西湾露天煤矿110 t大型矿山卡车无人驾驶系统关键技术

白怡明

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

西湾露天煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区的中部，设计生产能力15.0 Mt/a，岩石剥离工程设备选用4台32 m3的单斗挖掘机，匹配18台额定载重110 t的自卸卡车。采煤工程选用1台斗容为49 m3的单斗挖掘机，匹配7台额定载重为110 t的自卸卡车。

近年来，随着国家对智能化矿山的迫切需求，利用人工智能技术及先进的感知装备来实现智能化矿山已成为国内煤矿行业智能化建设的发展方向[1-2]。神华集团西湾露天煤矿基于“少人则安，无人则安”的安全管理理念，以建设一个先进、高效、低成本、低环境污染，安全生产的智能化煤矿为目标，设计一套110 t大型矿山卡车无人驾驶系统。

目前矿用大型卡车是露天煤矿的主要运输手段，很多矿山每天24 h工作，工作环境包括噪音，灰尘，颠簸，高温，高湿，剧烈振动等对设备操作人员伤害极大的危害[3]。110 t大型矿山卡车无人驾驶系统是一套云、管、端的智能化整体系统解决方案，该系统是由智能感知系统、高精定位系统[4-5]、通讯网络联络平台与集群卡车调度控制系统结合起来的一套矿山运输无人驾驶系统[6]。无人驾驶系统将操作工人由原先的高强度，高危险的作业环境改在安全的调度指挥监控中心[7]，消除了行驶误差而引起的生产事故，减少了15%的运输成本，由于无人驾驶的使用，规范了驾驶方式，增加了矿用卡车轮胎，悬挂油缸等多种重要部件的使用寿命。实现在卡车集群调度指挥中心远程控制车辆的无人运输，行驶的目的[8]。

1 110 t大型矿山卡车无人驾驶系统

1.1 系统组成

矿山卡车无人驾驶系统包含智能感知系统、高精定位系统、通讯网络联络平台与集群卡车调度系统4大部分。其中智能感知系统、高精定位系统可以适配矿山多种车辆，可对其现有车辆进行改造升级实现。通讯网络联络平台与集群卡车调度系统是露天煤矿自动化调度系统的组成部分，通过优化卡车运输，有效降低总运输时间和设备衔接过程的等待时间，实现智能调整生产和安全生产。

1）智能感知与高精定位系统。矿山卡车无人驾驶系统是矿山智能化无人开采系统中的重要组成部分，该系统要求每一台矿山卡车都安装有主控制器、1个高精度GPS、1套激光及超声波雷达侦测系统和1个无线网络通讯系统，车辆智能感知与高精定位安装示意图如图1。

图1 车辆智能感知与高精定位安装示意图

2）通讯网络联络与集群卡车调度系统。利用地面4G或5G的高速及高带宽的无线环网，建立连接地面挖掘机、卡车、推土机等运输设备与矿山卡车集群调度监控中心的桥梁，建立语音实时通信系统，利用三维BIM技术，在调度监控中心内虚拟形成矿区场地的3D模型，实现在地面调度监控中心对卡车集中控制及远程调度管理。

1.2 系统原理

矿山卡车无人驾驶系统由一个装备了高精度GPS定位系统的集群调度指挥中心管理，为每辆车预先指定运输目的地，通过车载的多种传感器及智能感知系统来感应车辆周围的运行环境，以合适的速度，规划车辆的运行路径行驶至目的地，卡车由GPS定位、主控制器和其它智能感知系统来确定车辆在作业区内的准确坐标以及车辆周围的情况，使得卡车能在无人操作的情况下自动实现复杂的装载、运输和卸载等作业任务。由挖掘机或装载机的高精度GPS系统发出工作信号并传至卡车的主控制器，引导卡车行驶至最佳的工作位置，保证准确装卸载。同时为了避免与场区作业区内其它作业车辆，挖掘机、服务车和别的大型设备发生碰撞，无人驾驶系统配备一套障碍物侦测系统，用于帮助矿山卡车在无人行驶中如果发现行走路线上有其它车辆或人时，能有效的躲避它们。

