礦區無人運輸系統總體設計

田臣，丁震，李鎮江，高玉，艾云峰，陳龍

（1. 國家能源集團 煤炭運輸部，北京 100013；2. 北京慧拓無限科技有限公司，北京 100083）

0 引言

國外從20世紀70年代開始研究礦用卡車（以下簡稱礦卡）無人駕駛技術，我國針對礦卡無人駕駛技術的研究起步較晚[1-2]，近幾年，在國家政策的大力支持下，國內礦山智能化取得巨大發展[3-6]。一些代表性科技公司在無人駕駛礦用卡車（以下簡稱無人礦卡）領域取得一定成果，在部分礦區進行了示范性運營[7]。《關于加快煤礦智能化發展指導意見》提出露天煤礦要在2025年實現智能連續作業和無人化運輸的目標，為無人礦卡及智能化運輸系統的研發提供了動力。

隨著無人礦卡的使用，傳統的人工調度管理模式需要進行改進，以充分發揮無人駕駛技術優勢，提升整個礦區的運營效率，保障行駛安全。目前無人礦卡研究多集中在具體控制方法上，如路徑跟蹤[8]、感知及控制[9]、安全通行輔助決策[10]、線控改造[11]、道路檢測[12]等，這些研究成果很好地促進了無人礦卡的實際應用，但還不足以支撐整個礦區運輸系統的無人化運營。為此，亟需在推進無人礦卡研究和應用的基礎上，建立礦區無人運輸系統，以解決傳統人工調度模式下采礦作業人員和礦卡相關設備監管難度大、維護成本高等問題，實現對礦卡、挖掘機和推土機等在多場景下的協同控制、自動作業，從根本上保障礦區運輸安全，解決勞動力短缺、成本高等問題[13]。

1 礦區無人運輸系統總體框架

礦區無人運輸系統分為云控中心、邊緣側、智能終端3層，如圖1所示。

圖1 礦區無人運輸系統架構Fig. 1 Architecture of unmanned transportation system in mining area

云控中心包括露天礦山無人運輸云控調度平臺、無人運輸仿真系統、遠程應急接管系統、健康管理系統。云控調度平臺用于統一調度管理，實現無人礦卡與電鏟、推土機等的協同自動裝載和卸載，以及無人礦卡與各類有人駕駛輔助作業車輛的協同混編作業。無人運輸仿真系統根據礦山實時環境模擬不同調度運行方式，形成最優調度方案，指導實際生產，并確保無人礦卡研制和測試安全。遠程應急接管系統基于無人礦卡實時監控數據，實現極端危險場景下無人礦卡的遠程控制，確保在礦卡自動駕駛系統遇到故障時能夠緊急接管車輛。健康管理系統通過安裝在無人礦卡終端的相關傳感器，實現設備自檢、故障診斷、檢修結果上報、健康狀態評估等功能。

邊緣側包括定位/通信系統和智能路側系統。定位/通信系統連接云控中心與智能終端，支持4G/5G/Mesh等多種通信方式，可實現V2N（Vehicle to Network，車-網 絡）、V2V（Vehicle to Vehicle，車-車）和V2I（Vehicle to Infrastructure，車-基礎設施）通信，并可通過多種通信方式實現RTK（Real Time Kinematic，實時動態）差分定位。智能路側系統可實現盲區監測、動態障礙物檢測、落石檢測等功能。

智能終端包括礦卡自動駕駛系統和協同作業管理系統。礦卡自動駕駛系統啟動運行后，自動接收來自云控調度平臺的生產任務，并與電鏟、推土機、其他有人車和無人礦卡等協同作業。礦卡自動駕駛系統具備單車智能管理功能，可實現障礙物感知、智能決策、路徑規劃、高精定位、精準控制、安全監測等功能。協同作業管理系統為安裝在有人設備終端的管理系統。各管理系統與地面控制系統交互，通過安裝在有人采掘設備、工程設備、輔助生產設備上的軟硬件系統，在保證人車安全的情況下協助無人礦卡共同完成作業，保證礦山無人運輸作業高效、可靠進行。

2 子系統設計方案

2.1 礦卡自動駕駛系統

礦卡自動駕駛系統主要包括線控系統、無人駕駛車載控制系統，如圖2所示。

圖2 礦卡自動駕駛系統Fig. 2 Autonomous driving system for mining truck

2.1.1 線控系統

無人礦卡線控系統根據實際情況分為前裝系統和后裝系統，后裝系統可以在不影響原車裝置、功能的前提下直接控制執行元件。通過線控系統可實現遠程和本地整車無人/有人駕駛模式一鍵切換，無人駕駛車輛遇到緊急情況時，車輛安全員可通過人工介入方式實現對車輛制動及轉向的應急接管，確保人工操作為最高優先級。

