露天矿卡车无人驾驶技术的现状与展望

王富民，贺昌斌

（中煤平朔集团有限公司 技术中心，山西 朔州 036006）

国外从20 世纪70 年代开始研究矿用卡车无人驾驶技术，在全球技术比较领先的是美国的卡特彼勒（CAT）和日本的小松（KOMATSU）。目前，卡特彼勒的矿山之星系统应用在澳大利亚、南北美等地矿山的170 多辆无人驾驶卡车上，小松公司的自动运输系统（AHS）在澳大利亚、南美、北美的6 座矿山（包括铜、铁和油砂）应用[1]，无人驾驶卡车总数有100 多台。我国的矿用卡车无人驾驶技术虽然起步较晚，但在国家政策的大力支持下，近年来发展突飞猛进。尤其是《关于加快煤矿智能化发展指导意见》提出露天煤矿要在2025 年实现智能连续作业和无人化运输的目标更为无人驾驶卡车技术的研发提供了动力。大型采矿企业如神华集团，矿用车生产企业如北方股份、中国中车，数字矿山装备企业如东方测控、迪迈科技，智能驾驶创业公司如踏歌智行、西井科技、慧拓智能等，均开展了矿用卡车无人驾驶研究和测试，对无人化技术在露天矿山的先进性、可靠性和适用性进行深入研究。

1 矿用卡车无人驾驶技术的重要性

单斗-卡车工艺露天矿运输作业具有计划性、组织性和封闭性特征，且作业环境相对较差，引入无人驾驶技术，有3 大优势：①特定区域，无交通障碍；②固定路线、相对低速，无技术障碍；③无司机，有经济效益和安全保障。目前露天矿运输作业主要由人员、设备和场所的“人机环”3 个要素构成，作业设备的操作和作业场所的环境判断都需要作业人员完成，而人这一关键因素是不可控的，容易受路况、车况、气候等客观环境或工作生活中的事件所影响，产生情绪上的波动，影响工作状态，引发安全事故。采用无人驾驶技术实现“无人”能够很好地解决这一难题，在最大限度降低人员的参与、避免和减少对驾驶人员健康[2]、安全的危害的同时，降低人工成本，具有良好的经济社会效益。

1）安保型安全。传统的矿用卡车运输作业需要人来操作。人在经过长时间工作后总会累，需要休息，而且人不可能任何时候精力都百分之百集中，而精力不集中就可能产生误操作导致发生事故，出于“以人为本”的理念，需要可以一直保持精准运转的智能系统来代替人工操作。

2）降低成本。节约人工成本是无人驾驶技术直接经济价值的体现。近年来，大型露天矿由于作业环境较差、工作艰苦枯燥，在招聘矿用卡车驾驶人员方面常常面临招聘培训周期长的困境。据统计，国内矿用卡车驾驶员平均工资1 万元/月，年成本15 万元，台车成本60 万元。经测算，如能实现卡车无人驾驶，净节省费用可达到人工成本的20%。

3）提高设备效率。传统的有人驾驶无法满足车辆24 h 运输。通过对国内外应用无人驾驶技术的矿山企业卡车运输数据进行统计分析，表明无人驾驶卡车年工作时间较人工驾驶增加800 h 左右，总时长达到7 000 h，生产效率提升了30%，车辆的燃油费用和维护成本[3]都降低10%左右。一系列数据均体现了无人驾驶技术能提升矿用卡车的生产效率。

4）优化管理。无人驾驶系统与先进、智能的生产设备结合，可建设智能一体化集中监控平台和生产管控系统，实时处理运输作业中出现的问题，保障生产作业的接续。一方面能通过数据分析和决策控制，优化采装、运输等生产过程，提高资源利用率，实现绿色开采；另一方面能减少相关岗位人员投入，优化业务管理流程，并且可以不受矿用卡车驾驶员因素制约，根据市场需求灵活调整产能，进而提升整体生产管理和决策水平。

2 矿用卡车无人驾驶技术

2.1 系统构成

1）地面控制系统是整个卡车无人驾驶技术系统的神经中枢。主要需要对收集到的环境、车况、作业等多方面信息进行综合分析，实时掌握车辆自身和运行状况，对车辆进行精准调度，实现多台卡车（车队）在同一作业区域按照生产作业计划有序进行运输和装卸作业[4]。

2）智能驾驶系统是实现无人驾驶的基础。通过自身的控制系统，综合接收到地面控制系统的各种信息数据，完成对车辆的操纵，特别是装载作业中的转角度、车速、装载量等作业。

3）信息传输系统是一个桥梁。在露天矿山作业区域内将产生大量的信息数据，比如说车辆自身的油耗量、水量等，每个车辆的位置信息、相互间距离、驾驶方向等等，这些信息有直接可以使用的信息，有需要分析计算的信息，这些信息是保证系统正常运行的必要条件。

