杨孝新，郭浩宇，杨志勇
（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）
随着我国的经济模式转向高质量发展，煤炭行业的绿色发展转型已成必由之路。现阶段，5G、大数据、人工智能等新一代信息技术与矿山企业的融合逐步走向深水区，矿山生产模式不断发生变化，而矿山智能化建设已成为当前矿业高质量发展的新趋势。作为智慧矿山建设的重要组成部分，矿区无人驾驶技术日趋成熟，不仅大大提高了矿区生产作业效率，降低了矿区运营管理成本，还进一步增强了矿区智能化水平，促进矿业安全、高效、绿色发展。
1.1 国外露天矿无人驾驶技术发展现状
国外发达矿业国家自20 世纪90 年代就已开展矿山自动化、智能化研究，目前发达国家的露天矿卡车无人驾驶技术和系统已广泛投入实际应用。2013年，澳大利亚FMG（Fortescue Metals Group）在索罗门铁矿区（Solomon Hub）运行卡特“矿山之星”（Mine Star）系统，实现了卡车无人驾驶和矿山车辆管理、生产现场管理、安全避让、设备诊断、调度协同指挥等功能，大幅减少了现场人员，使矿区的卡车运行效率提高了20%以上。巴西淡水河谷公司利用计算机系统、全球定位系统、雷达和人工智能技术，实现卡车在开采区、卸料区之间的自动高效往返运输，截止目前已在布鲁库图矿区运输超过1 亿t 矿石，累计行驶180 万km，从未发生过1 起因自动驾驶卡车导致的安全事故。
1.2 国内露天矿无人驾驶技术发展现状
国内矿用卡车无人驾驶技术起步较晚，近年来通过积极储备人才、技术资源，高起点建设网络基础设施，矿山无人驾驶卡车的技术才有了较快发展。目前国内各大露天煤矿均在探索矿卡无人驾驶技术，主要基于现有采运设备进行改造，实现少量矿山卡车无人化运行，尚未完全实现露天矿生产现场无人化采掘、运输、排土[1-3]。国家能源集团准东露天煤矿2020年投入1 台挖掘机、6 辆矿车进行了“5G＋无人驾驶”现场试验，目前已累计运行17.4 万km。黑岱沟露天煤矿完成了国内首台载重290 t 930E 无人驾驶矿用卡车改造，实现了10 台930E 电动轮自卸无人驾驶矿用卡车在坑下混编作业连续运行。
1）总体结构。矿山无人驾驶系统融合了计算机技术、通讯技术、高精度定位技术、传感器技术以及车辆控制技术等，系统整体架构自上而下分为云计算及服务层、边缘计算与通信层、车端计算及执行层。系统主要由云端调度指挥平台、车载无人驾驶系统、5G＋4G 通信系统、人机协同系统等构成[4-6]。
2）云端调度指挥平台。云端调度指挥平台主要负责无人驾驶系统的车辆状态监控、生产任务调度、车队管理、矿山数字地图显示、遥控驾驶、全局路径规划、数据存储及统计分析等，是实现作业管理与监控的主体，是矿山运输无人驾驶的综合调度指挥系统，相当于中枢和大脑。
3）车载无人驾驶系统。车载无人驾驶系统主要由高精度定位设备、高灵敏度传感器、V2X 模块、超算平台、高可靠性线控底盘等构成。通过多模式卫星导航、4G/5G 基站通信以及路测感知设备等实现车辆位置实时精准定位、车体周边运行环境动态显示、信息数据接收与上传、运行轨迹规划等功能，实现无人驾驶自卸车自主装车、运输、排土等作业活动。
4）通信系统。通信系统主要采用“5G＋4G”混合通信网络，通过在运输车辆上安装5G＋LTE－V 的车载单元OBU，使车辆实现V2N（车和平台）、V2V（车和车）、V2I（车和基础设施）通信对话功能。其中，V2V 功能可实现对车辆周边200 m 范围的感知，能够在高频段、高车流量的环境下提供可靠的通信能力，并且在大容量、低时延、抗干扰性以及可管理性等方面更为成熟稳定。
5）人机协同系统。人机协同系统具备高精度定位、信息交互、任务引导等功能[7-8]。在调度平台统一指挥下，通过5G/V2X 无线通信网络，实现采装设备、无人驾驶卡车、辅助生产设备之间的协同作业。
3.1 新疆天池能源南露天煤矿概况
新疆天池能源南露天煤矿位于新疆准东煤田大井矿区西部，核准生产能力为30.0 Mt/a，面积45.84 km2，开采标高由610 m 至325 m 标高，煤层平均厚度76.84 m，属于巨厚倾斜煤层，首采区煤层倾角为6°～19°。运营模式为“自营＋承包”兼有模式，其中采煤工程采用自营模式，设有1 支采煤队，剥离、爆破工程采用承包模式，设有2 支剥离队、2 支爆破队。剥离工艺为“单斗－卡车”间断式工艺，采煤工艺为“单斗－卡车－半移动式破碎站－带式输送机”半连续工艺。
3.2 无人驾驶建设方案
新疆天池能源南露天煤矿于2019 年开始筹备露天矿现场无人驾驶宽体自卸车运营示范项目，其中矿方主要为无人驾驶示范规划独立封闭的作业区域、运输系统、停车场、供电线路、5G 无线通信网络，合作单位负责无人驾驶系统的搭建和整个系统运行。2020 年投入了6 辆无人驾驶宽体自卸车、1 台卡特349 挖掘机进行试运行，主要开展单编组单班作业。2021 年新增6 台无人驾驶宽体自卸卡车、1 台卡特349 挖掘机，并先于5 月开展单编组双班作业，6月开始进行双编组双班作业。无人驾驶宽体自卸车采用同力TLI65 型号，标准斗容为25 m3，额定载重为40 t，车轮直径为1 304 mm，最高车速为40 km/h。无人驾驶自卸车的剥离区间设置在采场东侧一标段地表～595、595～580 平盘，工程量约为150 万m3；
