平朔东露天矿矿用卡车无人驾驶系统应用

武 懋

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）

2020 年2 月，国家发改委等8 部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[1]，明确提出“到2025 年露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输”。无人驾驶作为矿山智能化体系中重要组成部分[2]，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[3]。随着绿色矿山上升为国家战略，我国绿色矿山建设进入发展的快车道[4]，国内很多大型露天矿都在积极引入无人驾驶。平朔集团东露天矿作为国家煤炭工业“十一五”规划重点建设项目，目前是中煤集团的主力生产矿井，2020 年11 月成功入选国家首批智能化示范煤矿建设名单。按照中煤集团智能化矿山建设工作计划，结合生产实际，东露天矿在平朔集团前期无人驾驶的基础上，深入开展基于5G 网络的矿卡无人驾驶技术研究。

1 无人驾驶技术发展现状

无人驾驶矿用卡车较为知名的生产厂商有Caterpillar（卡特彼勒）、Komatsu（小松）、Hitachi（日立）等。目前许多采矿公司将自动化视为行业未来发展的关键技术。一个成功的自动化采矿运料系统可实现许多重要的目标，包括对安全的积极影响和生产率的提高等。卡特彼勒和小松都集中精力建造未来自动化系统的基础模块。在过去10 年间，卡特彼勒和小松十分重视关键核心技术和产品，称之为基础模块，并不断地推进了自动化进程[5-6]。

我国对于智慧矿山的研究和应用还处于起步阶段，随着近年来无人驾驶相关技术的快速发展，国内矿山机械的智能化研究也取得一些进展，但在矿山无人化生产、无人化运输等方面具体应用较少，同时在无人矿山建设方面尚未有统一的规范形成，针对智慧矿山及无人作业车辆设备的测试也无专用的测试场地；但是随着新一代5G 技术的应用及人工智能技术的发展，我国有望在智慧矿山的建设方面实现飞跃发展，另外相关政策的不断出台，也侧面反映了国家层面对智慧矿山建设的鼓励[7-8]。

因此，无论从技术层面还是政策层面，都极有必要建设一个基于真实露天矿山作业场景的测试基地，通过该测试基地来验证无人化运输系统在智慧矿山应用的可行性与适用性，一旦该测试基地建成，将产生深远的引领示范意义和巨大的商业价值。

2 平朔东露天矿矿用卡车无人驾驶系统建设

无人驾驶项目作为中煤平朔引入的重点科技专项项目，从2020 年起已经投入在矿用卡车无人驾驶领域。前期在中煤平朔安太堡露天煤矿4＃坑进行1台卡车无人驾驶试运行，经过近1 年的现场测试，系统整体运行稳定达到了预期目标。2022 年6 月在平朔东露天矿的无人驾驶完整台套测试与应用验证启动。平朔东露天矿是平朔集团最有潜力的煤矿，具备推广矿用卡车无人化的条件，所以选择东露天作为单台套无人矿卡的测试基地，开展基于真实作业场景的测试，符合矿山生产应用要求。

2.1 系统建设

根据应用需求，对7 台NTE200 矿卡进行线控化改造并开发无人驾驶系统，配合同步改造的轮式推土机、履带式推土机等协同辅助设备实现矿卡的全流程无人驾驶。

2.1.1 车辆无人化改造

已完成1 台电铲、7 台无人矿卡、13 台有人驾驶辅助作业设备的协同作业功能，改造内容包括对矿卡的线控系统和车载控制系统。线控系统为车辆的线控化改造，包括驾驶模式切换、驱动系统、发动机系统、举升系统等。采用双控双驾的改造方案，同时支持无人驾驶、远程驾驶及人工驾驶模式，线控系统设置优先级，保证不会对原车功能与性能造成任何影响。

车载控制系统主要是在车辆上加装车载主控制器、安全监控冗余单元和一系列传感器，可划分为车载控制器和车载传感器，其中核心设备为车载主控制器。安全冗余单元监测域控制器的工作状态。传感器包括激光雷达、毫米波雷达、惯性导航单元、V2X通信设备、摄像头、交换机等，主要实现车辆感知与定位数据的获取。

2.1.2 地面控制系统建设

无人驾驶地面控制系统包含无人运输智能作业管理与监控系统、远程应急接管系统及无人运输仿真系统。充分考虑无人驾驶运行安全性及稳定性，系统均采用本地化部署。其中无人运输智能作业管理与监控系统作为无人驾驶的核心系统，已经针对无人驾驶现场生产管理、工艺等现场需求完成了定制开发，具备良好的兼容性和可扩展性，结合东露天矿智能矿山建设需求完成了与调度中心管控一体化平台的数据对接，实现统一调度与统一指挥。

2.2 无人驾驶关键技术

2.2.1 高精度导航定位技术

针对露天矿山环境恶劣、单一定位方案响应度不高和信号易被遮挡的问题，研究采用惯导系统、GNSS－RTK 系统、激光雷达系统组成的高精度组合导航定位方案，以实现矿山机械定位的鲁棒性和准确性。

