哈尔乌素露天矿无人驾驶方案研究

武 讲 郑群飞

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054）

当前，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，以人工智能、机器人等技术为代表的第四次工业革命给中国煤炭工业带来了新的挑战与机遇。煤炭工业作为关系我国经济命脉和能源安全的重要基础产业，智能化是其发展的必由之路，采用智能化高新技术带动传统矿业的转型和升级，可从本质上提升矿企的核心竞争力，从而推动我国矿业向安全、绿色、集约、高效的目标发展［1-4］。

无人驾驶系统作为矿山智能化发展的一部分，是加快露天矿山转型升级，推动露天矿山无人、安全、智能和高质量发展的必经途径。从上世纪90年代开始，美国、加拿大、澳大利亚、日本等世界发达国家就已开始露天矿山无人驾驶研究。截止目前，国外矿山无人驾驶卡车运行数量已超过400台［5］。我国露天矿山无人驾驶研究起步较晚，近年来，随着国家、行业政策鼓励及企业发展要求，露天矿无人驾驶系统研究呈现井喷式发展，国内众多矿山企业、科研院所、科技公司及矿用卡车生产厂家纷纷进行露天矿无人驾驶系统研究。目前，国内露天矿无人驾驶系统研究仍处于测试及试运行阶段，与国外露天矿山相对成熟的无人驾驶技术依然存在较大差距，我国露天矿山无人驾驶系统发展任重道远。

哈尔乌素露天矿是我国自行设计、建设、运行的大型现代化露天煤矿，核定产能35 Mt/a，剥离量约150 Mm3/a。哈尔乌素露天矿为响应国家及国家能源集团智能化矿山建设要求，2018年11月进行了“矿用自卸车无人驾驶系统”项目公开招标。基于此，本研究以哈尔乌素露天矿现状为基础，从理论层面探讨哈尔乌素露天矿无人驾驶系统的框架方案，为无人驾驶系统顺利实施提供支撑。

1 哈尔乌素露天矿无人驾驶研究的必要性及意义

哈尔乌素露天矿位于内蒙古自治区准格尔旗，隶属于国家能源能集团，剥离采用单斗—卡车间断工艺，采煤采用单斗—卡车—半移动破碎站半连续工艺，现有各类矿用卡车84台（见表1），卡车平均运距约3 km。哈尔乌素露天矿现有卡车司机约250人，用工数量大，人工成本高，加之露天矿作业环境恶劣、人员老龄化、作业枯燥等因素，导致用工难问题越来越突出。此外，由于露天矿卡车设备盲区大等原因，露天矿卡车运输事故安全隐患大，据统计，我国露天矿卡车运输事故约占露天矿总事故的70%以上［6］。目前，国家及煤炭行业对智能化矿山发展的重视度逐渐提高，露天矿“无人则安”生产观念越来越受到矿山企业重视［7-8］，因此，哈尔乌素露天矿开展无人驾驶系统研究是必然的。

露天矿无人驾驶通过感知周围环境，控制车辆的速度和转向，保证车辆安全、可靠行驶。露天矿相对封闭的作业环境及其特有的实时、动态性，为无人驾驶系统的应用提供了良好平台。哈尔乌素露天矿无人驾驶系统的研究及实施应用将具有以下优点：

（1）无人驾驶将减少现场作业人员数量，节省人工成本，提升安全水平。

（2）无人驾驶的应用，可实现作业区域内车辆的集群调度，有效提高车辆的利用率和作业效率。

（3）无人驾驶技术可规范车辆的操作运行，达到降低油耗、降低轮胎等损耗的目的。

（4）无人驾驶系统与先进、智能的生产设备结合，可实现生产过程的全面监测和集中控制。

（5）将露天矿管理系统和无人驾驶系统有机融合，可优化业务管理流程，提高人员工作效率，提升露天矿整体生产管理和决策水平。

（6）利用无人驾驶系统中的数据分析和决策平台构建各类分析模型，从而优化生产过程，提高资源利用率，实现节能减排、绿色开采。

2 哈尔乌素露天矿无人驾驶方案研究

哈尔乌素露天矿无人驾驶系统充分利用矿山已有调度、通讯和管理等系统，对原有设备进行升级改造，并结合无人驾驶需求，增加相关智能化软硬件。目前有关无人驾驶系统的架构分级较多［9-10］，针对露天矿运输作业环节而言，按照控制程序分级可将无人驾驶功能结构分为：环境感知、决策规划、车辆控制、信息监管四个层级。根据哈尔乌素露天矿设备特点及生产实际，哈尔乌素露天矿运输作业环节无人驾驶主要建设内容有：①设备无人化改造；②无人驾驶作业区域5G通讯系统；③高精三维地图及卫星定位系统建设；④综合管控平台；⑤作业区域内设备、标识及定位加装。哈尔乌素露天矿运输环节无人驾驶系统框架见图1。

