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★青島慧拓智能機器有限公司

1   目標和概述

礦山工作環境惡劣，交通事故發生率較高，疲勞駕駛現象普遍，發達國家追求零死亡率，安全問題是礦山行業關注的重要指標。礦山因礦區封閉環境、礦山道路崎嶇、開采環境惡劣，再加上駕駛員容易疲勞及誤操作而引發事故，存在極大的安全隱患，無人化已經是剛性需求，其無人化落地條件優良且實施過程中無政策法規阻力；機械無人化能減少人為操作引發的事故，提高礦山作業的安全性，對有巖爆危險的深井礦山等特殊開采條件的礦山具有更突出的意義。另一方面，機械無人化能夠提高設備的使用效率，減少人為誤操作以及極端天氣的影響，降低勞動成本，增加能源產量，提高生產率；同時，礦卡無人化可減少輪胎磨損，延長電機等部件的壽命，節約保養成本。

因而礦區開采和運輸業未來一定是智能化、無人化。國外礦區無人駕駛發展迅速，呈現出礦用工程機械巨頭為主，智能駕駛科技公司為輔的格局。而中國礦區無人駕駛研究起步較晚，從國家角度層面來看，礦業資源是國家應對全球貿易戰的“一張王牌其相關數據和模型，均屬于國家機密。由于礦業幵采行業的特殊性以及國外無人駕駛方案并不適合中國市場，慧拓公司打造了國內領先的智慧礦山工業互聯網平臺，建設了具有全球競爭力的無人化礦山，對中國乃至世界礦山可持續發展起到了引領和示范作用。

“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案屬于關鍵領域補短板，產業鏈補鏈強鏈項目，擁有完全自主知識產權，可填補國內這一領域的空白，突破國外技術封鎖，具備成果轉化和廣闊的產業化示范前景，慧拓依靠無人駕駛創立品牌，通過過硬的技術鞏固品牌，先后承擔了徐工、三一集團、中煤集團、中煤能源集團、江銅集團、大唐發電集團、神華、中金集團、航天重工等三十幾個頭部企業的訂單。將極大保障礦山的安全和高效生產，有力推進我國傳統礦山行業的產業升級。

(1)提出平行智能礦山解決方案：以平行駕駛理論為依托，針對礦區存在的安全、成本、效率、環保等問題，將一個管理難、控制難、預測難的礦山復雜巨系統以功能為單位劃分，依次通過對各子系統的描述、預測、引導，實現礦山的優化管理。

(2)礦區環境感知技術：自主研發的多傳感器融合技術可有效排除礦區煙塵干擾，實現非結構化道路、障礙物、凹坑等目標檢測；三重保障的定位技術可有效解決深度礦區定位信號差的難題。

(3)大型設備無人化控制：研發了針對大型礦卡的速度控制方法，保證礦卡控制的平穩和準確；擁有自主知識產權的轉向控制方法可有效保證礦卡控制的準確性、魯棒性和實時性。

(4)礦區設備智能調度：幵發機群管理與智能調度系統，保證無人設備的高效行駛，提高設備運行的安全性，降低運營成本，并可對設備進行預測性維護。

(5)應急接管：通過配備遠程接管系統，確保在發生故障或緊急情況下的設備安全，同時將接管的車輛靠邊停車，保證整個無人礦山運輸不發生中斷。

(6)仿真測試技術：幵發無人礦卡專用仿真系統，可實現各種極端工況下無人駕駛算法的有效驗證，確保測試的安全性，同時大幅提高測試效率、降低測試成本。

2   方案詳細介紹

“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案以云端智能調度與管理系統、礦車無人駕駛系統、挖機協同作業管理系統、無人運輸仿真系統、遠程駕駛系統和V2X車路協同感知系統等為基礎，如圖1所示。突破了礦區復雜高動態場景的實時仿真建模、虛實互動的平行感知與快速建圖、無人礦卡群平行規劃與調度等關鍵技術。實現了虛實無人礦卡單車智能群體共享、任務驅動的自適應編組、場景驅動的平行規劃與調度預案自主生成與優化，攻克了大規模多任務礦卡群調度決策過程效率低、動態協同規劃難度大、全場景物理實驗周期長的問題，大幅度提升應用驗證與項目落地，在虛實互動的無人礦山運輸系統7X24小時不間斷仿真中，促使項目落地時間、研發效率和運營的無人駕駛礦用卡車輛數等真實數據都優于美國卡特彼勒和日本小松等世界頭號工程機械制造商。

