露天矿山无人驾驶运输效率评估方法

李 博，栾博钰，何玉东

（1.华为技术有限公司，北京 100080；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.北京易控智驾科技有限公司，北京 100083）

露天矿山运输系统的主要工作是将生产设备中的矿石运输到储矿场、破碎站或选矿厂，将土方或岩石运往排土厂或破碎站的位置。

露天矿山运输系统中无人驾驶卡车运输在越来越多的露天矿山中开展常态化运营部署[1-2]。无人驾驶系统在完成这些动态工作任务的过程中，系统性能评估会涉及多种假设和评测参数，行业中目前关于无人驾驶系统的评估方式存在不统一的现象。在矿山业主进行有关无人驾驶运输系统生产作业规划，以及进行供应商性能评估比较过程中，可能会面对使用不同假设和评估方式的工作效率比较；如果各个生产企业使用不同的关键指标或评估方法进行比较，则无法横向进行行业对比。因此，统一的露天矿山无人驾驶生产运输效率评估方式尤为重要。

为了合理地开展具备行业普适性的性能评估方法，首先需要明确有人驾驶卡车生产关键指标，在此基础上进一步对无人驾驶卡车的关键评估指标和评测方法进行讨论。

1 传统有人驾驶卡车的生产作业关键指标

在露天矿山传统人工驾驶单斗-卡车工艺与间断工艺方面，其效率优化提升是行业中持续研究的课题[3-5]。其中传统人工生产效率优化的主要考虑在车铲配比，勺容配比等多种因素之间进行调整和适配，以此来达到挖掘机和卡车编组的在台班时间内的土方挖掘总量的最优性能。露天矿卡车调度系统中通常通过班次，及当天产量汇总统计每日生产情况。从此可以看出挖掘总量是评估传统有人驾驶生产作业的1 个关键因素。

同时，露天矿卡车调度系统能够对挖机和车辆运行时间的精准统计[6]，来进行卡车运行时间消耗结构的分析。露天矿生产作业流程中时间维度的关键性能指标（KPI）[7]，包括：日历时间（CT）、调度时间（ST）、可用时间（AT）、运营时间（OT）、工作时间（WT）、生产时间（PT）。通过以上不同作业流程中对于不同生产行为的定义，可以很好地统一对于生产中有效作业时间的理解。

从生产运营的统计的角度来看，工作时间（WT）可以综合地反映出设备处于正常工作状态时所占的时间长度，虽然其中包括非有效运营时间（NP），但是工程机械依然处于正常状态可以随时进行工作。因此，在时间维度的关键性能指标中，研究主要使用工作时间（WT）进行参考。露天矿山中时间分类模型如图1。

图1 露天矿山中时间分类模型

总结以上分析，传统有人驾驶的关键指标主要依赖2 个维度：①规定工作时间内的土方/矿石运输量（规定工作时间可以分为台班时间和日生产时间）；②设备的有效工作时间，来进行设备的生产效率进行评估。

因此在无人驾驶系统的运输效率的评估方面，需要采用与传统有人驾驶的关键指标进行相同维度的比较，来综合进行无人驾驶系统的效率分析。

2 无人驾驶运输效率评估关键指标和评估方法

随着露天矿山无人驾驶从试验验证向生产作业的普及，无人驾驶卡车运输系统在考虑系统安全体系设计[8]要求并保证安全生产的同时，必须服务于露天矿山正常生产作业要求，需要具备多车编组作业能力，常态化昼夜作业能力，以及稳定的长时间生产能力。

在以上常态化生产要求之下，无人驾驶系统的运输效率评估可以定义为一定数规模的无人驾驶车辆在测试周期内，在安全完成完整动态生产任务的前提下，与相同条件运行的传统人工驾驶车辆的关键指标（工作用时，工作量）比值。无人驾驶运输效率计算公式为：

式中：AoE 为无人驾驶系统运输效率；AoS 为无人驾驶系统单车关键指标；HDS 为有人驾驶系统单车关键指标；k 为测试车辆数量；n 为测试车辆总数。

2.1 测试车辆规模

考虑到露天矿山生产实际情况，参与测试的车辆数量需要与生产条件下单台挖机所匹配的卡车数量进行匹配。以单编组车辆数量作为最小评估单位，而无需进行单台无人驾驶矿车的生产效率评估。如果考虑更复杂场景，可以使用多编组车辆进行效率评估，但是其测试和评估复杂性将大大提高。因此在目前阶段，使用单编组车辆数量进行评估和测试是比较典型的场景。

2.2 测试周期

测试周期是指测试活动的时间长度，不同的测试周期会对生产效率评估的结果产生很大的影响。不同的测试周期分别反映了系统不同方面的能力，同时也对测试资源和时间提出不同的要求。

2.2.1 峰值工作效率（短周期测试）

短周期测试通常用于评估无人驾驶矿车系统的峰值工作能力，通常在5 个作业循环内，可以对工作流程中的所有分支流程进行耗时计算和统计。例如包括：车铲对位环节、运输环节、排土对位环节用时。用来比较和人工驾驶系统在灵活度和特定场景上的处理能力。

短周期测试可能会忽略一些可靠性和稳定性方面的潜在问题，因为测试时间太短，无法覆盖所有的测试场景。无人驾驶运峰值工作效率公式为：

式中：AoEP为无人驾驶系统峰值运输效率；AoS WT为无人驾驶系统总工作时间；HDSWT为有人驾驶系统总工作时间；xtime为车辆运输时间的总和；time为单车土方运输时间；k 为测试车辆序号；n 为测试车辆总数；l 为测试作业循环序号；m 为测试作业循环总数。