2.1 哈尔乌素露天矿无人驾驶建设内容

（1）设备无人化改造。为充分利用现有设备资源，减少无人驾驶投资，对哈尔乌素露天矿现有运输卡车进行无人化改造，升级露天矿运输调度系统，以适应无人驾驶技术应用。设备无人化改造见图2所示，改造系统见表2所示。

（2）无人驾驶作业区域5G通讯系统。利用在矿区构建的5G通信基站组成的区域网络通信系统，将无人矿车、矿山道路和系统云智能调度平台联结起来，实现车辆—道路—中心的实时通信连接。5G通信系统建成后能够解决露天矿山生产作业区域的通信信号覆盖问题，针对特征地形，合理构建网络，解决信号盲区。

（3）高精三维地图及卫星定位系统建设。由于露天矿具有采掘点变化频繁、变化区域多而杂的特点，为适应各种设备的无人驾驶正常作业，需要高精度的三维地图，且需要对三维高精地图进行实时更新，以保证矿山的安全生产。在哈尔乌素露天矿采用无人机对矿区道路进行飞行扫描，生成点云数据，通过技术处理生成高精三维地图，同时配套移动式车载扫描系统，对正在工作的区域进行不间断扫描，以实时了解作业变化，优化无人驾驶卡车决策，规划最佳行驶路线。

（4）综合管控平台。综合管控平台是无人驾驶系统的管理调度中心，主要包括：智能管理系统、智能生产管控系统和智能辅助系统，其中智能生产管控系统是核心。系统通过V2X车联网连接无人卡车、挖机、推土机及其他设备，组成一体化的自动控制解决方案，按照任务需求对系统内的车队、设备、人员进行管理与调度，从而实现矿山作业的智能化，提高作业安全和生产效率。

（5）作业区域内设备、标识及定位加装。为确保哈尔乌素露天矿无人驾驶系统能够实时感知周边设备及运输路况信息，充分利用原有毫米波雷达自动刹车系统，适当增加辅助车辆定位系统。同时，在道路交通标识标牌上加装定位器，实时反馈车辆位置，保障车辆位置信息的及时性和准确性，确保无人驾驶卡车运输路线合理、运输过程安全。

2.2 哈尔乌素露天矿无人驾驶技术方案

（1）线控改造。哈尔乌素露天矿矿用卡车均有CAN线接口，车辆线控化改造过程中，与设备厂家进行协调，获得CAN线接入许可，再利用工控机通过CAN线接口与底层控制器进行信息交互，底层控制器通过IO/CAN与底层执行器（驱动系统、制动阀等）进行交互，进而实现整车的线控，底盘及线控子系统见图3。

（2）超视距融合感知。如图4所示，哈尔乌素露天矿运输道路环境复杂，为保证无人运输卡车运行过程中的安全，需要对运行设备安装激光雷达等传感设备［11］，以探测道路实时状况。哈尔乌素露天矿矿用卡车无人化改造时，利用机群+V2X+传感器融合技术，在车辆前部及尾部关键部位安装传感设备，实现矿区内障碍物检测，保证卡车实时检测出不同障碍物，实现动、静态障碍物检测与目标识别与跟踪、路沿检测、防碰撞预警等功能。同时通过机群系统及V2X技术实现多车之间的感知信息共享，达到超视距的感知能力。

（3）机群+单车协同决策。结合哈尔乌素露天矿矿用卡车调度系统及新建5G通讯网络和综合管控平台，建立基于人机意图的协同决策系统，利用机群系统对所有车辆行驶轨迹进行实时监控预测，对可能出现的情况设定特定决策。主要包含以下几点：障碍物决策、会车处理、停车操作、十字路口、基于大数据的道路平整度自动检测与处理、故障问题决策。

（4）路径及速度规划。如图5所示，哈尔乌素露天矿无人驾驶系统中配备高精度三维地图及定位系统，无人驾驶卡车路径规划过程中根据配备的矿区高精度三维地图及当前车辆位置和指定的终点位置进行全局行驶路径规划［12］。根据参考路径的曲率、允许的侧向加速度极限值、道路坡度、行驶偏差、道路限速要求等，对全局道路进行初始速度规划。管控系统依靠线控底盘和控制软件算法进行全面自动化控制，即使在弯道也具有极佳的轨迹控制能力。

（5）辅助设备及设施。如图6所示，哈尔乌素露天矿无人驾驶运输环节涉及到物料的采掘与排弃，因此需要挖掘设备及推土设备的配合。通过在哈尔乌素露天矿现有挖掘和推土设备上安装自动定位系统和感知系统，确定物料作业位置，卡车无人驾驶系统根据信息反馈结果，完成物料的装载、运输和排弃循环过程。无人驾驶卡车在整个运输过程中实时接收矿山道路标识标牌上的GPS定位信息，确保运输过程中安全、稳定。

