露天矿山运输无人驾驶系统作业方式

戴 亨，张巴图

（1.神华准能集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300；2.神华准能集团有限责任公司科学技术研究院，内蒙古鄂尔多斯 010300）

在国家工业4.0 和中国制造2025 的战略引导下，传统露天矿山正深入推进“两化”（信息化和工业化）的高层次深度融合[1]，在新科技的赋能下，发展智能化乃至无人化采矿技术、革新矿山开采模式并减少作业人员的数量，是大势所趋[2]。近年来，无人驾驶技术迅猛发展，露天矿山以其独特的环境条件为无人驾驶技术落地提供了契机[3]，露天矿山运输无人驾驶系统（以下简称无人驾驶系统）以矿用自卸车“装载、运输和卸载”典型作业为中心[4]，与钻机、电铲、推土机、平路机等露天矿作业关键设备配合工作[5]，通过引入无人驾驶系统技术，把人、环境、设备、信息在时间和空间上联系到一起，实现露天矿山运输作业的完全无人自主运行[6]，有利于提高生产效率，降低生产成本，实现采运灵活配置，产能柔性调整，是“智慧矿山”的重要基础，也是不可缺的前提条件[7]。

1 露天矿山运输无人驾驶系统

1.1 作业方式分类

矿山运输无人驾驶系统的作业示意图如图1。

为明确无人驾驶系统的作业方式中运营方需要关注、参与的内容，将作业方式分为2 类：

1）正常作业方式。未出现故障或异常情况，无人驾驶系统以设计功能提供完整的服务。

2）降级作业方式。由于故障或异常情况，无人驾驶系统需要在人员参与下实现故障的恢复。

1.2 外部关联

无人驾驶系统与外部的接口可分为人员接口与设备接口。

图1 矿山运输无人驾驶系统的作业示意图

1）外部关联人员主要包括：①调度长：是作业控制中心（OCC）的主管人员，负责为调度员与地图编制员分配工作任务和紧急情况下的协调控制，并对无人驾驶作业区的总体运行情况进行监控；②调度员：调度员监督所负责运输车辆的运行情况，在异常情况下对无人驾驶运输车辆的运行情况进行干预；③地图编制员：负责创建、管理、维护和发布无人驾驶作业区的数字地图，简称矿山地图；④停车场操作员：停车场操作员可从无人驾驶系统中获取到停车场内及入口处的车辆位置及状态信息；⑤挖掘机操作员：在装载时负责指挥无人驾驶矿用自卸车；⑥加油操作员：无人驾驶矿用自卸车运行至加油点点时，加油操作员在调度员的配合下，完成车辆的加油作业；⑦救援人员：负责对故障的无人驾驶矿用自卸车进行救援；⑧人工驾驶车辆司机：驾驶车辆与地图编制员配合，共同完成矿山地图的创建与更新工作。

2）外部关联设备主要包括：①无人驾驶矿用自卸车：即安装了无人驾驶设备的矿用自卸车，调度员可通过无人驾驶系统向矿用自卸车下发各种命令，无人驾驶系统控制车辆执行这些命令，同时，无人驾驶系统接收矿用自卸车反馈的各种状态数据信息，包括实际运行工况、车辆本身状态信息、故障信息等，并将其通过显示界面展示给调度员；②挖掘机：在挖掘机上安装定位与通信装置，通过该装置无人驾驶系统可实时获取挖掘机的精确位置及姿态信息；③人工驾驶车辆：出于安全目的，所有进入无人驾驶作业区的人工驾驶车辆均应安装定位与通信装置。通过该装置，车辆的基本状态信息输入至无人驾驶系统；④破碎站：无人驾驶矿用自卸车获取破碎站当前的运行情况，避免在破碎站出现异常的情况下向破碎站卸料；⑤矿用卡车调度系统：无人驾驶系统可接收并执行调度系统为无人驾驶矿用自卸车分配的作业任务；⑥矿山环境监测系统：提供矿区天气、边坡状态、火灾、洪灾等信息。

2 正常作业方式

2.1 系统上电自检

1）车载电气设备上电前，须进行以下确认。①停车场工作人员检查车辆状态，确认是否具备上线运行条件；②调度员确认矿山现场环境（是否有大雨、大雪、地质灾害等不适合开展矿山作业的情况），是否具备无人驾驶系统正常工作条件。

2）若正常，调度员允许停车场工作人员为车辆电气设备上电。上电后无人驾驶系统车载设备进行上电自检。自检过程中，无人驾驶系统对车载设备状态、车载传感器状态、车辆基本状态进行检查。自检结束后，无人驾驶系统将自检结果反馈给调度员。若自检通过，系统允许调度员执行后续作业，否则系统反馈自检失败原因，并等待调度员进行故障处理。