2.2 原理和技术难点

露天矿卡车无人驾驶技术是信息传输、车辆控制、路线规划、环境感知[5]等多项技术的集成。主要原理是在矿用卡车上安装传感器和GPS 定位装置，为总控室实时提供卡车运行环境和位置信息，进而总控室通过发送无线指令使卡车按照既定方向和路线运输，在固定地点完成装卸作业。

在露天矿山应用卡车无人驾驶技术，要攻克的技术难点主要有通信技术、差分定位技术、路径规划算法、环境监测技术、车辆控制技术等。

1）通信技术。通信技术是无人驾驶的必备技术，它能帮助自动驾驶车辆实现车内设备之间的通信以及车辆与外部的通信。当前，利用4G、5G 大带宽[6]及高速的无线环网，可以保障无人驾驶卡车大量数据传输的实时性，达到快速反应、及时决策，确保卡车作业安全，实现调度监控中心对卡车的集中控制和远程调度管理。

2）差分定位技术。露天矿山定位系统要兼具定位精确性和运行稳定性。差分定位技术是基于在同一地区的GPS 信号因受到自然因素干扰产生的系统误差是相近的这一原理，在已知精确位置的参照点上，通过GPS 接收机接收此点与卫星的实时相对位置数据，再与已知的该参照点的精确位置数据作比对，计算出测量误差，于是在此参照点附近的GPS接收机用该测量误差来修正自身的GPS 测量值，从而提高定位精度。该技术可以消除数据接收时差、大气折射误差等的影响。

3）路径规划算法。路径规划是指根据已掌握的环境信息，结合传感器采集的实时环境信息，再通过大数据存储和云计算，规划出从某一位置到目标位置的最佳路线。良好的算法可以实现动态环境下精准、安全可靠的路径规划。目前较常采用的算法有基于图搜索的路径规划算法、基于采样的路径规划算法和智能优化算法以及基于强化学习的算法。

4）环境监测技术。环境监测技术在矿用卡车无人驾驶中发挥着关键作用，它通过车用传感器实时监测矿山运输现场，识别出现在卡车周围的各种物体，并实时向监控中心发送收集到的数据，进而实现路径跟踪控制[7]。车用传感器主要有以下几种：①以激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达等为代表的主动式传感器，目前在矿用卡车防碰撞系统中占主导地位；②以视觉传感器为代表的被动式传感器，多用于识别矿用卡车运输道路挡墙、路面撒料、坑凹等；③红外传感器，适合矿山近距离运输作业。

5）车辆控制技术。车辆控制技术就是将一些自动控制技术应用在车辆上，通过与GPS 车辆智能调度系统[8]交互，将驾驶员对车辆的各种操控动作转化电信号来控制车辆状况，即变人工驾驶为信号控制，实现车辆横向和纵向的自动控制。

露天矿用卡车无人驾驶技术研究是一个综合性的项目，它是一个复杂的软硬件结合的系统，其安全可靠运行需要车载硬件、传感器集成、感知预测以及控制规划等多个模块的协同配合，因此需要将上述技术以及其他技术进行专业化整合，构建出在远程无线控制下，多台卡车自动驾驶，在统一调度和管控下作业，并能与矿山作业其他工序有序衔接，充分满足露天矿山工况需求的一个智能化系统[9]。

3 发展前景

矿山智能化的其中一个目标就是将矿工从“工作现场操作”转战到“后方基地控制”，以机器设备作业取代人工作业，确保人的安全。露天矿山卡车运输作业作为露天开采中极为重要的工序，无人化发展大势所趋。目前，我国在矿山无人驾驶技术方面已经有很深的技术积累，防碰撞、卡车调度、视频监控等辅助驾驶技术已相当成熟。近几年来5G 技术和大数据融合技术的发展，将为推动工业信息化提供强大的助力。未来矿用卡车无人驾驶技术将是在5G技术下的，多传感器融合、多定位技术融合、路径规划算法融合和标准作业流程融合的综合性技术，多种技术取长补短，确保运输作业更精确、安全、稳定、标准化。同时，随着矿用卡车无人驾驶技术的成熟，可以在与矿山环境类似的封闭、低速作业区域进行推广，对物流作业将有很大的参考价值。

4 结语

在国家相继出台“中国制造2025”、“新一代人工智能发展规划”等一系列政策措施，强力推进我国工业智能化转型的背景下，煤炭工业作为关系我国经济命脉和能源安全的重要基础产业，智能化是其发展的必由之路。露天矿卡车无人驾驶技术的实现，是智能矿山建设的重要基础，也是不可或缺的前提条件，可从本质上提升矿山企业的核心竞争力，从而推动我国煤炭行业走向智能矿山时代。