（6）机群管理调度。如图7所示，为实现哈尔乌素露天矿矿用卡车无人驾驶过程中的智能管理与调度，应充分利用哈尔乌素露天矿现有卡车调度系统，建立智能机群管理调度系统。建成后的机群管理调度系统通过V2X车联网通信控制协议连接无人卡车、智能操作终端、管控中心以及其他设备，共同组成一体化的自动控制解决方案。主要包含以下内容：①起始点，系统对卡车车辆进行状态检查，完成检查可派发任务；②协同装载，机群系统根据当前任务情况对车辆进行指挥调度，协调卡车与掘机完成协同装载，并按序驶离装载区；③自动驾驶运输，卡车根据机群下发的排土点及全局路径规划完成自动驾驶行驶到排土场，过程中可实现主动避障遥控驾驶；④协同卸载，卡车行驶到卸载区，按照机群指令依次完成卸载任务，并驶向下一次任务点或者返回停车场；⑤终点，到达终点后对车辆进行再次的状态确认及检查并记录在数据库中，等待下一次任务。

3 预估投资及效益分析

3.1 投资估算

露天矿无人驾驶技术研究涉及到多个行业和专业，目前，国内有关无人驾驶研究滞后于国外，现阶段我国露天煤矿在无人驾驶技术方面仍处于探索、试验阶段，暂未出现成功应用实例。结合现阶段我国露天煤矿无人驾驶技术研究实际和哈尔乌素露天煤矿生产状况，对哈尔乌素露天煤矿进行一台套设备无人化改造试验，并对其进行投资及效益估算。哈尔乌素露天矿无人驾驶系统投资估算基础是改造4台930E卡车和1台电铲，估算总投资为设计范围内系统从筹建到竣工时全部土建工程、设备购置及安装工程、工程建设其他费用投资。具体结果见表3。

3.2 预测效益及实施效果分析

根据澳大利亚所罗门铁矿运营的无人驾驶卡车效率实际情况，该铁矿无人驾驶卡车为60辆，有人驾驶卡车12辆，无人驾驶卡车每天作业为23.5 h，0.5 h用于点检及加油，与有人驾驶卡车相比，无人驾驶卡车每天多作业2～3 h，年作业时间近7 000 h，可提高生产效率15%～20%［5］。结合我国露天矿发展现状及哈尔乌素露天矿实际开采情况，按照无人卡车系统建设运行生产效率提高约10%核算，哈尔乌素露天矿无人驾驶技术每年带来的经济效益将超过百万元。此外，哈尔乌素露天矿无人驾驶技术实施后可产生以下影响：

（1）无人驾驶系统的应用可准确获取矿山实时三维动态信息、道路信息、设备信息等，数据的准确性和实时性可使哈尔乌素露天矿合理按照实际情况调整矿山开采进度及排弃计划。

（2）采用无人驾驶进行采剥作业后，卡车在运行过程中，采用最优的控制操作策略，使发动机的运行效率更高，驾驶操作方式逐步优化，从而有效降低燃油及轮胎消耗。

（3）节省人力成本。无人驾驶系统替代有人驾驶，减少矿坑人员数量，节省驾驶员人工成本及人员管理成本。

（4）提高运输环节的安全性。矿用无人驾驶系统，通过车辆传感设备，采集外界环境数据，消除车辆盲区、及时避让道路障碍，使车辆在运输过程更安全。

（5）降低道路及排土场挡墙高度。无人驾驶的精准定位及停车控制，可使车辆准确地停在指定位置，因此挡墙高度及宽度可适当降低，减少修筑道路及排土场挡墙的工作量，降低维护成本。

4 结论

（1）露天矿是一个复杂的大系统，智能化露天矿建设是大系统各组成环节全面升级转型的过程，无人驾驶作为智能化露天矿建设的一部分，是未来发展的必然趋势，也是露天矿提质增效的重要研究方向。

（2）露天矿无人驾驶系统改造是智能化发展的重要部分，涉及到多学科交叉、多系统融合，研究过程中从理论角度对哈尔乌素露天矿无人驾驶系统框架及方案进行研究，为无人驾驶系统后续研究及实施应用奠定基础。

（3）以改造哈尔乌素露天矿4台930E卡车和1台电铲为基础，进行无人驾驶系统投资估算，需要投资约2 419万元。按照矿山整个无人卡车系统建设运行生产效率提高约10%，生产成本下降约20%估算，哈尔乌素露天矿无人驾驶技术每年带来的经济效益将超过百万元。