2.2 远程启动发动机和系统静态测试

车载电气设备自检通过后，按如下步骤远程启动发动机：①调度员通知停车场工作人员离开无人驾驶车辆进入安全区域；②停车场工作人员进入安全区域后通知调度员，调度员下发远程启动发动机命令，控制车辆启动发动机。

远程启动发动机后，无人驾驶系统将进行静态测试。静态测试目的是判断车辆底层执行机构（如制动系统、转向系统等）功能是否正常。静态测试的过程为，无人驾驶系统向车辆底层执行机构发送特定的控制指令，并实时接收车辆反馈的执行结果信息，通过控制指令与执行结果的比较来判断车辆执行机构的状态是否正常。

2.3 作业任务分配

车辆的日常作业任务包括发车、装载、排土、卸矿、加油、收车等，并通常包含作业起点、作业终点、作业内容、作业次数等信息。无人驾驶系统支持外部输入和调度员指定两种方式的作业任务分配。

外部输入方式，指无人驾驶系统具备与矿山智能调度系统的接口，可接收智能调度系统向车辆下发的调度命令，并将其转换为无人驾驶系统内部可用的作业任务信息。调度员分配方式，是指调度员通过无人驾驶系统手动为车辆指定作业任务。

2.4 参考路径规划

收到作业任务信息后，无人驾驶系统采用最佳路径算法为车辆规划1 条从作业起点至作业终点的参考运行路径。无人驾驶系统控制下的车辆出发流程如下：①无人驾驶车载设备上电自检和静态测试通过；②通过外部输入方式或调度员指定方式为车辆分配作业任务；③无人驾驶系统为车辆规划参考运行路径；④调度员确认作业任务和参考路径信息无误后，车辆自动启动并驶离停车场。

2.5 联合装载

车辆到达装载区后，无人驾驶系统控制车辆与挖掘机配合以实现联合装载[8]。

无人驾驶系统在装载区内为车辆设置了候车点，车辆达到装载区后：①候车点无车且收到挖掘机司机发出的“进车信号”，无人驾驶系统控制车辆运行至装载点停车；②候车点无车但尚未收到挖掘机司机发出的“进车信号”，无人驾驶系统控制车辆运行至候车点停车等待；③候车点已有车辆排队，此时无人驾驶系统控制车辆在上一排队车辆的后方停车等待。

当多车等待装载时，会形成待装载队列，排队车辆按照“先进先出”进入装载。

2.6 自动卸载

无人驾驶系统在卸载区内为车辆设置了候车点，车辆达到卸载区后：①卸载区内无车作业，候车点也无车排队，此时无人驾驶系统控制车辆进入卸载区并进行自动卸载；②卸载区内有车进行卸载作业，候车点无车排队，此时无人驾驶系统控制车辆在候车点停车等待；③卸载区内有车进行卸载作业，候车点已有车排队，此时无人驾驶系统控制车辆在上一排队车辆后方停车等待。

当多车等待卸载时，会形成待卸载队列，排队车辆按照“先进先出”进入卸载。

2.7 道路运输

道路运输方式指车辆在无人驾驶系统的控制下根据规划路径在矿山运输道路上运行的方式。无人驾驶系统在该方式中主要控制车辆沿参考运行路径行驶[9]。道路运输涉及3 种工况：双车道工况、单车道工况和交叉路口工况。

1）双车道工况。车辆根据行车规则行驶在对应车道内。除非特殊情况（障碍物阻挡），不允许车辆越过中心线。

2）单车道工况。其道路分为单车道区域、单车道接近区域。在单车道区域同一时间仅允许1 辆车通过，不允许会车。单车道接近区域为停车等候区，若单车道内有对向车辆行驶，则在该区域停车等候。

3）交叉路口工况。其道路分为交叉路口接近区域、交叉路口区域。交叉路口区域同一时间仅允许1辆车通过，当该区域内已有车辆时，禁止其他车辆进入。交叉路口接近区域则为车辆停车等候区，若交叉路口区域内有车辆行驶，则在交叉路口接近区域停车等候。

2.8 加油和泊车及系统关闭

1）无人驾驶系统可实时获取车辆当前的油量信息。当油量不足且车辆为空载时，无人驾驶系统提醒调度员执行加油作业。执行加油作业时，调度员须为车辆指定加油任务，无人驾驶系统为车辆规划参考运行路径并控制车辆前往加油点。车辆到达加油点后，调度员与加油操作员配合完成加油作业。加油任务完成后，无人驾驶系统将控制自卸车继续进行之前中断的工作任务。

2）停车场泊车。当车辆连续运行一定时间或因矿山业务调度需要等原因，需返回停车场泊车时，无人驾驶系统为车辆分配收车任务，任务中指定了停车点位置信息。无人驾驶系统根据收车任务为车辆规划参考运行路径，并控制车辆驶入停车场，停泊在指定停车点。

