★青岛慧拓智能机器有限公司

1   目标和概述

矿山工作环境恶劣，交通事故发生率较高，疲劳驾驶现象普遍，发达国家追求零死亡率，安全问题是矿山行业关注的重要指标。矿山因矿区封闭环境、矿山道路崎岖、开采环境恶劣，再加上驾驶员容易疲劳及误操作而引发事故，存在极大的安全隐患，无人化已经是刚性需求，其无人化落地条件优良且实施过程中无政策法规阻力；机械无人化能减少人为操作引发的事故，提高矿山作业的安全性，对有岩爆危险的深井矿山等特殊开采条件的矿山具有更突出的意义。另一方面，机械无人化能够提高设备的使用效率，减少人为误操作以及极端天气的影响，降低劳动成本，增加能源产量，提高生产率；同时，矿卡无人化可减少轮胎磨损，延长电机等部件的寿命，节约保养成本。

因而矿区开采和运输业未来一定是智能化、无人化。国外矿区无人驾驶发展迅速，呈现出矿用工程机械巨头为主，智能驾驶科技公司为辅的格局。而中国矿区无人驾驶研究起步较晚，从国家角度层面来看，矿业资源是国家应对全球贸易战的“一张王牌其相关数据和模型，均属于国家机密。由于矿业幵采行业的特殊性以及国外无人驾驶方案并不适合中国市场，慧拓公司打造了国内领先的智慧矿山工业互联网平台，建设了具有全球竞争力的无人化矿山，对中国乃至世界矿山可持续发展起到了引领和示范作用。

“愚公YUGONG”无人矿山整体解决方案属于关键领域补短板，产业链补链强链项目，拥有完全自主知识产权，可填补国内这一领域的空白，突破国外技术封锁，具备成果转化和广阔的产业化示范前景，慧拓依靠无人驾驶创立品牌，通过过硬的技术巩固品牌，先后承担了徐工、三一集团、中煤集团、中煤能源集团、江铜集团、大唐发电集团、神华、中金集团、航天重工等三十几个头部企业的订单。将极大保障矿山的安全和高效生产，有力推进我国传统矿山行业的产业升级。

(1)提出平行智能矿山解决方案：以平行驾驶理论为依托，针对矿区存在的安全、成本、效率、环保等问题，将一个管理难、控制难、预测难的矿山复杂巨系统以功能为单位划分，依次通过对各子系统的描述、预测、引导，实现矿山的优化管理。

(2)矿区环境感知技术：自主研发的多传感器融合技术可有效排除矿区烟尘干扰，实现非结构化道路、障碍物、凹坑等目标检测；三重保障的定位技术可有效解决深度矿区定位信号差的难题。

(3)大型设备无人化控制：研发了针对大型矿卡的速度控制方法，保证矿卡控制的平稳和准确；拥有自主知识产权的转向控制方法可有效保证矿卡控制的准确性、鲁棒性和实时性。

(4)矿区设备智能调度：幵发机群管理与智能调度系统，保证无人设备的高效行驶，提高设备运行的安全性，降低运营成本，并可对设备进行预测性维护。

(5)应急接管：通过配备远程接管系统，确保在发生故障或紧急情况下的设备安全，同时将接管的车辆靠边停车，保证整个无人矿山运输不发生中断。

(6)仿真测试技术：幵发无人矿卡专用仿真系统，可实现各种极端工况下无人驾驶算法的有效验证，确保测试的安全性，同时大幅提高测试效率、降低测试成本。

2   方案详细介绍

“愚公YUGONG”无人矿山整体解决方案以云端智能调度与管理系统、矿车无人驾驶系统、挖机协同作业管理系统、无人运输仿真系统、远程驾驶系统和V2X车路协同感知系统等为基础，如图1所示。突破了矿区复杂高动态场景的实时仿真建模、虚实互动的平行感知与快速建图、无人矿卡群平行规划与调度等关键技术。实现了虚实无人矿卡单车智能群体共享、任务驱动的自适应编组、场景驱动的平行规划与调度预案自主生成与优化，攻克了大规模多任务矿卡群调度决策过程效率低、动态协同规划难度大、全场景物理实验周期长的问题，大幅度提升应用验证与项目落地，在虚实互动的无人矿山运输系统7X24小时不间断仿真中，促使项目落地时间、研发效率和运营的无人驾驶矿用卡车辆数等真实数据都优于美国卡特彼勒和日本小松等世界头号工程机械制造商。

图1“愚公YUGONG”无人矿山整体解决方案基础架构

2.1 云端智能调度与管理系统

云端智能调度与管理系统将无人矿卡、电铲、推土机及其他辅助作业车辆等全部纳入，是整个矿山作业系统的控制中心、数据中心和决策中心，是“统领智慧矿区无人化作业的云端大脑”。它具备出色的分析、决策、协调能力，持续、稳定地保证全面落实矿区安全生产作业计划，运筹帷幄于指挥中心，决胜于无人矿山生产方方面面。可在云端完成整个矿山业务链的全面监控，按照任务需求对系统内的车队、设备、人员进行管理与调度，从而实现矿山作业的无人化，提高作业安全和生产效率。如图2所示。

图2 云端智能调度与管理系统架构图

2.2 矿用卡车无人驾驶系统

矿车无人驾驶系统具备高度单车自动驾驶能力，能够感知环境与障碍物信息，做出单车范围内的决策命令，实现自动驾驶、自主避障、协同装载、智能跟车、自动卸载等功能，而且可以通过4G/5G/V2X等多种方式，在云端智能调度与管理系统指挥下，实现与挖机、电铲、推土机等各种装载和辅助设备的协同作业，实现露天矿山典型的“装-运-卸”作业流程，极大促进露天矿山的生产安全，提高生产效率，降低生产成本，提升矿山企业柔性产能管理能力。如图3所

