排土區域布設5G 基站，采用非獨立主網絡方式，保證試驗區域5G 網絡全覆蓋。同時在試驗期間，隨著采裝作業區域變化，對5G 基站進行移設，保證試驗區域網絡覆蓋良好。無人駕駛系統5G 架構示意圖如圖1。

圖1 無人駕駛系統5G 架構示意圖

2.4 車端無人駕駛系統建設

硬件設備方面，車端無人駕駛系統需要有計算平臺、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、組合導航、V2X 模塊等，從功能角度，車端無人駕駛系統具備環境感知、融合定位、決策規劃、運行控制和電控單元等功能。

1）環境感知。通過激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、相機（輔助）、V2X 等模塊的相互融合感知，實現對障礙物、擋墻、道路和落石等的識別，以及動態障礙物的軌跡預測等。

2）融合定位。主定位采用差分衛導（RTK+GNSS）+慣導（IMU）的組合導航系統，其中衛導（GNSS）采用多模接收，即同時兼容北斗、GPS 等多套衛星定位系統。主定位工作時，會基于車輛運動學數據（車速、車身姿態等）進行車輛運動軌跡推算的輔助定位，并結合主定位進行數據校核和融合。

3）決策規劃。根據路線布設和云端網絡地圖，對無人車輛運行過程優化調整，比如停車、卸料、繞行等命令，針對周圍環境實時感知在云端實時規劃行走路線。

4）運動控制。運動控制功能是對無人車輛轉向、制動、變速等與車輛靈敏度相關的指令進行統一調控。目前運行的同力礦用寬體車車輛均采用同力重工全新線控底盤。該底盤是同力重工在855 車型的基礎上，經過正向的系統設計實現線控化（線控車輛型號I65），通過EPS 實現轉向線控，通過發動機、變速箱實現驅動線控，通過EBS、緩速器、排氣制動實現制動線控。

3 現場應用

3.1 項目建設和試運行區域情況

準東露天礦在采場西幫地表區域從南向北布設了5 座5G 基站，覆蓋范圍約4 km2，以滿足卡車無人駕駛現場試驗，實現試驗區域5G 網絡全覆蓋，滿足無人駕駛的網絡通信要求。投入1 個臺套設備（1臺液壓反鏟配6 臺無人駕駛線控卡車），挖掘機斗容6 m3,卡車載重35 t。

試驗區域選為采場南幫+536 m 水平，排土場在+596 m 水平，運距3.5 km 左右，爬升高度60 m，道路采用隔離的雙向雙車道，全線覆蓋電信的5G網絡。劃定無人駕駛封閉作業區域，為無人駕駛試運行工作提供安全可靠、固定單一的作業環境。無人駕駛裝載點與卸載點往返1 次行程約7 km，時速平均35 km/h，單趟平均時間25 min。

3.2 試驗結果

1）在準東露天礦搭建礦山無人駕駛場景，實現單編組無人駕駛車隊的連續穩定運行。隨著技術優化提升，單車單日平均拉運趟數由8 趟提升至24趟。無人卡車平均時速由30 km/h 提升至35 km/h。

2）無人駕駛實現雙班運行，極大提高了運行效率，通過階段性的露天礦山無人駕駛連續運行試驗，“采-運-排”環節無人駕駛卡車全部為自動駕駛。在標準運距和提升高度作業條件下，無人駕駛試驗運行效率達到了人工平均的90%以上。

3）5G+卡車無人駕駛試驗至今，已安全測試257 d，總里程17.35 萬km，拉運土方51.95 萬m3。

4）搭建了無人駕駛云端調度指揮平臺，通過大屏實時監控無人駕駛運行數據、車輛視頻、挖機視頻等。通過無人駕駛的高精度矢量地圖與礦上的CAD現狀圖進行融合，能在全礦作業范圍內更加直觀的展示無人駕駛作業區域和車輛運行狀況。

3.3 下一步規劃及目標

1）在準東露天礦搭建礦山無人駕駛場景，實現單編組無人駕駛車隊的連續穩定運行。識別運行過程中，礦山地質條件、氣候條件、采掘工作推進情況等對無人駕駛5G 網絡、無人駕駛感知系統的影響，收集相關試驗數據，進行數據分析，得到最佳的5G網絡覆蓋移設方案以及無人駕駛感知系統選型布置方案。

2）構建無人駕駛數據對接平臺，實現對地測數據、氣象數據、視頻數據、采剝計劃數據等的對接，并將上述數據深度融合應用于無人駕駛的車輛出動、車輛調度、車輛監控等功能中。構建雙編組無人駕駛車隊，實現全天連續穩定運行。收集運行過程中各個工藝環境的無人駕駛應用邊界，與傳統單斗卡車生產工藝進行對比，形成適合無人駕駛的工藝參數。

3）用雙編組連續作業，對工藝參數進行迭代優化，形成相關的標準。同時，開展四編組運行試驗，通過全天連續運行的數據進行分析，初步形成1 套無人駕駛經濟化運行模型。

4 結語

為了快速推進智慧礦山建設，準東露天煤礦開展了5G+卡車無人駕駛技術應用試驗。通過卡車線控化改造，無人駕駛調度中心建設，5G 網絡環境建設以及車端無人駕駛系統建設等一系列技術，并根據現場應用條件，布設5G 基站，規劃作業區域進行現場試驗。無人駕駛的雙班運行作業，極大提高了運行效率。優化了卡車無人駕駛系統軌跡路徑，初步實現了卡車運輸環節作業過程完全無人自主運行，下一步將繼續深入研究，在保證單編組運行穩定的基礎上，開展多編組運行試驗。