線控系統包括線控驅動系統、線控發動機系統、線控轉向系統、線控制動系統、線控舉升系統、線控行車警示系統等。① 線控驅動系統：通過電信號控制車輛的檔位、油門、電制動、工作制動、遠程啟停等功能模塊，其中遠程啟停模塊具有遠程電源控制功能，可減少長時間停車對車輛電量的消耗。② 線控發動機系統：車載控制器通過電驅動系統下發油門電信號到發動機，實現發動機線控化。③ 線控轉向系統：礦卡自動駕駛系統向轉向系統發送控制指令，要求轉向平穩、無抖動、響應速度快，同時，實時獲取車輛轉向角度信息。④ 線控制動系統：實現車輛的行車制動、駐車制動等。⑤ 線控舉升系統：通過電信號控制卡車廂斗的舉升、迫降、鎖止、浮動等。⑥ 線控行車警示系統：實現轉向燈、制動燈、前大燈、倒車燈、示廓燈、警示燈、喇叭等的控制，通過駕駛模式指示燈顯示卡車駕駛模式。

2.1.2 無人駕駛車載控制系統

無人駕駛車載控制系統主要包括主控硬件、感知系統、定位系統等，如圖3所示。主控硬件為車載控制器，包括MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）和VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器），采用本地化部署方式。感知系統由激光雷達、毫米波雷達、攝像機等組成。定位系統包括GNSS （Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）和SLAM（Simultaneous Localization And Mapping，即時定位與地圖構建），可實現高精度冗余定位。

圖3 無人駕駛車載控制系統Fig. 3 Vehicle control system for Autonomous driving

（1） 主控硬件。車載控制器可配置雙Xavier芯片，以滿足算力要求。硬件電路設計應遵循故障導向安全原則。通過配置獨立的安全監控冗余單元，監測車載控制器工作狀態，在車載控制器出現故障時，向線控系統發出安全停車指令。因礦區道路崎嶇不平，車體顛簸嚴重，車載控制器采用金屬傳導等被動散熱方式。車載控制器中所有器件均采用工業級器件。車載控制器與其他設備的連接采用汽車連接器、航空插頭等標準連接器，確保連接的可靠性和穩固性。

（2） 感知系統。礦山環境惡劣、路況復雜，存在道路邊沿模糊、路面起伏、積水反光等問題。因此，利用激光雷達、毫米波雷達等傳感器進行環境感知[9]。經過數據預處理、標定與同步、激光點云信息特征提取、多傳感器數據融合等，實現動態障礙物、靜態障礙物檢測及目標識別、防碰撞預警等功能。感知系統應能穩定運行在極寒、高濃度粉塵等極端環境下。同時，應充分考慮傳感器、主控單元及網絡設備等的電磁兼容性，防止設備間的電磁干擾。

（3） 定位系統。針對單一定位方案信號易被遮擋等問題，采用GNSS和IMU構成組合導航系統，提供無人礦卡的位置、速度、航向、加速度等姿態信息，為感知和控制提供精準的定位信息。組合導航系統使用RTK技術實現車身厘米級定位，可支持GPS（Global Positioning System，全球定位系統）和北斗導航信號。

無人駕駛車載控制系統軟件根據接收到的作業任務、行駛路徑、感知結果和自身定位進行行為決策、運動規劃和車輛控制。

2.2 云控調度平臺

云控調度平臺基于B/S結構，采用分層的軟件架構思想設計，由基礎設施層、平臺支撐層、基礎服務層和應用層組成，如圖4所示。基礎設施層包括平臺運行所需要的網絡、計算機、存儲設備等基礎資源；平臺支撐層由服務器、數據庫及消息中間件組成；基礎服務層提供數據推送、數據分發、信息流轉、信息查詢、規劃計算、作業調度、交通控制、空間地圖和接口等服務；應用層為綜合調度指揮人員、地圖編輯處理人員、監控應急接管人員和軟件技術支持人員提供具體應用服務。

云控調度平臺遵循可擴展原則和開放性原則，具備良好的兼容能力和升級迭代能力，滿足無人礦卡多編組作業要求[14-15]。

2.3 遠程應急接管系統

遠程應急接管是保障人員和車輛安全的重要措施。遠程應急接管系統獨立于礦卡自動駕駛系統，實現雙控雙駕、一鍵接管功能。系統具備主動接管和被動接管2種應急接管方式。主動接管是指當生產指揮中心調度員（遠程安全員）通過監控發現車輛異常時，通過一鍵接管按鈕主動接管車輛。被動接管是指當礦卡自動駕駛系統發現GPS信號丟失、傳感器故障等情況時，申請遠程接管，同時發出提醒，生產指揮中心調度員通過一鍵接管按鈕接管車輛。

2.4 無人運輸仿真系統

無人運輸仿真系統采用自上而下、整體與局部相結合的方式設計。按照1∶1的比例搭建真實礦區三維模型，通過采集實車數據搭建礦卡動力學模型，并對礦卡搭載的各類傳感器進行建模。無人運輸仿真系統由機群管理服務器、礦卡自動駕駛控制器、挖掘機協同作業控制器和虛擬仿真系統組成，如圖5所示。機群管理服務器運行機群軟件，提供作業管理、設備監測管理和地圖管理等服務；礦卡自動駕駛控制器用于運行無人礦卡作業管理系統，模擬自動駕駛功能；挖掘機協同作業控制器用于運行挖掘機作業管理系統，模擬挖掘機輔助系統功能。利用無人運輸仿真系統，既可進行單一礦卡無人駕駛功能測試，也可對礦區內所有礦卡的智能調度、作業管理進行系統性測試，從而加速露天礦山無人運輸技術方案的落地，并保障測試安全。