在GNSS 信号良好的运行环境中，方案主要采用差分组合导航和轮速计实现无人驾驶卡车实时位置和姿态解算。其中差分组合导航系统将双天线RTK 定位系统和惯性导航系统进行融合，该套融合定位方案，水平定位误差≤10 cm，高程定位误差≤20 cm，速度测量误差≤30 cm/s，方位角测量误差≤0.1°。

2.2.2 超视距融合感知技术

矿山路况复杂，存在道路边沿模糊、路面起伏、积水反光等问题，因此，需要通过多种传感器技术融合的方案实现感知系统的可靠性。此外，通过地面控制系统结合V2X 技术实现车与车、车与路之间的信息共享，达到超视距的协同能力。

V2X 通信模块兼容Mesh/4G/5G/C－V2X 等多种通信方式，可以实现矿卡－电铲、矿卡－推土机的V2V 通信、矿卡－路侧的V2I 通信、矿卡－管控中心的V2C 通信，该通信模块算法实现的方式与具体通信设备完全解耦，无任何硬件强依赖，可以实现对不同方式的兼容。V2X 通信模块架构图如图1。

图1 V2X 通信模块架构图

2.2.3 基于人机意图的协同决策与规划

采用预测学习和迁移学习的方法，建立人机共驾系统的决策模型，并基于大数据对模型进行训练和更新，从而将驾驶员的智慧引入到无人矿卡系统回路中，最终实现自动驾驶模式下的车辆协同决策。在全局路径规划方面，主要采用改进的混合A 星（Hybrid A＊）算法，依据实时采集的地图高精度地图信息，规划出1 条路径短、无碰撞的最优路径，即保证全局规划生成的路径最佳，最大程度上减少无人驾驶卡车的行驶距离，提升作业效率的同时降低车辆油耗。改进的Hybrid A＊算法是一种满足无人驾驶卡车车辆运动学的算法，该算法在路径点的计算过程中，通过车辆的最小转弯半径、车辆轴距、车辆转向轮转弯角度等参数建立车辆运动学方程，并通过车辆运动学方程及Hybrid A＊内部参数推导出下一个路径点可能出现的位置。

3 矿用卡车无人驾驶系统

1）与传统作业方式融合互补。无人驾驶启动运行要求对运行场地实现信息的高精地图采集，包括道路信息、高程信息及动态人车信息。

2）降低维修及燃油成本。无人驾驶技术可规避人工驾驶的操作习惯差异，通过控制车辆保持在最优的车速范围内，能够降低车辆轮胎消耗及燃油消耗，进一步降低生产成本。

3）提升车辆本质安全。矿用无人驾驶系统，利用车辆感知系统及V2X 技术实现超视距融合，确保有人驾驶车辆及无人驾驶车辆数据信息共享，在车辆安全距离小于设定范围即可发出预警消息，提醒驾驶员或车端控制系统及时避让或停车，保证车辆运行安全。

4）统一接入管控一体化平台优化管理。无人驾驶系统接入矿区已建设完成的管控一体化系统，统一调度和处理运输作业中出现的问题，保障生产作业的接续，提升矿区多平台数据集成度，为高效简洁化办公提供支撑，同时无人驾驶相关数据与原有调度系统集成，简化操作流程，减少相关操作岗位人员投入，提升整体生产管理和决策水平。

5）完成无人驾驶常态化多车编组运行测试。测试期间通过单车测试、编组测试方式逐渐实现安全员下车，已完成3 车编组及5 车编组常态化测试运行，排除部分场地原因，目前无人驾驶系统基本实现稳定流畅运行。目前正在开展调试人员下车试验，待相关现场条件具备后启动安全员下车常态化测试。已完成7 台矿卡的无人驾驶改造，编组测试工作正在有序进行中，预计到2023 年底将实现1260 平盘“采－运－排”全流程无人驾驶常态化运行，项目建成将对现场生产效率和作业成本以及经济效率方面将带来显著提升[9]。

4 结语

中煤平朔集团东露天矿区自卸卡车用于露天煤矿岩石和煤炭的运输，每天3 班24 h 连续运行，作业条件艰苦，工作环境恶劣。无人驾驶系统在东露天矿建成后将有利于降低人工工作强度，增强矿山生产安全，提高矿山企业生产效率，降低矿山生产成本，实现采运灵活配置，产能柔性调整，为创建智慧矿山提供支持。

智慧矿山是现代矿区发展的重要方向，机械自动化的矿区无法胜任全场景的智慧矿区任务。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。随着科学技术的进步，无人驾驶技术将更加与多种学科技术相互融合发展，相关技术人员也在不断研究和完善相应的技术，相信经过各方面人员的不断努力，无人驾驶的智慧矿山必将实现。