矿山卡车无人驾驶系统实现了调度指挥人员远程控制大型矿山卡车运输工作，能深入更危险的地方载运矿石，减少工作意外，为煤矿稳定高效生产提供了坚实的技术支持和安全保障。

2 无人驾驶系统关键技术

2.1 智能感知

矿山卡车无人驾驶系统首先要实现卡车的自动运输与装卸载，当矿用自卸车启动后，矿用卡车可以预先自动驾驶至装载位，实现自动装料，完成后自动行驶，依据事情规划的路径驶出场区。110 t矿用无人驾驶卡车选用北方股份NTE150系列，该车辆配有一套智能环境感知系统，通过安装在车辆周围的激光雷达、毫米波雷达获取车辆周围的二维、三维距离信息，通过主控制器的计算机识别技术对距离信息进行多维感知，精准判断。通过高清摄像仪实时采集车辆周围的二维、三维图形信息，上传至主控制器，最终还可通过无线网络传输至指挥调度中心，使无人驾驶车辆通过多维度获得车辆周围的环境数据。多辆车间的主控制器具有车间通信联络功能，基于全矿井的无线网络覆盖技术，在多车辆共享道路，多车辆综合运输系统中集中统一管理，减少车辆行驶错误，提高安全保障。

2.2 智能避障技术

无人驾驶矿山卡车拥有先进的智能避障功能。在遇到周围障碍物后，卡车的主控制器根据智能感知系统判断障碍物的类型及大小，无论障碍物属于什么性质，主控制器都可以做出准确辨别，制定最佳的避障路径或减速停车等处理方式。可以说，智能避障系统是矿山无人驾驶安全行驶的必要前提。NTE150矿山车辆的智能避障系统可分为3个方面。

1）运动障碍物检测。运动障碍物检测是基于车辆周围安装的激光雷达和毫米波雷达来实现的，可以根据检测到不同障碍物在不同时刻的状态来分析障碍物的分布，将不同时刻智能感知系统读取的数据统一转换到一个坐标系中，分析障碍物的时间与空间属性，来识别是动态障碍还是静态障碍，提高了障碍识别效率。

2）运动障碍物碰撞轨迹预测。无人驾驶卡车感知系统需要识别和追踪多个运动目标，包括其他车辆与行人。基于主控制器感知系统CNN网络技术，通过在物体识别算法中增加噪音识别，来降低物体可能被遮挡或识别系统不稳定造成的物体短暂时间有识别或不识别的错误率。

3）运动障碍物避障。运动障碍物避障系统的本质是路径规划的过程，在路段上有未知障碍物的情况下，按照一定运行标准，寻找1条从起始状态到目标状态的无碰撞路径。无碰撞路径分为2大类，全局规划与局部规划。全局规划指利用已知全局环境参数，运输任务等环境变量，在已知障碍物的全局地图中遵循节能，高效运行的方式寻找最佳的的无障碍无碰撞路径，智能障碍物避障网络图如图2。

图2 智能障碍物避障网络图

2.3 机器人驾驶＋嵌入式线控系统

机器人驾驶系统由控制器，方向盘手臂及侧向踏板转向结构组成，可以在现有大型矿用卡车上升级改造完成，可以实现人机随时切换，帮助其实现自动驾驶，稳定性高。NTE150矿山车辆采用CAN－Bus的嵌入式线控系统，包括节气门线控，转向线控，制动线控和变速箱线控。矿山卡车具有自重大，刹车距离长等特点，嵌入式线控系统改造后可以通过机器人驾驶系统主控制器的控制算法，高效的执行无人自动驾驶的命令。以实现大型矿用卡车的车辆外部双重控制系统。

2.4 通讯网络联络系统

由于露天煤矿大型成套设备系统种类繁多，相互配合运转，设备的运行顺序、响应速度、正确性、稳定性等要求高。目前各设备厂家生产的产品接口方式及通信协议种类繁多，难以形成统一的通用平台协议标准，造成设备与设备之间信息孤岛，误动作等，基于工业以太网TCP/IP的融合技术，设计建设4G无线宽带通信平台，此平台基于TDD－LTE华为技术，具有远程调度、智能化视频监测、无线数据传输等功能，具备了后续扩展能力，可以平滑过渡到5G通信平台。系统具有以下特点：

