露天矿山运输无人驾驶系统作业分析

于德君，栗 飞

（国家能源准能集团公司 设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

纵观矿山运输无人驾驶系统发展历程，相关学者早于20 世纪90 年代便已开始研究和开发无人驾驶系统，卡特彼勒公司等企业已将其投入生产中。基于国家工业4.0 战略、新科技赋能与中国制造2025战略，露天矿山作业的未来发展指向工业化与信息化的深层次融合，无人化、智能化采矿技术的研发；无人驾驶技术正处于高速发展时期，露天矿山的独特作业条件和环境契合无人驾驶系统的应用诉求。对于露天矿山作业而言，无人驾驶系统作业可缩减生产成本，提升生产效率，实现产能柔性调整与采运灵活配置。因此，如何将无人驾驶系统运用于露天矿山运输作业中，是相关工作者必须探究的时代问题。

1 露天矿山运输无人驾驶系统的作业方式

1.1 正常作业方式

1）系统上电自检。在车载电气设备上电之前，需展开如下检查：停车场职员需核查车辆状态与上线运行标准是否相符；调度员需判断露天矿山环境与无人驾驶系统的工作诉求是否相符。当以上2 点符合相关要求时，调度员需指引停车场有关工作者替车辆电器上电，而在上电之后，无人驾驶系统将对车载设备展开全方位自检，即无人驾驶系统将严密检查车辆的基础状态和车载的传感器状态和设备状态，并将自检结果发送至调度员。自检结果不符合相关标准，无人驾驶系统将向调度员发送失败原因，等待其处理故障；自检结果符合相关标准，调度员将依凭无人驾驶系统执行后续作业[1]。

2）发动机远程启动及系统静态测试。发动机远程启动的程序为：调度员在车载电器设备完成自检后，需告知停车场职员撤离无人驾驶车辆，处于安全区。调度员在停车场职员报告已步入安全区后，需发布发动机远程启动命令，启动车辆发动机，同时，无人驾驶系统将展开以评估车辆转向系统、制动系统等底层执行组织功能状态为目的的静态测试。静态测试即无人驾驶系统将向车辆底层执行组织传输一定的控制指令，同时，接收车辆底层执行组织反馈的指令执行情况，并凭借比较执行结果及控制指令，评估车辆执行机构状态是否符合作业诉求[2]。

3）作业任务分配。车辆的基础作业任务包含装载、加油、卸载、发车、排土、收车等，且涵盖作业内容、起始点、结束点和次数等资料。在无人驾驶系统模式下，调度员指定和外部输入是露天矿山分配作业任务的2 种形式：①调度员指定即调度员依凭无人驾驶系统，以手动的办法向车辆指定作业任务；②外部输入即调度员以矿山智能调度系统为媒介[3]，借助无人驾驶系统的外部接口，向车辆传达无人驾驶系统可识别的调度命令。

4）设计参考路线。无人驾驶系统在接受作业任务后将依据最佳路径算法替车辆设计1 条运行参考路线。无人驾驶车辆的具体行程如下：①无人驾驶车辆通过静态测试与上电自检；②以露天矿山的作业现状为依据，选择适宜的作业任务分配方式，将作业任务传达给车辆；③无人驾驶系统替车辆计划从作业起始点到完结点的最佳运行参考路线；④调度员需详细审核参考路线及作业任务信息，确定其正确无误后，指控车辆自启动、驶往目的地[4]。

5）联合装载。无人驾驶系统在车辆到达装载区后，将指控车辆与挖掘机相配合，顺利完成装载。无人驾驶系统给车辆在装载区设有专门的候车区，车辆驶入装载区后，在候车区存在诸多排队车辆、装载区存在作业车辆的状态下，无人驾驶系统将指控车辆排队等待，并以等待车辆队列顺序为依据[5]，以“先进先出”的顺序展开装载；在挖掘机驾驶者的“进车信号”尚未发送、候车区亦不存在排队车辆的状态下，无人驾驶系统将指控车辆进入候车区等候“进车信号”；在挖掘机驾驶者的“进车信号”已发送，并且候车区不存在排队车辆等状态下，无人驾驶系统将直接指控车辆进入装载点，配合挖掘机完成装载作业。

