矿用卡车无人驾驶系统实现方式及效益优势分析

孙庆山，张 磊，庞东君，高德旭，杨 丹

（北京易控智驾科技有限公司，北京 100083）

在露天矿生产中，矿方对无人驾驶车辆的需求也在不断增长。随着计算机技术、通讯技术、定位技术、导航技术、传感技术、车辆控制技术的日益成熟，为矿用无人驾驶卡车应用提供了一个全新的发展机遇，用户的需求推动了矿用卡车的研究开发，矿用卡车制造商们对矿用无人驾卡车的前景看好，全球各大主要矿用车制造商均在无人驾驶领域的研究及应用上都取得了较大的进展。

1 矿用无人驾驶技术发展现状

矿用无人驾驶卡车的研究早在20 世纪70 年代就开始。1994 年，Cat 公司2 台无人驾驶矿卡在美国投入使用。1995 年，小松公司1 台载重77 t 的矿卡在日本的一个采石场进行无人驾驶采矿试验。目前，5 大全球矿用车供应商都在进行无人驾驶矿用车的应用与研究。小松的自动运输系统已经澳大利亚和智利运行多年，现已有180 多台930E 实现了无人驾驶，累计运输物料超过20 亿t；卡特彼勒也有超过150 多台矿用无人驾驶卡车在帮助近10 家矿业公司运输铁矿石、铜和油砂等，为客户安全移送物料已超过10 亿t（数据来源：卡特彼勒中国微信公众号）；日立、利勃海尔和别拉斯的无人驾驶技术也正在试验中；小松最近宣布将在巴西卡拉加斯矿山增加37 台930E 无人驾驶矿车。国内三一、徐工、同力重工、易控智驾、慧拓智能、踏歌智行等单位的矿用无人驾驶卡车研究都进入了试验测试阶段，截止2019年12 月份，易控智驾无人驾驶运输土方量已经超过4 万m3，无人驾驶行驶总里程也已经达到7 500 km。

2 无人驾驶总体技术构架

露天矿矿用卡车无人驾驶系统总体技术构架分为3 个层次：①云计算及服务层；②通讯及边缘计算；③车载计算与行动。无人驾驶总体技术构架图如图1。

图1 无人驾驶总体技术构架图

基于LTE－V 的车载单元OBU，具备V2V（车和车）、V2I（车和基础设施）和V2N（车和平台）通信对话功能，V2X 设备可以实现200 m 范围的感知。未来可升级成5G 的V2X，并增加路测单元RSU。车端无人驾驶系统主要是感知、定位（融合定位）、决策规划、运动控制和车辆电器控制（货箱举升、车灯）等几个主要方面。

1）感知方面。基于激光雷达、毫米波雷达、摄像头（辅助）、V2V 的融合感知，实现对障碍物、挡墙、路面和落石等的识别，以及动态障碍物轨迹预测等。

2）决策规划方面。依据全局路径和地图信息对车辆行为进行规划（前进、倒退、停车、绕障、卸载、路口通行、避让车辆等），基于实时感知的环境信息进行实时运行轨迹的规划。

3）运动控制方面。主要是控制车辆的转向系统、制动系统、发动机、变速箱、手刹等与车辆6 自由度运动有关的线控执行器。

4）算法方面。主要算法分为云端平台和车端无人驾驶系统两部分。云端平台主要是增量地图更新、全局路径规划、车流规划、任务调度、装载位/卸载位自动生成等。

3 无人驾驶系统各主要技术环节实现方式

3.1 采 装

采装时，由于采装设备位置不固定，在采装设备上安装具有高精度定位功能的辅助交互系统，辅助交互系统通过4G/5G 与平台互联。采装设备司机依据设备位置、姿态信息和平台下发的作业边界信息，在系统的辅助下，手动确定装载位置，平台依据装载位置和可行驶区域，规划车辆装载路径。车辆在装载过程中，会实时感知周边的三维信息，以平台规划的路径为引导，并进行局部实时规划，最终停在适合装载的最佳位置。

3.2 运 输

运输环节实现方式：①每辆车的运输路径，平台都会基于地图信息、装载位置和卸载位置等信息进行全局规划，每辆车按照全局规划的调度路径行驶；②每辆车的无人驾驶系统会实时感知周边100 m 范围内的三维环境信息，包括挡墙、地面落石、车辆、行人等，当出现障碍物时，无人驾驶系统会根据障碍物类型和状态，选择停车避障或绕障；③所有车辆间的信息交互有2 种模式，车与车直接交互或通过平台间接交互。

