露天礦卡車無人駕駛技術的現狀與展望

王富民，賀昌斌

（中煤平朔集團有限公司 技術中心，山西 朔州 036006）

國外從20 世紀70 年代開始研究礦用卡車無人駕駛技術，在全球技術比較領先的是美國的卡特彼勒（CAT）和日本的小松（KOMATSU）。目前，卡特彼勒的礦山之星系統應用在澳大利亞、南北美等地礦山的170 多輛無人駕駛卡車上，小松公司的自動運輸系統（AHS）在澳大利亞、南美、北美的6 座礦山（包括銅、鐵和油砂）應用[1]，無人駕駛卡車總數有100 多臺。我國的礦用卡車無人駕駛技術雖然起步較晚，但在國家政策的大力支持下，近年來發展突飛猛進。尤其是《關于加快煤礦智能化發展指導意見》提出露天煤礦要在2025 年實現智能連續作業和無人化運輸的目標更為無人駕駛卡車技術的研發提供了動力。大型采礦企業如神華集團，礦用車生產企業如北方股份、中國中車，數字礦山裝備企業如東方測控、迪邁科技，智能駕駛創業公司如踏歌智行、西井科技、慧拓智能等，均開展了礦用卡車無人駕駛研究和測試，對無人化技術在露天礦山的先進性、可靠性和適用性進行深入研究。

1 礦用卡車無人駕駛技術的重要性

單斗-卡車工藝露天礦運輸作業具有計劃性、組織性和封閉性特征，且作業環境相對較差，引入無人駕駛技術，有3 大優勢：①特定區域，無交通障礙；②固定路線、相對低速，無技術障礙；③無司機，有經濟效益和安全保障。目前露天礦運輸作業主要由人員、設備和場所的“人機環”3 個要素構成，作業設備的操作和作業場所的環境判斷都需要作業人員完成，而人這一關鍵因素是不可控的，容易受路況、車況、氣候等客觀環境或工作生活中的事件所影響，產生情緒上的波動，影響工作狀態，引發安全事故。采用無人駕駛技術實現“無人”能夠很好地解決這一難題，在最大限度降低人員的參與、避免和減少對駕駛人員健康[2]、安全的危害的同時，降低人工成本，具有良好的經濟社會效益。

1）安保型安全。傳統的礦用卡車運輸作業需要人來操作。人在經過長時間工作后總會累，需要休息，而且人不可能任何時候精力都百分之百集中，而精力不集中就可能產生誤操作導致發生事故，出于“以人為本”的理念，需要可以一直保持精準運轉的智能系統來代替人工操作。

2）降低成本。節約人工成本是無人駕駛技術直接經濟價值的體現。近年來，大型露天礦由于作業環境較差、工作艱苦枯燥，在招聘礦用卡車駕駛人員方面常常面臨招聘培訓周期長的困境。據統計，國內礦用卡車駕駛員平均工資1 萬元/月，年成本15 萬元，臺車成本60 萬元。經測算，如能實現卡車無人駕駛，凈節省費用可達到人工成本的20%。

3）提高設備效率。傳統的有人駕駛無法滿足車輛24 h 運輸。通過對國內外應用無人駕駛技術的礦山企業卡車運輸數據進行統計分析，表明無人駕駛卡車年工作時間較人工駕駛增加800 h 左右，總時長達到7 000 h，生產效率提升了30%，車輛的燃油費用和維護成本[3]都降低10%左右。一系列數據均體現了無人駕駛技術能提升礦用卡車的生產效率。

4）優化管理。無人駕駛系統與先進、智能的生產設備結合，可建設智能一體化集中監控平臺和生產管控系統，實時處理運輸作業中出現的問題，保障生產作業的接續。一方面能通過數據分析和決策控制，優化采裝、運輸等生產過程，提高資源利用率，實現綠色開采；另一方面能減少相關崗位人員投入，優化業務管理流程，并且可以不受礦用卡車駕駛員因素制約，根據市場需求靈活調整產能，進而提升整體生產管理和決策水平。

2 礦用卡車無人駕駛技術

2.1 系統構成

1）地面控制系統是整個卡車無人駕駛技術系統的神經中樞。主要需要對收集到的環境、車況、作業等多方面信息進行綜合分析，實時掌握車輛自身和運行狀況，對車輛進行精準調度，實現多臺卡車（車隊）在同一作業區域按照生產作業計劃有序進行運輸和裝卸作業[4]。

2）智能駕駛系統是實現無人駕駛的基礎。通過自身的控制系統，綜合接收到地面控制系統的各種信息數據，完成對車輛的操縱，特別是裝載作業中的轉角度、車速、裝載量等作業。

3）信息傳輸系統是一個橋梁。在露天礦山作業區域內將產生大量的信息數據，比如說車輛自身的油耗量、水量等，每個車輛的位置信息、相互間距離、駕駛方向等等，這些信息有直接可以使用的信息，有需要分析計算的信息，這些信息是保證系統正常運行的必要條件。