3）系统关闭。车辆泊车后，调度员向其发送关闭发动机指令，由无人驾驶车载设备控制车辆关闭发动机。发动机关闭后，调度员通知停车场工作人员按下述步骤关闭车辆电源：①旋转车辆钥匙至OFF 位置；②关闭电源总开关（发动机电源）；③关闭车辆系统电源（蓄电池电源）。

3 降级作业方式

当车辆本身或无人驾驶系统出现影响行车安全的异常或故障时，将进入降级作业方式，降级作业方式中通常需要无人驾驶系统控制车辆停车。

3.1 上电自检异常和静态测试异常

1）系统上电自检异常主要包括：车载设备未启动、模式指示灯状态异常、车载传感器自检异常、车辆本身状态异常、通信异常、车载设备运行异常、车载存储器异常等。出现上电自检异常的情况下，若无人驾驶车载设备已启动，则切断车载设备与车辆的通信接口，并将故障/异常信息反馈给调度员。

2）静态测试异常。静态测试异常包括制动系统静态测试异常和转向系统静态测试异常。若静态测试异常，则无人驾驶车载设备切断与车辆的通信接口，并将异常信息反馈给调度员。

3.2 车辆异常和车载传感器异常

1）车辆异常。车辆异常指车辆本身故障，按故障影响大小可分为警告类故障和停车类故障。警告类故障不影响车辆安全运行，无人驾驶系统检测到该类故障后将其反馈给调度员，但继续执行当前任务。停车类故障则影响车辆安全运行，无人驾驶系统检测到该类故障后控制车辆沿参考路径减速至停车，同时将故障反馈给调度员。

2）车载传感器异常。车载传感器包括激光雷达、毫米波雷达、摄像头等。传感器异常有2 类：①传感器无信号；②传感器数据异常。当无人驾驶系统检测到传感器异常时，会控制车辆沿参考路径减速至停车，同时将故障反馈给调度员。

3.3 通信异常

此处所述通信特指无人驾驶系统车载设备与无人驾驶系统地面设备间的无线通信。若车载设备与地面设备在预定时间内未完成信息交互，则判定通信异常。

通信异常时，无人驾驶系统将控制车辆沿参考路径减速至停车，并待车辆停稳后向车辆发送停车制动指令。

地面设备将通信异常信息反馈给调度员。调度员收到通信异常后，应立即安排救援人员进行现场确认和检查，必要时指挥救援人员驾驶车辆行驶至安全区域。

3.4 路径偏离异常和远程操纵

1）路径偏离异常指车辆实际行驶路径与参考运行路径的偏差超过设定值。无人驾驶车载设备异常、转向系统故障、路况恶劣等因素均可导致路径偏离异常。出现路径偏离异常时，无人驾驶系统将控制车辆减速至停车，并待车辆停稳后向车辆发送停车制动指令，同时立即将异常信息反馈给调度员。

2）远程操纵。当出现装载点停车偏差、系统故障等异常情况时，调度员可远程操纵进行处理。在远程操纵模式下，调度员可控制车辆的转向角、车速、制动压力等值。远程操纵步骤如下：①选中需远程操纵的车辆，获取该车的视频监控数据；②通过远程操纵装置向车辆发送转向角、车速、制动压力等指令控制车辆运行；③在远程操纵模式下控制车辆运行至期望位置并停车后，下发停车制动指令；④退出远程操纵模式。

3.5 障碍物和现境异常

1）车载传感器检测到车辆行驶路径上存在障碍物时，车载设备将检测出的障碍物的位置与尺寸发送给地面设备。车载设备与地面设备分别按照下述策略进行控制。①车载设备控制策略：基于与障碍物的距离，采用常规制动或紧急制动确保车辆在安全距离内停车；②地面设备控制策略：地面设备在矿山地图上标记出该障碍物，并尝试为车辆规划一条绕过障碍物的参考运行路径，并通知调度员对路径进行确认；无论车辆是否成功绕过障碍物，调度员都应通知道路维护人员及时清理障碍物。

2）环境异常。无人驾驶系统具有与环境监测系统的接口，通过该接口可实时获取矿山环境信息，包括天气、火灾、洪灾、边坡状态等。当无人驾驶系统获知发生影响车辆正常作业的环境异常时，应提醒调度员采取措施应对。调度员可采用的应对措施包括：降低车辆的最高限速、增大车距、命令车辆回库、单车紧急停车、所有车辆紧急停车等。

4 结语

随着产业环境的变化，露天矿山的信息化、智能化成为转型的主要方向。无人驾驶技术在露天矿山运输作业方式的应用，为提高矿山安全水平、改善人员作业环境、降低人员劳动强度、提高生产效率等方面提供可操作的支持和参考。