3.3 排 卸

车辆排土时，按照平台预设的排土位进行倒车入位，过程中会实时感知挡墙边界，控制车辆后轮贴到挡墙后停车、挂空挡、拉手刹，判断车辆姿态是否适合举升，如果满足举升条件则开始排土操作、控制货箱举升，举升过程中也会实时检测车辆姿态，当出现失稳状态时，立刻停止举升并降斗。如果举升过程中没有异常发生，货箱举止最大角度后保持一定时间，然后车辆向前行驶一段距离后，停车降斗，货箱将至最低位后，车辆完成排土操作，按照平台规划路径继续行驶。

3.4 驾驶模式的切换方式

1）正常状态下，车辆完全是无人驾驶模式运行。

2）平台上会实时监控车辆运行状态（车辆运行数据、实时视频）。由无人驾驶切换到远程遥控驾驶模式，有2 个主要决策机制：①当平台检测到车辆无法进行无人驾驶时（无人驾驶无法处理的异常状态或车辆进入限定遥控驾驶区域），平台自动提示调度人员，某辆车需要平台调度人员接管，进入远程遥控驾驶模式，完成当前运输任务；②平台调度人员实时监控车辆运行数据，当调度人员判断车辆需要人工远程接管时，由调度人员手动切换进入远程遥控驾驶模式。

3）人机共驾模式。主要是目前需要安全员的情况下，安全员在无人驾驶运行过程中，人工转动方向盘、脚踩刹车踏板、脚踩油门踏板（执行3 种任意1种操作）后，车辆由无人驾驶模式进入人工驾驶模式。如要再次需要进入无人驾驶模式，让车辆停车后重新激活无人驾驶模式即可。

3.5 监控与预警机制

车辆动力系统（发动机、变速箱等）、底盘（制动系统、转向系统等）、车身（灯光、车门、货箱角度）等部件的状态信息、故障信息获取后，所有信息会上传到平台，无人驾驶系统会对车辆执行器的状态进行监控和分析诊断，发现出现故障时，无人驾驶系统会进入安全模式，确保车辆安全停车，平台通知维修人员进行现场检修。

3.6 加油机制

无人驾驶系统实时监控油箱中实际油料位置，当检测油位到达加油界限时，总控平台会调度车辆按照平台规划的加油路径去指定地点加油或指派加油车到车辆停车合适的位置加油。

3.7 车辆超装和欠装及偏装等情况处理机制

目前，车辆装车的信息主要有挖机司机手工录入，上传平台。车辆会根据自身运行状态对装车重量进行预估，但准确度有限。货箱装偏时，会对车辆的运行姿态造成影响，无人驾驶系统实时监测车辆姿态，并基于实时识别的路况信息对姿态进行预测，当车辆运行姿态不稳时，会进行降速运行或停车进入安全模式。未来会将车辆轮胎换成子午线真空胎，每条轮胎增加压力和温度传感器，通过轮胎信息进行装载重量以及装载位置的判断。

3.8 多模式定位

目前商用领域所有的卫星接收系统都是多模式的，即中国的北斗（BD）、美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）等系统卫星信息都是同步接收。定位卫星必须多颗以上才能保证准确的位姿解算，同一区域里，单一系统的定位卫星覆盖数有限，所以行业内都是多模式兼容，既能看见多少颗卫星的信息就用多少颗卫星的信息解算。国内北斗芯片也基本都是多模式的。

4 矿用无人驾驶车辆的效益优势

1）智能卡车调度。传统的车辆优化调度系统，是根据车辆行驶路径、车辆在该路径上的运行时间，采装设备的匹配状况、所装物料与排卸的关系、计划采装工作量、排卸点计划、煤质搭配、岩石品位等多因素进行线性和动态规划，使产能最大化、成本最少为优化调度的目标，但从目前国内已安装使用的卡车调度系统来看，真正实现优化调度目标的露天矿几乎没有，其主要原因是：①司机终端操作不规范；②有人驾驶的车辆不一定按系统规划的行车路径运行（由于路况、气候的影响及人为因素）；③不按系统所预估的车辆运行速度行驶；④运输设备和装载设备等的故障情况提交给系统不及时；⑤统计分析的装车时间、卸车时间以及在路径上运行的时间误差较大；⑥现场调度干预临时调车；⑦传统的卡车调度系统因考虑成本因素，定位模块一般采用米级定位精度，又没有惯性导航部件，造成平面及高程的误差较大。无人驾驶系统与传统的卡车调度相比，它能准确的获取实时更新的三维地图信息、运输道路网络信息、设备速度位置信息、装载信息、卸载信息、设备故障信息、卡车的空重信息、辅助设备信息等，数据的准确性和实时性使得智能调度具备成为现实的基础。优化调度会使设备效率提高20%左右，这是个极其可观的效率。

