矿区无人运输系统总体设计

田臣，丁震，李镇江，高玉，艾云峰，陈龙

（1. 国家能源集团 煤炭运输部，北京 100013；
2. 北京慧拓无限科技有限公司，北京 100083）

国外从20世纪70年代开始研究矿用卡车（以下简称矿卡）无人驾驶技术，我国针对矿卡无人驾驶技术的研究起步较晚[1-2]，近几年，在国家政策的大力支持下，国内矿山智能化取得巨大发展[3-6]。一些代表性科技公司在无人驾驶矿用卡车（以下简称无人矿卡）领域取得一定成果，在部分矿区进行了示范性运营[7]。《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，为无人矿卡及智能化运输系统的研发提供了动力。

随着无人矿卡的使用，传统的人工调度管理模式需要进行改进，以充分发挥无人驾驶技术优势，提升整个矿区的运营效率，保障行驶安全。目前无人矿卡研究多集中在具体控制方法上，如路径跟踪[8]、感知及控制[9]、安全通行辅助决策[10]、线控改造[11]、道路检测[12]等，这些研究成果很好地促进了无人矿卡的实际应用，但还不足以支撑整个矿区运输系统的无人化运营。为此，亟需在推进无人矿卡研究和应用的基础上，建立矿区无人运输系统，以解决传统人工调度模式下采矿作业人员和矿卡相关设备监管难度大、维护成本高等问题，实现对矿卡、挖掘机和推土机等在多场景下的协同控制、自动作业，从根本上保障矿区运输安全，解决劳动力短缺、成本高等问题[13]。

矿区无人运输系统分为云控中心、边缘侧、智能终端3层，如图1所示。

图1 矿区无人运输系统架构Fig. 1 Architecture of unmanned transportation system in mining area

云控中心包括露天矿山无人运输云控调度平台、无人运输仿真系统、远程应急接管系统、健康管理系统。云控调度平台用于统一调度管理，实现无人矿卡与电铲、推土机等的协同自动装载和卸载，以及无人矿卡与各类有人驾驶辅助作业车辆的协同混编作业。无人运输仿真系统根据矿山实时环境模拟不同调度运行方式，形成最优调度方案，指导实际生产，并确保无人矿卡研制和测试安全。远程应急接管系统基于无人矿卡实时监控数据，实现极端危险场景下无人矿卡的远程控制，确保在矿卡自动驾驶系统遇到故障时能够紧急接管车辆。健康管理系统通过安装在无人矿卡终端的相关传感器，实现设备自检、故障诊断、检修结果上报、健康状态评估等功能。

边缘侧包括定位/通信系统和智能路侧系统。定位/通信系统连接云控中心与智能终端，支持4G/5G/Mesh等多种通信方式，可实现V2N（Vehicle to Network，车-网 络）、V2V（Vehicle to Vehicle，车-车）和V2I（Vehicle to Infrastructure，车-基础设施）通信，并可通过多种通信方式实现RTK（Real Time Kinematic，实时动态）差分定位。智能路侧系统可实现盲区监测、动态障碍物检测、落石检测等功能。

智能终端包括矿卡自动驾驶系统和协同作业管理系统。矿卡自动驾驶系统启动运行后，自动接收来自云控调度平台的生产任务，并与电铲、推土机、其他有人车和无人矿卡等协同作业。矿卡自动驾驶系统具备单车智能管理功能，可实现障碍物感知、智能决策、路径规划、高精定位、精准控制、安全监测等功能。协同作业管理系统为安装在有人设备终端的管理系统。各管理系统与地面控制系统交互，通过安装在有人采掘设备、工程设备、辅助生产设备上的软硬件系统，在保证人车安全的情况下协助无人矿卡共同完成作业，保证矿山无人运输作业高效、可靠进行。

2.1 矿卡自动驾驶系统

矿卡自动驾驶系统主要包括线控系统、无人驾驶车载控制系统，如图2所示。

图2 矿卡自动驾驶系统Fig. 2 Autonomous driving system for mining truck

2.1.1 线控系统

无人矿卡线控系统根据实际情况分为前装系统和后装系统，后装系统可以在不影响原车装置、功能的前提下直接控制执行元件。通过线控系统可实现远程和本地整车无人/有人驾驶模式一键切换，无人驾驶车辆遇到紧急情况时，车辆安全员可通过人工介入方式实现对车辆制动及转向的应急接管，确保人工操作为最高优先级。