为提高露天矿山无人驾驶运输系统工作效率和优化动态调度性能，行业中提出了多种调度协同和调度优化方案[9-10]。通常峰值工作效率的测试，可以更好地适用于具体技术方案的快速优化和测试，同时可以分环节对不同场景的作业效率进行参考对比。

2.2.2 台班工作效率（中周期测试）

中周期测试为在1 个台班的指定调度时间内，无人驾驶系统所有车辆所完成的装载总量和运营时间与有人驾驶车辆的比较。

台班工作时间是露天矿山生产作业中比较典型的时间长度，可以为矿山业主提供比较典型的效率参考，可以验证生产作业流程中绝大部分工况场景的以及潜在的突发情况，但是无法覆盖所有的可能影响生产环节的场景，例如：爆破、新的采掘面的初始化工作。无人驾驶运中周期工作效率公式为：

式中：AoEA为无人驾驶系统中周期平均运输效率；AoSload为无人驾驶系统总挖掘量，m3；HDSload为有人驾驶系统总挖掘量，m3；load 为单车土方运输量，m3；xload为土方运输量的总和。

2.2.3 营运工作效率（长周期测试）

长周期测试的目的是尽可能地覆盖无人驾驶设备在其设计运行条件（ODC）下可能发生的所有生产作业全部场景带来的影响。

长周期测试通常考虑连续7～30 d 的连续调度作业时期，并将此阶段内的无人驾驶系统所完成的装载总量和运营时间与有人驾驶车辆的比较。根据矿山规模的不同以及场景复杂性程度，对于大型露天矿建议14～30 d 的测试周期，对于中型露天矿建议考虑10～21 d 的测试周期，对于小型露天矿山建议考虑7～14 d 的测试周期。无人驾驶运长周期工作效率公式为：

式中：AOEO为露天矿无人驾驶系统长周期平均运输效率。

长周期运营工作效率测试可以对系统进行更加全面的测试和验证，能够更好地反映无人驾驶系统的质量和稳定性。同时由于长周期运营中，无论无人驾驶系统和有人驾驶系统的测试总时间均为相同的日历时间（CT），工作时间的实际结果体现在最终的运输土方数量。营运工作效率的评估方式在台班工作效率的评估方法之上无需进一步考虑时间因素的影像，因此使用式（4）进行评估。

长周期测试更多的适用于生产过程中的运营效率评估，需要更多的时间和资源，在项目交付的过程中可能会延迟项目的验收时间。

2.3 运输效率测试条件要求

露天矿山无人驾驶运输效率的测试条件是影响测试结果的主要因素之一，尤其在中周期和长周期工作效率评估的过程中。有人驾驶与无人驾驶测试场景需要尽可能地保证使用一致的生产设备，辅助设备，和一致的生产环境因素，例如：装卸运距，卡车载重，挖机斗容，辅助设备条件，生产环境，以及相同的生产阶段和测试时间。

在短周期测试和中周期测试过程中，有人驾驶与无人驾驶测试应最好使用相同采-卸场地和同一运输路线进行测试，以便能够最大限度地降低作业环境对生产效率结果的影响，和更准确地反映实际运输效率的比较。

在长期测试的过程中，由于重用相同采-卸场地会造成测试时间的成倍增长，可以考虑使用具备类似的生产环境因素的场地进行测试，但其他测试因素需要保持一致。同时在测试结束后，需根据有人驾驶和无人驾驶测试场地的差异（装卸运距，卡车载重，挖机斗容）的影响，进行运输效率上的折算。

西北地区某露天煤矿人驾驶项目中，在2023 年5 月和10 月2 次无人驾驶项目验收中规定，无人驾驶系统需要支持多编组完成全流程矿用宽体车无人驾驶作业，在连续生产24 h 不间断作业的前提下，分2 次开展为期30 d 和为期7 d 的连续生产作业验收，通过营运工作效率（长周期测试）测试方法进行指标统计和验收。在验收中为了便于验收统计挖掘量（AoSload、HDSload）依据车型承载能力和车辆运行趟数进行统计，由于矿山无人驾驶系统中分别使用同力95 系列车型和同力65 系列车型进行多编组运行，其土方运输量需要根据车型承载能力分别进行计算。

通常在运输效率的测试期间，无人驾驶系统同时还需验证多个模块的功能验证（执行器测试、环境感知测试、车辆控制测试、系统测试）和故障统计以便更完善的开展系统验证[11]。

3 结语

为实现露天矿山无人驾驶系统的推广，需要行业形成统一和明确的露天矿山无人驾驶运输系统的运输效率评估方法。露天矿山无人驾驶系统首先需要在安全完成采掘、运输、排土各环节相互协同作业。在安全生产的前提下，开展无人驾驶运输系统效率的评估工作。

关于短期、中期、长期3 种测试周期可以分别反映出无人驾驶系统不同侧重情况下的表现情况。短期测试可以更好地体现最优生产运输效率，中期测试可以综合反映绝大部分场景下的生产运输效率，长期测试可以反映最贴近实际生产条件的生产运输效率。建议露天矿山无人驾驶生产企业可以在理想情况下，同时提供3 种测试周期下的生产效率结论，以便全面评估露天矿山无人驾驶性能。

根据矿山测试环境和验收时间因素，长周期（运营工作效率）测试条件下的生产运输效率在实际验收中具备更接近实际生产的验证效果和参考价值，不能同时提供3 种测试结果的情况下，此测试方法可以综合的反映最基本的无人驾驶系统和传统有人驾驶系统的生产运输比较情况。此外，应在无人驾驶运输效率的统计同时，同时开展功能和系统故障相关的统计工作。