圖1“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案基礎架構

2.1 云端智能調度與管理系統

云端智能調度與管理系統將無人礦卡、電鏟、推土機及其他輔助作業車輛等全部納入，是整個礦山作業系統的控制中心、數據中心和決策中心，是“統領智慧礦區無人化作業的云端大腦”。它具備出色的分析、決策、協調能力，持續、穩定地保證全面落實礦區安全生產作業計劃，運籌帷幄于指揮中心，決勝于無人礦山生產方方面面。可在云端完成整個礦山業務鏈的全面監控，按照任務需求對系統內的車隊、設備、人員進行管理與調度，從而實現礦山作業的無人化，提高作業安全和生產效率。如圖2所示。

圖2 云端智能調度與管理系統架構圖

2.2 礦用卡車無人駕駛系統

礦車無人駕駛系統具備高度單車自動駕駛能力，能夠感知環境與障礙物信息，做出單車范圍內的決策命令，實現自動駕駛、自主避障、協同裝載、智能跟車、自動卸載等功能，而且可以通過4G/5G/V2X等多種方式，在云端智能調度與管理系統指揮下，實現與挖機、電鏟、推土機等各種裝載和輔助設備的協同作業，實現露天礦山典型的“裝-運-卸”作業流程，極大促進露天礦山的生產安全，提高生產效率，降低生產成本，提升礦山企業柔性產能管理能力。如圖3所

示。

圖3 礦車無人駕駛系統架構圖

2.3 挖機協同作業管理系統

挖機協同作業管理系統是安裝在挖機、推土機等作業設備上的終端系統，結合中心端的作業指令， 使無人礦車和裝載設備無間協作。主要負責對排土場區域無人礦車作業流程進行協同管理，以使無人礦車與挖掘機、推土機之間能夠相互協同，高效、準確、安全地完成入場、卸載與離場等作業任務。可實現裝載設備與無人礦車系統的協同作業，為其規劃任務路徑，引導其入場就位，裝載完成后引導無人礦卡離場，大大提高作業效率。如圖4所示。

圖4挖機協同作業管理系統架構圖

2.4 無人礦卡仿真系統

無人礦卡運輸仿真系統是通過建立車輛動力學系統數學模型、可視化界面、規劃與控制算法開發，構建虛擬礦區環境、車輛、傳感器等模型。搭建的仿真測試系統可實現對無人礦山系統相關的仿真，經過反復迭代測試，對相關算法和系統進行不斷改進和完善，無人礦卡所需的算法程序可通過仿真平臺快速生成；在仿真測試的同時，進行礦區測試場地和相關設施的搭建，在仿真測試通過后，進行真實礦山無人設備的測試，重點對軟硬件系統的穩定性、傳感器可靠性、算法性能、設備可靠性進行測試。通過搭載實車自動駕駛控制器和智能化調度平臺，快速實現對整體礦區無人化各個系統的各項功能驗證，提高系統開發效率。

2.5 遠程駕駛與應急接管系統

通過自主研發的視頻編解碼技術、組網技術和智能控制算法實現了視頻和控制信號的高可靠和低延時，解決了遠程駕駛中實時、穩定和安全的核心技術問題。遠程駕駛與應急接管作為無人駕駛系統的安全冗余設計，確保了遠程監控中心能夠實時監控車輛的運行狀態和車輛周圍的實時影像，當無人駕駛系統出現故障或遇到無法處理的工況時，通過應急接管來保證無人車的安全運行。系統主要研究內容包含高實時視頻編解碼技術、車輛全狀態臨場感技術、應急接管系統安全冗余技術和沉浸式遠程駕駛技術。如圖5所示。