6）自动卸载。无人驾驶系统在卸载区，替车辆设有专门的候车区，在车辆驶入卸载区后，在卸载区存在作业车辆、候车区具有排队车辆的状态下[6]，无人驾驶系统将指控车辆排队等待，且以卸载队列顺序为依据，以“先进先出”的顺序展开卸载作业；在卸载区存在作业车辆、候车区不存在排队车辆的状态下，无人驾驶系统将指控车辆停于候车区，等待作业信号；在卸载区无作业车辆、候车区无排队车辆的状态下，无人驾驶系统将直接指控至卸载区展开自动卸载作业[7]。

7）道路运输。在无人驾驶系统指控下，车辆以计划路线为参考，于矿山运输道路上作业的办法即道路运输形式。在道路运输过程中，无人驾驶系统以指控车辆依运行参考路径行驶为主，道路运输工况涵盖交叉路口、单车道、双车道等形式。①交叉路口工况主要由交叉路口地域及其附近地域构成，交叉路口地域禁止多辆车在同一时间通行，且在已有通行车辆时，该区域杜绝其余车辆通行，交叉路口附近地域是车辆区，其余车辆在无法进入交叉路口地域时[8]，于该地域静候；②单车道工况由单车道地域及其附近地域组成，单车道地域禁止会车，且禁止多辆车在同一时间通行，单车道附近地域即停车区，其余车辆在单车道内车辆对向行驶时，于该地域静候；③基于双车道工况，车辆以行车规则为依据在对应车道内行驶，若无障碍物阻挡等特殊情况，禁止车辆逾越中心线。

8）系统关闭、停车。停车后，调度员将传达关闭发动机的指令给车辆，无人驾驶系统接收指令后，将把控车辆完成指令；调度员将告知停车场相关工作者将车辆电源关闭，程序如下：将车辆钥匙旋转至OFF，关闭发动机电源，关闭蓄电池电源。因露天矿场业务调度、运行时间过长等因素，车辆需回归停车场，在停车时，无人驾驶系统将为车辆分派收车任务、指定停车点，并以此为参考，替车辆设计可参照的运行路线[9]，指控其于停车场指定点停车。

9）加油。无人驾驶系统可充分掌握车辆的油量储备状况，在车辆空载、油量较低的状态下，调度员在接受无人驾驶系统反馈的油量信息后，需将加油任务即时传达至车辆；无人驾驶系统接收加油任务后，将替车辆设计可参照的运行路线，指控其前往加油地；在车辆抵达加油地后，调度员需与加油工作者有序配合，从而顺利完成加油作业；无人驾驶系统在完成加油任务后，将控制车辆回到作业地点，继续完成因加油中断的作业任务。

1.2 降级作业方式

降级作业即无人驾驶系统面临干扰行车安全的故障、异常时采取的作业方式。

1）静态测试及上电自检异常。①转向系统和制动系统的静态测试异常：在静态测试异常状态下，无人驾驶车载设备将传达异常详情给调度员[10]，同时，割断和车辆的通讯接口；②传感器自检异常、车载储存器异常、车载设备无法启动等均属于上电自检异常：在上电自检异常、无人驾驶车载设备已启动的状态下，需传达异常详情给调度员，同时割断车辆与其车载设备的通讯接口。

2）车载传感器及车辆异常。①激光雷达、摄像头、毫米波雷达等均属于车载传感器:传感器数据异常和传感器无信号是传感器异常的主要状态，在传感器异常状态下，无人驾驶系统将指控车辆循计划路线减速到泊车，同时，将故障详情报告给调度员;②车辆异常等同车辆故障，以异常影响力为依据，其主要形式包含停车类异常与警告类异常,停车类异常将阻碍车辆正常作业，在此类故障状态下，无人驾驶系统将指控车辆循计划路线减速到泊车，同时，将故障详情报告给调度员；警告类异常不影响车辆正常作业，在此类故障状态下，无人驾驶系统将把故障详情报告给调度员，同时，指控车辆正常作业。