运输路线为“一标595～580 平盘→4 号出入沟→4 号坡道～沿帮排土场610 平盘→沿帮排土场630 平盘→沿帮排土场650 平盘”；
排土区间为沿帮排土场650 平盘；
停车场设置在沿帮排土场650 平盘排弃区间西侧。无人驾驶车辆运行期间采用封闭式管理，将北帮联络路、一标地表区域、沿帮排土场610、630、650 平盘进行封闭。
3.3 无人驾驶作业流程
1）采装。在调度指挥平台的统一规划下，搭载感知、定位设备的无人驾驶宽体自卸车，沿实时规划路径，自主进入装载区，有序待装。车辆待装过程中，挖机标定装载位，车辆自动驶入装载位，装载完成后车辆根据平台指令驶出装载区。
2）运输。无人驾驶自卸车重载离场后，根据平台下发的实时轨迹，驶向排土场。沿途自主实现爬坡、过弯、绕障等动作，规划进入排土场。
3）排土。无人驾驶自卸车驶入排土场后，调度指挥平台根据卸载车辆排队情况、排土线作业实况为待卸载车辆指定排土位置，并提供排土位置引导路线；
进入排土位后，自卸车自主开展停车、举厢、落厢、车态调整等卸载操作。
3.4 现场应用效果
截止2021 年12 月，南露天煤矿无人驾驶示范项目已投入2 台挖掘机和12 辆无人驾驶宽体自卸车，累计完成剥离工程量约106 万m3，运行里程超过15.7 万km。
根据露天煤矿实际工况，成功研发出混合调度算法，实现单作业平台到多作业平台多编组混合调度。2021 年6 月份率先在全国范围内首次实现双编组双班全流程自动作业，并稳定运行6 个月以上，日生产量约为3 900 m3，生产效率比单编组运行高出10%以上。完成了6 辆无人驾驶自卸车改制。通过加装车辆线控执行器安全冗余部件、安设胎温胎压传感器、更换宽温版本激光雷达、增设后向激光雷达、车载计算平台升级，进一步提高无人驾驶自卸车的运行效率、可靠性及环境适应能力。
3.5 存在问题
1）双编组运行模式在作业流程方面不足以验证多编组作业时无人驾驶系统的生产衔接性、流畅性，如铲位排布、坡道形成、坡道拆除、多车连续排队同时排土、加油、出车点检、维修保养等。
2）无线通信信号受采矿作业现场地形变化影响较大。露天煤矿现场作业区的地形变化较为频繁，随着采剥工作面推进深入和排土区域抬升，现有5G 无线网络无法满足地形变化后覆盖需求，时常出现通信盲区。
3）无人驾驶作业对采矿计划的衔接性更严格。当工作面推进至当前生产计划边界后，如果新的采剥计划衔接不及时，会对无人驾驶拉沟作业、移铲作业产生影响。
4）无人驾驶系统运行过程中存在局部区域作业环节不连续情况。例如进入装载位倒车不到位、装载区内入换折返频繁等，影响整体作业效率。
3.6 后期建设计划
1）提高矿区5G 通讯网络建设质量。根据露天煤矿无人驾驶系统运行情况，逐步改善矿区网络通讯状况，定期对基站设备进行巡检维护，一旦发现信息薄弱或者盲区，立即进行整改完善。充分利用5G网络实现调度控制指令低时延收发、大容量感知数据等功能。
2）提升无人驾驶平台的安全防护和应急处理能力。露天煤矿无人驾驶系统安全防护包括信息安全和功能安全，信息安全可通过建设安全态势感知系统，利用5G 技术保障平台安全、数据传输正常；
功能安全通过现场测试和实际运行情况，不断改进和优化平台数据算法，提高终端安全防护和平台应急处理能力。
3）建立矿区无人驾驶运行管理制度体系。无人驾驶系统的运行需要依靠制度的规范管理，露天煤矿目前的无人驾驶管理类制度和办法还不够完善，需要进一步结合现场运行实际情况进行修订、完善。
4）提高无人驾驶自卸车的容错、感知以及故障修复能力。在生产作业过程中，粉尘较大会引起雷达、超声波传感器的误报，造成错误警告或引起系统功能故障，加强车端的感知、容错和故障处理能力；
持续推进无人驾驶自卸车故障诊断系统的开发与优化，实现对无人驾驶车辆软、硬件系统故障的实时监测、预警。
5）加快露天煤矿无人驾驶多编组双班运行。目前露天煤矿无人驾驶宽体自卸车双编组运行已相对稳定，后期将重点开展无人驾驶四编组双班运行（即4 台挖掘机、24 台无人驾驶自卸车），实现调度指挥平台多编组动态调度，提升多编组作业生产效率，进一步验证无人驾驶平台现场通信能力、平台调度及计算能力、感知识别能力、多设备协同作业能力、基础数据库的吞吐能力等。
6）推进驾驶舱去辅助驾驶员环节。通过研发高精度远程遥控驾驶系统，实现在室内实时监控车辆运行状态和远程操控车辆作业，直至实现真正意义上的无人驾驶。
新疆天池能源南露天煤矿通过引入无人驾驶技术，探索了无人驾驶的发展路径和合作模式，开展了现场工程实践和理论分析研究，发展和完善了露天煤矿无人驾驶技术理论及应用，逐步构建符合露天煤矿自身生产实际的无人化生产管理模式，为后期智慧矿山建设起到了重要和关键的推动作用。
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