2.2 原理和技術難點

露天礦卡車無人駕駛技術是信息傳輸、車輛控制、路線規劃、環境感知[5]等多項技術的集成。主要原理是在礦用卡車上安裝傳感器和GPS 定位裝置，為總控室實時提供卡車運行環境和位置信息，進而總控室通過發送無線指令使卡車按照既定方向和路線運輸，在固定地點完成裝卸作業。

在露天礦山應用卡車無人駕駛技術，要攻克的技術難點主要有通信技術、差分定位技術、路徑規劃算法、環境監測技術、車輛控制技術等。

1）通信技術。通信技術是無人駕駛的必備技術，它能幫助自動駕駛車輛實現車內設備之間的通信以及車輛與外部的通信。當前，利用4G、5G 大帶寬[6]及高速的無線環網，可以保障無人駕駛卡車大量數據傳輸的實時性，達到快速反應、及時決策，確保卡車作業安全，實現調度監控中心對卡車的集中控制和遠程調度管理。

2）差分定位技術。露天礦山定位系統要兼具定位精確性和運行穩定性。差分定位技術是基于在同一地區的GPS 信號因受到自然因素干擾產生的系統誤差是相近的這一原理，在已知精確位置的參照點上，通過GPS 接收機接收此點與衛星的實時相對位置數據，再與已知的該參照點的精確位置數據作比對，計算出測量誤差，于是在此參照點附近的GPS接收機用該測量誤差來修正自身的GPS 測量值，從而提高定位精度。該技術可以消除數據接收時差、大氣折射誤差等的影響。

3）路徑規劃算法。路徑規劃是指根據已掌握的環境信息，結合傳感器采集的實時環境信息，再通過大數據存儲和云計算，規劃出從某一位置到目標位置的最佳路線。良好的算法可以實現動態環境下精準、安全可靠的路徑規劃。目前較常采用的算法有基于圖搜索的路徑規劃算法、基于采樣的路徑規劃算法和智能優化算法以及基于強化學習的算法。

4）環境監測技術。環境監測技術在礦用卡車無人駕駛中發揮著關鍵作用，它通過車用傳感器實時監測礦山運輸現場，識別出現在卡車周圍的各種物體，并實時向監控中心發送收集到的數據，進而實現路徑跟蹤控制[7]。車用傳感器主要有以下幾種：①以激光雷達、超聲波雷達、毫米波雷達等為代表的主動式傳感器，目前在礦用卡車防碰撞系統中占主導地位；②以視覺傳感器為代表的被動式傳感器，多用于識別礦用卡車運輸道路擋墻、路面撒料、坑凹等；③紅外傳感器，適合礦山近距離運輸作業。

5）車輛控制技術。車輛控制技術就是將一些自動控制技術應用在車輛上，通過與GPS 車輛智能調度系統[8]交互，將駕駛員對車輛的各種操控動作轉化電信號來控制車輛狀況，即變人工駕駛為信號控制，實現車輛橫向和縱向的自動控制。

露天礦用卡車無人駕駛技術研究是一個綜合性的項目，它是一個復雜的軟硬件結合的系統，其安全可靠運行需要車載硬件、傳感器集成、感知預測以及控制規劃等多個模塊的協同配合，因此需要將上述技術以及其他技術進行專業化整合，構建出在遠程無線控制下，多臺卡車自動駕駛，在統一調度和管控下作業，并能與礦山作業其他工序有序銜接，充分滿足露天礦山工況需求的一個智能化系統[9]。

3 發展前景

礦山智能化的其中一個目標就是將礦工從“工作現場操作”轉戰到“后方基地控制”，以機器設備作業取代人工作業，確保人的安全。露天礦山卡車運輸作業作為露天開采中極為重要的工序，無人化發展大勢所趨。目前，我國在礦山無人駕駛技術方面已經有很深的技術積累，防碰撞、卡車調度、視頻監控等輔助駕駛技術已相當成熟。近幾年來5G 技術和大數據融合技術的發展，將為推動工業信息化提供強大的助力。未來礦用卡車無人駕駛技術將是在5G技術下的，多傳感器融合、多定位技術融合、路徑規劃算法融合和標準作業流程融合的綜合性技術，多種技術取長補短，確保運輸作業更精確、安全、穩定、標準化。同時，隨著礦用卡車無人駕駛技術的成熟，可以在與礦山環境類似的封閉、低速作業區域進行推廣，對物流作業將有很大的參考價值。

4 結語

在國家相繼出臺“中國制造2025”、“新一代人工智能發展規劃”等一系列政策措施，強力推進我國工業智能化轉型的背景下，煤炭工業作為關系我國經濟命脈和能源安全的重要基礎產業，智能化是其發展的必由之路。露天礦卡車無人駕駛技術的實現，是智能礦山建設的重要基礎，也是不可或缺的前提條件，可從本質上提升礦山企業的核心競爭力，從而推動我國煤炭行業走向智能礦山時代。