矿山无人驾驶技术及发展前景分析

汪玥玢

摘要：矿山无人驾驶技术是智能矿山的重要组成部分，然而其尚未在国内得到广泛应用。分析了国内外矿山无人驾驶技术的研究现状，介绍了矿山无人驾驶系统的构成与实际工作情况，对国内外无人驾驶技术进行对比和进一步探讨，总结了矿山无人驾驶技术发展的影响因素，并分析了国内矿山无人驾驶技术的未来发展前景，可为矿山无人驾驶技术的发展提供参考。

关键词：无人驾驶系统;智能矿山;车载自动驾驶;无线通讯;发展前景

中图分类號：TD5文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2020）03-0048-03doi：10.11792/hj20200310

矿山无人驾驶技术是智能矿山的组成部分，包括矿车、矿用装载机、钻机等采运设备的无人驾驶，以及远程管理系统。矿山无人驾驶系统通过系统决策规划和车载传感器对环境感知，自动驾驶矿用设备进行采运作业。矿车无人驾驶的优势在于提高生产安全性，提升社会经济效益。采矿现场环境恶劣，实现无人驾驶可以有效降低人员安全隐患，节约运营成本，同时提升品牌效应。相较于国外企业和科研团队的研究与应用，国内矿山行业在这个领域还处于初级阶段[1]。本文以矿用自卸车为例，分析无人驾驶技术的发展现状及未来的发展前景。

1 国内外发展现状

目前，国内没有无人驾驶技术的分级标准。参考美国汽车工程师学会对汽车自动驾驶的分级标准，对矿用机械领域进行如下分级：①L’1辅助驾驶。司机坐在作业车辆中，借助传感器、报警装置等设备驾驶作业车辆，如倒车雷达、倒车影像。②L’2视距遥控。设置就近地面控制，司机观察现场情况，操纵手柄驾驶作业车辆。③L’3视频控制。针对恶劣环境，设置远程控制，操作员通过视频监控确认现场情况，远程遥控作业设备。④L’4全自动。系统自动驾驶，调度员只需处理特殊情况和突发故障[1]。本文讨论的矿车无人驾驶技术属于L’4等级。

矿车的无人驾驶技术在北美、西澳、南非均已初步实现。例如：澳大利亚金伯利巴矿山投入使用了卡特彼勒公司的无人驾驶矿用自卸车;美国犹他州宾汉铜矿与美国ASI公司合作，对挖掘机进行了技术改造，开发并使用了矿山无人驾驶管理系统。针对在用车型，无人驾驶系统改装技术也日渐成熟。例如：小松930E、卡特彼勒777D的矿用自卸车改造，沃尔沃A40F铰接式卡车改造，纽荷兰L218滑移装载机改造等，超过18种车型的改造技术已在北美、西澳等矿山实现应用[2]。对于上述地区，矿山无人驾驶技术正处于采运过程全自动向真正数字矿山发展的阶段。

相较于最前沿技术，国内暂时仍处于单车车载系统试验阶段，概念车和部分试验成品设备已陆续研制。2018年11月27日，徐工集团无人驾驶矿车亮相2018上海宝马车展，证明国内已初步具有科技研发实力，仍需继续研究并着力大规模投入使用。

2 矿山无人驾驶系统

矿山无人驾驶技术不仅仅是车辆无人驾驶，而是一个完整的系统。从物理层面，矿山无人驾驶系统（见图1）可以分为3个部分：车载自动驾驶系统、无线通讯系统和智能矿山管理系统。

2.1 车载自动驾驶系统

直接面向工程现场的车载自动驾驶系统包括主控单元、接口单元、线控液压制动单元、转动单元、天线、GPS、摄像头、有/无人切换开关等组成部分。

线控液压制动、转动单元操控车辆行进，空车速度不超过30 km/h，重车速度控制在10～20 km/h。为保证系统安全，有/无人切换开关只有在停车状态下可以使用，当发生突发状况或故障时，由调度员远程驾驶。通常情况下，车载摄像头不用来控制驾驶，视频数据在需要时可以被调出查看现场情况。系统实现对环境的感知（取代了司机的眼和耳），行驶路径的决策规划（取代了司机的大脑），车辆行进控制（取代了司机的手和脚），以及数据记录和故障诊断。为保证现场工作安全，降低故障设备对正常工作的影响，在识别到异常时，车辆设备会及时开启安全模式，生成故障区包络，随着故障时间延长扩大包络范围，并向管理系统持续发送故障信息，等待维修。

2.2 无线通讯系统

2020年第3期/第41卷  机电与自动控制机电与自动控制  黄 金

无线通讯系统是车载自动驾驶系统和智能矿山管理系统之间沟通的桥梁，保证其为二者提供可靠的通讯服务是无人驾驶系统实现的必要条件。

无线通讯系统包括基塔无线通信、GPS差分服务和路侧感知监控。需要在采场运输通道设立基塔，用于信号放大和传递;GPS差分服务用于提供准确坐标;路侧感知监控用于应对现场复杂路况和突发事件。