线控系统包括线控驱动系统、线控发动机系统、线控转向系统、线控制动系统、线控举升系统、线控行车警示系统等。① 线控驱动系统：通过电信号控制车辆的档位、油门、电制动、工作制动、远程启停等功能模块，其中远程启停模块具有远程电源控制功能，可减少长时间停车对车辆电量的消耗。② 线控发动机系统：车载控制器通过电驱动系统下发油门电信号到发动机，实现发动机线控化。③ 线控转向系统：矿卡自动驾驶系统向转向系统发送控制指令，要求转向平稳、无抖动、响应速度快，同时，实时获取车辆转向角度信息。④ 线控制动系统：实现车辆的行车制动、驻车制动等。⑤ 线控举升系统：通过电信号控制卡车厢斗的举升、迫降、锁止、浮动等。⑥ 线控行车警示系统：实现转向灯、制动灯、前大灯、倒车灯、示廓灯、警示灯、喇叭等的控制，通过驾驶模式指示灯显示卡车驾驶模式。

2.1.2 无人驾驶车载控制系统

无人驾驶车载控制系统主要包括主控硬件、感知系统、定位系统等，如图3所示。主控硬件为车载控制器，包括MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）和VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器），采用本地化部署方式。感知系统由激光雷达、毫米波雷达、摄像机等组成。定位系统包括GNSS （Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）、IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）和SLAM（Simultaneous Localization And Mapping，即时定位与地图构建），可实现高精度冗余定位。

图3 无人驾驶车载控制系统Fig. 3 Vehicle control system for Autonomous driving

（1） 主控硬件。车载控制器可配置双Xavier芯片，以满足算力要求。硬件电路设计应遵循故障导向安全原则。通过配置独立的安全监控冗余单元，监测车载控制器工作状态，在车载控制器出现故障时，向线控系统发出安全停车指令。因矿区道路崎岖不平，车体颠簸严重，车载控制器采用金属传导等被动散热方式。车载控制器中所有器件均采用工业级器件。车载控制器与其他设备的连接采用汽车连接器、航空插头等标准连接器，确保连接的可靠性和稳固性。

（2） 感知系统。矿山环境恶劣、路况复杂，存在道路边沿模糊、路面起伏、积水反光等问题。因此，利用激光雷达、毫米波雷达等传感器进行环境感知[9]。经过数据预处理、标定与同步、激光点云信息特征提取、多传感器数据融合等，实现动态障碍物、静态障碍物检测及目标识别、防碰撞预警等功能。感知系统应能稳定运行在极寒、高浓度粉尘等极端环境下。同时，应充分考虑传感器、主控单元及网络设备等的电磁兼容性，防止设备间的电磁干扰。

（3） 定位系统。针对单一定位方案信号易被遮挡等问题，采用GNSS和IMU构成组合导航系统，提供无人矿卡的位置、速度、航向、加速度等姿态信息，为感知和控制提供精准的定位信息。组合导航系统使用RTK技术实现车身厘米级定位，可支持GPS（Global Positioning System，全球定位系统）和北斗导航信号。

无人驾驶车载控制系统软件根据接收到的作业任务、行驶路径、感知结果和自身定位进行行为决策、运动规划和车辆控制。

2.2 云控调度平台

云控调度平台基于B/S结构，采用分层的软件架构思想设计，由基础设施层、平台支撑层、基础服务层和应用层组成，如图4所示。基础设施层包括平台运行所需要的网络、计算机、存储设备等基础资源；
平台支撑层由服务器、数据库及消息中间件组成；
基础服务层提供数据推送、数据分发、信息流转、信息查询、规划计算、作业调度、交通控制、空间地图和接口等服务；
应用层为综合调度指挥人员、地图编辑处理人员、监控应急接管人员和软件技术支持人员提供具体应用服务。

云控调度平台遵循可扩展原则和开放性原则，具备良好的兼容能力和升级迭代能力，满足无人矿卡多编组作业要求[14-15]。

2.3 远程应急接管系统

远程应急接管是保障人员和车辆安全的重要措施。远程应急接管系统独立于矿卡自动驾驶系统，实现双控双驾、一键接管功能。系统具备主动接管和被动接管2种应急接管方式。主动接管是指当生产指挥中心调度员（远程安全员）通过监控发现车辆异常时，通过一键接管按钮主动接管车辆。被动接管是指当矿卡自动驾驶系统发现GPS信号丢失、传感器故障等情况时，申请远程接管，同时发出提醒，生产指挥中心调度员通过一键接管按钮接管车辆。

2.4 无人运输仿真系统

无人运输仿真系统采用自上而下、整体与局部相结合的方式设计。按照1∶1的比例搭建真实矿区三维模型，通过采集实车数据搭建矿卡动力学模型，并对矿卡搭载的各类传感器进行建模。无人运输仿真系统由机群管理服务器、矿卡自动驾驶控制器、挖掘机协同作业控制器和虚拟仿真系统组成，如图5所示。机群管理服务器运行机群软件，提供作业管理、设备监测管理和地图管理等服务；
矿卡自动驾驶控制器用于运行无人矿卡作业管理系统，模拟自动驾驶功能；
挖掘机协同作业控制器用于运行挖掘机作业管理系统，模拟挖掘机辅助系统功能。利用无人运输仿真系统，既可进行单一矿卡无人驾驶功能测试，也可对矿区内所有矿卡的智能调度、作业管理进行系统性测试，从而加速露天矿山无人运输技术方案的落地，并保障测试安全。