2）有效降低燃油消耗。车辆油耗是矿山生产运营进行成本核算的重要指标，采用无人驾驶进行采剥作业的矿山，卡车在运行过程中，采用的是最优化的控制操作策略，从而使发动机的运行效率更高，这样有效降低了燃油消耗、节省了燃油费用、减少了发动机的碳排放量，有效地降低了燃气排放对矿区空气的污染。同时无人驾驶车辆能够有效地分析车辆在行驶过程中提升高度、路况、道路坡度、空重车等相关因素，通过大数据分析，形成油耗曲线，为生产设计提供依据，为生产决策提供更加真实的支持。

3）有效降低轮胎消耗。矿用无人驾驶系统采用最优的操作及驾驶策略，可有效降低轮胎损耗。无人驾驶使卡车的空重运里程更为准确，设备的爬坡高度更为精切，车辆何时更换轮胎，更加科学，系统根据轮胎磨损等情况，分派车辆去适合该轮胎路况道路上运行，从而提升轮胎的使用寿命，到达节省成本提高效率的目的。同时可为道路维护提供数据支持，道路维护到什么程度，维护成本与轮胎消耗综合成本指标最低。

4）节省人力成本。①无人驾驶系统替代驾驶员，可节省驾驶员人工成本及人员管理成本；②生产单位一般都要配备满足生产要求的后勤及管理人员，以保障生产，司机的减少可有效的减少后勤保障人员及管理人的数量，节省后勤人员及管理成本。

5）提高运输环节的安全性。①由于人的视觉及听觉感知有盲区，看不到或听到造成的车辆事故也频发，矿用无人驾驶系统，通过车辆传感设备，采集外界环境数据，经车端和平台处理后，发给车辆安全管理和控制模块，它消除了盲区感知，使车辆在生产过程更安全；②矿用无人驾驶系统投入运营，避免了由于司机疲劳驾驶、操作失误等导致的车辆事故。

6）优化开采工艺参数。①无人驾驶车辆严格按照行车路径行驶，在同一平盘上空重车会车间距可大大缩小；②露天煤矿工程施工及验收规范GB 50175—93 规定，沿工作台阶坡顶线、运输平台和道路转弯处应修筑安全墙，其高度分别不得小于汽车车轮直径的1/2、2/3 和车轮直径，露天矿安全挡墙主要目是防止上部台阶的车辆因司机疲劳驾驶冲下下部台阶，而无人驾驶不存在疲劳驾驶问题，所以取消安全墙或减少安全墙的高度、宽度是无人驾驶真正运营后，研究探讨的问题。综合这2 个原因无人驾驶可使工作平盘宽度缩小，有效地降低二次采剥工作量，减少维护路面面积，在满足边坡稳定的前提下可增加工作帮坡角，减少露天矿生产剥采比，提高露天矿经济效益。

7）降低排土挡墙高度。露天煤矿工程施工及验收规范GB 50175—93 规定，当排土台阶达到一定高度，危及汽车作业安全时，推土机必须按排土作业要求堆筑安全墙后，卡车方可作业，安全墙高度不得小于卡车车轮直径的1/2。无人驾驶的精准定位及停车控制，可使车辆准确的停在调度目标给定的停车位置，排土安全墙已变的无意义，所以取消安全墙或减少安全墙的宽度，减少推土机修筑排土场的工作量，降低排土场维护成本，是无人驾驶的又一优势。

5 结语

无人驾驶卡车在节省人力成本的同时，也提高了矿山车辆及人员的安全性和生产效率，它有机的与矿山调度管理、设备管理、资产管理和监控诊断等方面结合一起，成为数字化矿山的一个重要组成部分，为生产组织与决策提供依据。截至2018 年底，我国共有露天煤矿450 处，产能9.5 亿t，占总产能25%，每年的剥采总量大约在100 亿t 的规模，在未来这个数据还会增长。矿山无人驾驶市场巨大，具有广泛的应用前景。