基于准确性、可靠性需求，无线通讯系统设置多制式、多冗余通道。常用通讯制式包括LTE/WIFI/5G等，一套系统至少使用2种制式，一种制式至少开通2条通道。5G网络速率快、延时低，但是衰减大，需要基塔多，基于经济性和通讯效率需求，现场可根据实际情况自行选择合理的通讯制式。基塔距离取决于边沿带宽，不应低于2 Mb/s。

2.3 智能矿山管理系统

从管理层面，无人驾驶系统可以分为4个部分：无人驾驶作业区、作业控制中心、作业计划办公区和维修区。无人驾驶作业区实现作业车辆的自助定位、循迹行驶、主动防撞、联合装载、自动卸载、异常处理等功能;作业控制中心的工作是管理与监控，包括矿山地图、路径规划、运营调度、运行监控和数据记录;作业计划办公区是系统的决策层，制定车辆作业计划表发给作业控制中心;维修区分为2部分，定期维护和即时故障检修。

智能矿山管理系统包括数据库服务器、地面控制服务器、中央显示屏、调度员工作站、紧急停车按钮、远程操作台、差分GPS基站等组成部分，是整个系统的核心。正常工作模式下，管理系统完成作业决策、指挥和记录任务，发生异常时进入紧急/非紧急降速模式，矿车行进速度不高于5 km/h，保证人员、财产安全。

3 礦山无人驾驶技术影响因素

矿山无人驾驶系统作为一个完整的系统，不仅支持底层设备自动运行，更重要的是，提供了一个上层决策单元，可以方便灵活地增减功能单元，而不会影响既存环节的正常运转。矿山无人驾驶系统的高度智能特性，可以实现“停车场出发-装-运-卸-加油-返回停车场”作业流程全自动，在人员调度、资源损耗等方面有绝对的优势。线控制动、转动、位移系统提供了高控制精度，使之具有高度的可靠性。

3.1 环 境

无人驾驶技术很大程度依赖于环境感知的准确性[3]，路况、天气等环境识别判断对车辆设备的运行具有多方面的影响。恶劣天气等极端环境会导致车辆紧急降速，火灾等危险情况更是会让系统紧急停运，有的情况需要系统远程人工操作，有的情况需要其他设备干预维修。为了提供准确参数/变量输出，系统需要建立足够庞大的情景数据库[4]，现场环境的复杂程度和不同矿山的差异性制约了矿山无人驾驶系统的通用水平，拖慢了无人驾驶技术的推广速度。

3.2 网 络

稳定可靠的网络是无人驾驶系统的必备条件，一旦网络出现故障，轻则导致现场车辆停运，影响工作效率，重则发生意外碰撞，造成经济损失和安全隐患。网络影响包括传输稳定性、数据安全等方面，传输稳定性方面，需要平衡网络通讯速率和经济成本，为系统提供尽可能可靠的通讯制式;数据安全方面，要求系统具备严密的控制逻辑和抗干扰能力。

3.3 经 济

一套完整的无人驾驶系统包含的软、硬件成本很高，其中最贵的就是多种多样的传感器。需要实现的功能越多，传感器等配套硬件就越复杂，成本也就越高。此外，软件平台搭建、网络安全防火墙等环节，也需要很高的人员、资金投入。极高的成本并不容易被已经习惯传统工艺的矿山接受，这也制约了无人驾驶技术的普及和推广。

4 前景分析

矿山无人驾驶技术在国外已有较成熟、大规模应用，在全球信息化、智能化的浪潮中，国内矿山无人驾驶技术的应用前景是显而易见的。目前，国内仍未有矿山实现矿车无人驾驶，针对国内矿山运行环境，无人驾驶技术可以先从简单矿用设备如钻机、铲装设备的改造入手，逐步提高系统的多样性和完整性，推进矿山智能化。

针对系统暴露的问题，在未来的研究中，仍需要科研人员探讨攻克。随着科技水平提升，矿山无人驾驶技术会愈加可靠，也更能为矿山生产带来经济效益。

5 结 语

近十几年来，科技发展突飞猛进，矿山设备的自动控制水平越来越体现了矿山企业的核心竞争力。不可否认，矿山无人驾驶系统在提高生产效率、降低安全隐患、带来经济效益等方面有突出表现，是未来智能矿山必不可少的一部分，需要矿山企业加快研究与推广。

[参 考 文 献]

[1] 陈延寿.无人驾驶汽车研究动向[J].汽车与配件，2017（6）：44-48.

[2] 株洲变流技术国家工程研究中心有限公司.中车矿用自卸车无人驾驶系统介绍[R].株洲：株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，2019.

[3] 王福文.无人驾驶汽车发展状况及面临的挑战[J].沧州师范学院学报，2017，3（4）：84-87.

[4] 贾瑞清，孙稚媛，张尚生.关于无人驾驶汽车存在问题的拟解决方案[J].测控技术，2018，37（8）：1-4.

Abstract：Driverless technology in mines is an important part of intelligent mines.However，it is not yet widely applied domestically.The paper analyzes the research status of the driverless technology at home and abroad，introduces the structure and practical work status of driverless systems in mines，and compares the driverless technology at home and abroad.Further discussion and research are made.Influence factors of driverless technology development are summarized，and the development prospect of driverless technology in mines at home and abroad is analyzed，which can provide reference for the development of driverless technology in mines.

Keywords：driverless system;intelligent mine;truck-loaded driverless technology;wireless communications;development prospect