3）通讯异常。对于无人驾驶系统而言，地面设备与车载设备之间的无线通讯在特定时间内，未完成、未结束信息交互的状况即通讯异常。在通讯异常状态下，无人驾驶系统将指令车辆循计划路线减速到泊车，并指引其停稳后停车制动，地面设备则向调度员传达通讯异常的详情，调度员在接收到信息后，需即时组织救援者前往现场检查、确认，必要状态下，指引救援者驾驶车辆到安全地区。

4）路径偏离异常。车辆行驶路线与计划运行路线的误差值与其设定值相差过大即路径偏离异常。转向系统故障、路况恶劣、无人驾驶车载设备异常等是引发路径偏离异常的主要因素。无人驾驶系统在车辆行驶路径偏离的状态下，将指控其减速到泊车，并指令其在停稳后停车制动，同时，将路径偏离详情实时传达至调度员。此外，调度员凭借远程操控处理系统故障、停车偏离装卸点等状态，诸如：指控车辆的制动压力、车速和转向角等值。远程操控流程如下：选择需要远程操控的车辆，查看其监控视频；凭借远程操控设备将制动压力、车速、转向角等指令传达至车辆，指控车辆运行到预期位置，并于车辆停稳后，指令其停车制动；脱离远程操控模式。

5）环境异常及障碍物。无人驾驶系统依托外部接口，连接环境监测系统，有效获得露天矿山的环境消息。在环境异常状态下，无人驾驶系统会向调度员传达阻碍车辆正常作业的异常详情，调度员可即时采取所有车辆紧急停车、扩大车距、单车紧急停车、降低车辆最高限速、指令车辆回库等策略应对环境异常。在车辆行驶过程中，车载传感器检测到障碍物后，车载系统会实时向地面设备间发送障碍物的尺寸和详细位置。地面设备将依凭矿山地图，掌握障碍物的所在地坐标，并以绕开障碍物为前提，替车辆设计1 条新的运行参考路径，并告知调度员核查路线的可行性。同时，调度员将以最快的速度组织相关工作者清理障碍物，车载设备将以障碍物与车辆的距离为参考，选择紧急制动或常规制动方式，保证车辆于安全范围内停车。

2 无人驾驶系统在露天矿山运输作业的应用

在露天矿山运输作业中，无人驾驶系统可以矿用自卸车的运输、卸载与装载作业为基础，灵活配合挖掘机、电铲、钻机、平路机等机械，凭借无人驾驶技术，从空间和时间上有机融合信息、设备、环境和人，实现无人作业，缩减矿山企业的人力成本、规避因驾驶员错误操作习惯及人为失误引发的运载设备损耗，缩减运载设备的维修次数，节约生产成本；推动运载设备的信息化、智能化与自动化发展，依凭大量的消息传送和智能调度，提升其联合作业质量和运用期限；降低运输作业对人力的依赖，摆脱职员数量对矿山运输作业规模的制约[11]。对于计划产量较固定的企业，无人驾驶系统在露天矿业运输作业中可以提升作业效率为前提，以计划产量为依据，缩减运载设备数量，降低能源消耗和生产成本，提高环境质量。

3 结语

运输作业是开采露天矿山的关键环节，智能化、信息化是露天矿山运输作业转型的关键趋向。在新的工作态势下，必须立足露天矿山运输作业的实际诉求，深度分析露天矿山运输无人驾驶系统的作业方式，调整和优化无人驾驶系统，优化运输作业环境，提高作业的安全度，降低工作者劳动强度；立足行业诉求和运用现状，以各学科知识为参考，坚持优化无人驾驶系统，推动无人驾驶技术的升级，给予露天矿山运输作业专业的技术保障。