圖5遠程駕駛與應急接管系統架構圖

2.6 V2X車路協同感知系統

V2X車路協同感知系統面向超視距感知、道路預警等應用場景。慧拓自主研發了多源異構傳感數據融合感知技術、自動化協同定位、時空同步等技術，在普通嵌入式計算平臺即可實時獲取礦車、挖掘機、行人、社會車輛、輔助作業車輛等交通目標的3D位姿、預測的軌跡，并將感知信息通過5G/V2X技術與自動駕駛車端、云端、遠程駕駛端等共享，完成全時空高動態道路信息采集和融合。

數據通信系統以高穩定性、廣兼容性、多冗余性為設計原則，滿足露天煤礦無人運輸作業系統的通信需求，既可以充分利用礦山已有通訊網絡，也可以兼容未來建設的5G網絡，實現無人駕駛作業區內車輛與控制中心之間的實時通信、無人駕駛車輛之間的互相通信、無人駕駛車輛與輔助駕駛車輛之間的通信以及無人駕駛車輛與路側各系統的通信，保證傳輸可靠、抗干擾性強。數據通信系統支持無人礦卡與控制中心的V2N無線通信，以及礦卡與礦卡、礦卡與輔助作業設備間的V2V無線通信。通訊系統滿足網絡接入時間短、傳輸時延低、傳輸可靠性高、抗干擾性能力強、信息安全性高等要求。

隨著車聯網技術和應用的快速發展，跨領域、跨部門、跨行業數據共享應用越來越廣泛。與此同時，數據安全問題已經成為影響數據應用與共享快速發展的瓶頸。車聯網作為新時代的產物，其交互環境、交互形式和交互類型更為復雜，在數據合規的時代背景和加快推動車聯網產業快速發展的形勢下，如何滿足國內外數據安全相關法律法規，保障數據合規使用和安全可控，是車聯網面臨的主要矛盾。“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案結合自身數據特點，從數據安全監管溯源的角度構建數據安全風險監測溯源與綜合管理平臺，并實現車聯網在礦山領域的典型應用，有效保障礦山行業的健康發展。通過車聯網身份認證和安全信任相關系統的建設，引入CA系統、RA系統等，在車機端SDK中預置安全通訊模塊，確保車機端和云端的身份校驗、證書的有效校驗、失效銷毀等。在加密算法上支持對稱加密算法，也支持非對稱加密算法，以應對不同場景對加密算法的不同需求；對于車機端采集的用于高精地圖更新的數據以及從云端下發到車機端的數據都會提供強有力的安全防護。

3代表性及推廣價值

“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案已成功應用于內蒙、青海、安徽等地，服務于國家能源集團、華能集團、大唐集團、中國寶武集團、中煤集團等30余個國家級大型露天礦區（涵蓋煤炭、鋼鐵、有色和水泥行業），起到良好的應用示范和推廣作用；目前，搭載平行駕駛系統的礦車200臺，完成實際商業化運營里程累計近500萬公里：以“現場少人、無人，遠程有人”方式保障礦山生產安全“零傷亡”；以“虛擬指導實際”駕駛運輸方式，極大地降低了設備磨損率，設備使用周期延長30%。成果突破性應用在世界煤礦的第一個極寒環境、5G網絡下大型礦用自卸車無人駕駛改造并編組運行項目，已按預定要求完成各項改造工作，通過靜態調試、封閉場地動態調試、模擬場地調試及作業場地運行試驗，各項性能達到了在安全規范條件下的無人駕駛安全運行要求。已具備了10臺220噸電動輪礦用自卸車無人駕駛車輛與挖掘機、遙控推土機、灑水車、平路機、指揮車等作業設備平行運行能力，形成了一套完整的露天礦無人運輸作業系統及國家能源集團創建首個智能化露天煤礦的技術基礎，并通過工業化驗收。

摘自《自動化博覽》2022年第三期