图5 无人运输仿真系统架构Fig. 5 Architecture of unmanned transportation simulation system

2.5 健康管理系统

健康管理系统独立于自动驾驶系统外，周期性地获取感知、定位等系统及整车的健康状态，按照紧急程度进行安全事件分级和安全决策。健康管理系统功能主要包括车辆自检、故障诊断、检修结果上报、健康状态评估、数据存储与查询等。健康管理系统可接入第三方提供的车辆健康相关数据或服务，并通过手持终端在检修现场实时调取历史故障、当前故障等信息。

2.6 协同作业管理系统

协同作业管理系统安装部署在有人采掘设备、工程设备、辅助生产设备上，用于保证人车安全，协助无人矿卡作业。目前协同作业管理系统主要包括采掘设备辅助作业系统、工程设备辅助作业系统、辅助生产设备管理系统，各子系统均通过GNSS定位获取设备位置信息，并通过传输层与云控中心通信，完成信息交互和协同作业。协同作业管理系统架构如图6所示。

图6 协同作业管理系统架构Fig. 6 Architecture of collaborative operation management system

开始无人驾驶作业前，云控调度平台通过调度管理提前指派采煤设备到对应的装载区进行采煤作业，指派工程设备到卸载区进行清理作业，方便协同无人矿卡顺利进行装卸载作业。采煤设备根据采掘设备辅助作业系统的指引，设置无人矿卡需停靠的位置，并发送给云控调度平台，云控调度平台在无人矿卡运行后下发给矿卡自动驾驶系统。

云控调度平台绑定点检系统与待检的无人矿卡，指派点检人员对车辆进行点检，点检成功后，无人矿卡开始发车。矿卡自动驾驶系统根据云控调度平台下发的调度任务、全局路径规划控制无人矿卡行驶。在无人矿卡行驶过程中，车上安全员可使用点检系统随时记录无人矿卡出现的问题。

无人矿卡行驶到装载区时，矿卡自动驾驶系统与采掘设备辅助作业系统进行协同作业交互，实现无人矿卡的入场、装载、出场。无人矿卡行驶到卸载区时，矿卡自动驾驶系统与云控调度平台、工程设备辅助作业系统进行信息交互，完成无人矿卡的入场、卸载、出场。卸载完成后，云控调度平台根据矿卡自动驾驶系统上报的卸载点情况，指派工程设备进行清理服务。

在车辆运行过程中，各系统通过V2V通信传输位置、速度信息，同时通过V2N将这些信息上传到云控调度平台，实现各系统车辆监控及碰撞预警。此外，云控调度平台发现矿卡自动驾驶系统上报的油量过少、道路不平等信息时，可以通过辅助生产设备管理系统指派相关车辆进行加油、压路等服务。

2.7 定位/通信系统

定位/通信系统实现车辆-道路-中心的实时通信连接。为解决煤矿生产作业区域的通信信号覆盖问题，需要针对特征地形合理构建网络，并快速跟进生产作业进度，保证不间断生产。定位/通信系统应能支持V2N，V2V，V2I通信[16-17]。

（1） V2N 通信实现无人矿卡与云控调度平台间的信息交互。无人矿卡从云控调度平台实时接收调度任务和路径、路权分配等信息，并向云控调度平台发送自身位置、速度、状态等信息。

（2） V2V 通信实现一定距离范围内无人矿卡与无人矿卡、无人矿卡与辅助作业设备、无人矿卡与生产指挥辅助终端之间的直连通信。所有车端设备都主动向周边设备广播自身的位置、速度、状态、障碍物等信息，为行车提供防碰撞提醒。

（3） V2I通信主要通过路侧单元实现。路侧单元包含感知设备、数据处理设备、监控设备、通信设备和移动电源。V2I通信为无人矿卡与云控调度平台提供辅助感知信息，将监控区域视频信息实时上传云控调度平台并发送给周围其他车辆。在作业区域路口或车流量较大区域，应安装路侧单元，实现对交通流量、突发事件、交叉口信息、道路异物侵入等信息的识别。

设计了矿区无人运输系统总体框架，并给出了各子系统设计方案。矿区无人运输系统主要包括矿卡自动驾驶系统、露天矿山无人运输云控调度平台、远程应急接管系统、无人运输仿真系统、健康管理系统、协同作业管理系统和定位/通信系统，实现了无人矿卡自动驾驶、无人矿卡与相关设备的协同作业及智能化调度管理等功能。未来需重点突破无人驾驶核心技术难点，进一步降低5G通信网络建设成本，使得矿区无人运输系统具有更高的运行效率和更好的适用性。