1）系统兼容性好，具备语音调度、通话、对讲的能力，而且能够将现有自动化系统通过TCP／IP通信制式接入无线网络，能够处理目前露天煤矿多种系统和机电设备相互之间的通讯和操作问题。

2）工业以太网TCP／IP使用的是标准的以太网接口，能够支持目前国内多个厂家的现生产的设备，安装调试快速且方便，稳定性高。

3）露天矿具有作业范围广、大型移动设备较多、设备配置及生产过程复杂、自动化程度要求高、各环节衔接密切等突出特点，工业以太网TCP/IP能够支持大数据量的远距离传输，能够有效保证多种系统同时运行的可靠性。

2.5 集群卡车调度系统

集群卡车调度系统是矿山卡车无人驾驶系统中的一个重要应用，集群卡车调度系统是通过在调度指挥中心远程监控电挖掘机，电铲，矿用卡车等矿区内大型设备的实时定位，轨迹回放，进行合理集群分组调度，安全状态监测。保证挖掘机，电铲，矿用卡车的最佳生产率，合理规划矿卡路线，减少形式路程及无效的等待时间，统一调度其他辅助设备及物资。经实践数据表明，集群卡车调度能提升生产效率10%～15%，降低油耗5%～ 10%。调度系统具有以下功能：

1）实时跟踪监控矿区内各个设备的位置及作业状态，出线异常或事故及时报警。

2）实时监控统计各车队，设备的相关生产数据，自动生产报表，定期优化作业方案，提高作业效率。

3）不同的作业小队，通信互不干扰，各小队间通过调度指挥中心互通，保证各小队作业配合与及时衔接。

4）具有视频和语音的融合通信功能，能随时调取大型矿用设备周围的智能感知系统。

5）可以接入其他生产辅助监控监测系统，如边坡监测，移动变电站监测，疏干排水监控等系统，保障露天矿生产安全，提高生产效率。

3 无人驾驶系统优势

西湾露天煤矿矿山卡车无人驾驶系统处于全国行业先进水平，基本实现了矿山卡车自主装卸，自主寻迹驾驶，智能避障技术等，在安全性和后期经济性上具有无可替换的巨大优势。

1）生产时，大型设备无人跟机作业，从根本上解决司机的安全保障，实现“零”伤亡。

2）大幅减少人为操作失误和设备损失，节约油耗及电量5%～10%，节能环保水平明显提升。

3）大幅降低人工运维成本和燃料成本，并有效的避免了由于人为野蛮操作而造成的设备维修成本的增加，提高综合经济效益10%以上。

4）实现人机远程交互功能，工作环境变更室内调度指挥控制中心，增加了工人的幸福指数。

5）利用云平台大数据智能化管理，通过集群卡车调度系统，优化了挖掘机和车辆管理模式，提高了工作效率。

4 结语

概述了西湾露天煤矿的110 t大型矿山卡车无人驾驶系统，矿山卡车无人驾驶系统的应用给煤矿带来较高经济效益，降低了员工的劳动强度，大力推进了煤矿行业在我国智能化的进展。

现阶段大型矿山卡车无人驾驶系统在我国露天煤矿行业发展时间较短，仍有改进和发展的空间。仅目前实现的无人挖掘机装载、自动装卸、自动轨迹行驶、自主避障等还不能充分适应露天煤矿的特殊工作环境。我国露天煤矿矿山道路复杂并经常调整出入沟等矿山道路，存在较为复杂的车辆调配情况。长期运行下，无人驾驶系统的精确性，可能发生的其他潜在问题等有待加强提高；需要一套从感知、决策、控制到云平台的全套无人驾驶解决方案，并且加速推进无人驾驶在露天煤矿的应用，矿区无人驾驶的应用可以大幅提高矿区的安全生产工作，彻底解决矿区司机招聘困难、管理困难的问题，通过智能化平台大数据的支撑，提高矿山的综合运营效益。