圖5 無人運輸仿真系統架構Fig. 5 Architecture of unmanned transportation simulation system

2.5 健康管理系統

健康管理系統獨立于自動駕駛系統外，周期性地獲取感知、定位等系統及整車的健康狀態，按照緊急程度進行安全事件分級和安全決策。健康管理系統功能主要包括車輛自檢、故障診斷、檢修結果上報、健康狀態評估、數據存儲與查詢等。健康管理系統可接入第三方提供的車輛健康相關數據或服務，并通過手持終端在檢修現場實時調取歷史故障、當前故障等信息。

2.6 協同作業管理系統

協同作業管理系統安裝部署在有人采掘設備、工程設備、輔助生產設備上，用于保證人車安全，協助無人礦卡作業。目前協同作業管理系統主要包括采掘設備輔助作業系統、工程設備輔助作業系統、輔助生產設備管理系統，各子系統均通過GNSS定位獲取設備位置信息，并通過傳輸層與云控中心通信，完成信息交互和協同作業。協同作業管理系統架構如圖6所示。

圖6 協同作業管理系統架構Fig. 6 Architecture of collaborative operation management system

開始無人駕駛作業前，云控調度平臺通過調度管理提前指派采煤設備到對應的裝載區進行采煤作業，指派工程設備到卸載區進行清理作業，方便協同無人礦卡順利進行裝卸載作業。采煤設備根據采掘設備輔助作業系統的指引，設置無人礦卡需停靠的位置，并發送給云控調度平臺，云控調度平臺在無人礦卡運行后下發給礦卡自動駕駛系統。

云控調度平臺綁定點檢系統與待檢的無人礦卡，指派點檢人員對車輛進行點檢，點檢成功后，無人礦卡開始發車。礦卡自動駕駛系統根據云控調度平臺下發的調度任務、全局路徑規劃控制無人礦卡行駛。在無人礦卡行駛過程中，車上安全員可使用點檢系統隨時記錄無人礦卡出現的問題。

無人礦卡行駛到裝載區時，礦卡自動駕駛系統與采掘設備輔助作業系統進行協同作業交互，實現無人礦卡的入場、裝載、出場。無人礦卡行駛到卸載區時，礦卡自動駕駛系統與云控調度平臺、工程設備輔助作業系統進行信息交互，完成無人礦卡的入場、卸載、出場。卸載完成后，云控調度平臺根據礦卡自動駕駛系統上報的卸載點情況，指派工程設備進行清理服務。

在車輛運行過程中，各系統通過V2V通信傳輸位置、速度信息，同時通過V2N將這些信息上傳到云控調度平臺，實現各系統車輛監控及碰撞預警。此外，云控調度平臺發現礦卡自動駕駛系統上報的油量過少、道路不平等信息時，可以通過輔助生產設備管理系統指派相關車輛進行加油、壓路等服務。

2.7 定位/通信系統

定位/通信系統實現車輛-道路-中心的實時通信連接。為解決煤礦生產作業區域的通信信號覆蓋問題，需要針對特征地形合理構建網絡，并快速跟進生產作業進度，保證不間斷生產。定位/通信系統應能支持V2N，V2V，V2I通信[16-17]。

（1） V2N 通信實現無人礦卡與云控調度平臺間的信息交互。無人礦卡從云控調度平臺實時接收調度任務和路徑、路權分配等信息，并向云控調度平臺發送自身位置、速度、狀態等信息。

（2） V2V 通信實現一定距離范圍內無人礦卡與無人礦卡、無人礦卡與輔助作業設備、無人礦卡與生產指揮輔助終端之間的直連通信。所有車端設備都主動向周邊設備廣播自身的位置、速度、狀態、障礙物等信息，為行車提供防碰撞提醒。

（3） V2I通信主要通過路側單元實現。路側單元包含感知設備、數據處理設備、監控設備、通信設備和移動電源。V2I通信為無人礦卡與云控調度平臺提供輔助感知信息，將監控區域視頻信息實時上傳云控調度平臺并發送給周圍其他車輛。在作業區域路口或車流量較大區域，應安裝路側單元，實現對交通流量、突發事件、交叉口信息、道路異物侵入等信息的識別。

3 結語

設計了礦區無人運輸系統總體框架，并給出了各子系統設計方案。礦區無人運輸系統主要包括礦卡自動駕駛系統、露天礦山無人運輸云控調度平臺、遠程應急接管系統、無人運輸仿真系統、健康管理系統、協同作業管理系統和定位/通信系統，實現了無人礦卡自動駕駛、無人礦卡與相關設備的協同作業及智能化調度管理等功能。未來需重點突破無人駕駛核心技術難點，進一步降低5G通信網絡建設成本，使得礦區無人運輸系統具有更高的運行效率和更好的適用性。