示。

图3 矿车无人驾驶系统架构图

2.3 挖机协同作业管理系统

挖机协同作业管理系统是安装在挖机、推土机等作业设备上的终端系统，结合中心端的作业指令， 使无人矿车和装载设备无间协作。主要负责对排土场区域无人矿车作业流程进行协同管理，以使无人矿车与挖掘机、推土机之间能够相互协同，高效、准确、安全地完成入场、卸载与离场等作业任务。可实现装载设备与无人矿车系统的协同作业，为其规划任务路径，引导其入场就位，装载完成后引导无人矿卡离场，大大提高作业效率。如图4所示。

图4挖机协同作业管理系统架构图

2.4 无人矿卡仿真系统

无人矿卡运输仿真系统是通过建立车辆动力学系统数学模型、可视化界面、规划与控制算法开发，构建虚拟矿区环境、车辆、传感器等模型。搭建的仿真测试系统可实现对无人矿山系统相关的仿真，经过反复迭代测试，对相关算法和系统进行不断改进和完善，无人矿卡所需的算法程序可通过仿真平台快速生成；在仿真测试的同时，进行矿区测试场地和相关设施的搭建，在仿真测试通过后，进行真实矿山无人设备的测试，重点对软硬件系统的稳定性、传感器可靠性、算法性能、设备可靠性进行测试。通过搭载实车自动驾驶控制器和智能化调度平台，快速实现对整体矿区无人化各个系统的各项功能验证，提高系统开发效率。

2.5 远程驾驶与应急接管系统

通过自主研发的视频编解码技术、组网技术和智能控制算法实现了视频和控制信号的高可靠和低延时，解决了远程驾驶中实时、稳定和安全的核心技术问题。远程驾驶与应急接管作为无人驾驶系统的安全冗余设计，确保了远程监控中心能够实时监控车辆的运行状态和车辆周围的实时影像，当无人驾驶系统出现故障或遇到无法处理的工况时，通过应急接管来保证无人车的安全运行。系统主要研究内容包含高实时视频编解码技术、车辆全状态临场感技术、应急接管系统安全冗余技术和沉浸式远程驾驶技术。如图5所示。

图5远程驾驶与应急接管系统架构图

2.6 V2X车路协同感知系统

V2X车路协同感知系统面向超视距感知、道路预警等应用场景。慧拓自主研发了多源异构传感数据融合感知技术、自动化协同定位、时空同步等技术，在普通嵌入式计算平台即可实时获取矿车、挖掘机、行人、社会车辆、辅助作业车辆等交通目标的3D位姿、预测的轨迹，并将感知信息通过5G/V2X技术与自动驾驶车端、云端、远程驾驶端等共享，完成全时空高动态道路信息采集和融合。

数据通信系统以高稳定性、广兼容性、多冗余性为设计原则，满足露天煤矿无人运输作业系统的通信需求，既可以充分利用矿山已有通讯网络，也可以兼容未来建设的5G网络，实现无人驾驶作业区内车辆与控制中心之间的实时通信、无人驾驶车辆之间的互相通信、无人驾驶车辆与辅助驾驶车辆之间的通信以及无人驾驶车辆与路侧各系统的通信，保证传输可靠、抗干扰性强。数据通信系统支持无人矿卡与控制中心的V2N无线通信，以及矿卡与矿卡、矿卡与辅助作业设备间的V2V无线通信。通讯系统满足网络接入时间短、传输时延低、传输可靠性高、抗干扰性能力强、信息安全性高等要求。

随着车联网技术和应用的快速发展，跨领域、跨部门、跨行业数据共享应用越来越广泛。与此同时，数据安全问题已经成为影响数据应用与共享快速发展的瓶颈。车联网作为新时代的产物，其交互环境、交互形式和交互类型更为复杂，在数据合规的时代背景和加快推动车联网产业快速发展的形势下，如何满足国内外数据安全相关法律法规，保障数据合规使用和安全可控，是车联网面临的主要矛盾。“愚公YUGONG”无人矿山整体解决方案结合自身数据特点，从数据安全监管溯源的角度构建数据安全风险监测溯源与综合管理平台，并实现车联网在矿山领域的典型应用，有效保障矿山行业的健康发展。通过车联网身份认证和安全信任相关系统的建设，引入CA系统、RA系统等，在车机端SDK中预置安全通讯模块，确保车机端和云端的身份校验、证书的有效校验、失效销毁等。在加密算法上支持对称加密算法，也支持非对称加密算法，以应对不同场景对加密算法的不同需求；对于车机端采集的用于高精地图更新的数据以及从云端下发到车机端的数据都会提供强有力的安全防护。

3代表性及推广价值

“愚公YUGONG”无人矿山整体解决方案已成功应用于内蒙、青海、安徽等地，服务于国家能源集团、华能集团、大唐集团、中国宝武集团、中煤集团等30余个国家级大型露天矿区（涵盖煤炭、钢铁、有色和水泥行业），起到良好的应用示范和推广作用；目前，搭载平行驾驶系统的矿车200台，完成实际商业化运营里程累计近500万公里：以“现场少人、无人，远程有人”方式保障矿山生产安全“零伤亡”；以“虚拟指导实际”驾驶运输方式，极大地降低了设备磨损率，设备使用周期延长30%。成果突破性应用在世界煤矿的第一个极寒环境、5G网络下大型矿用自卸车无人驾驶改造并编组运行项目，已按预定要求完成各项改造工作，通过静态调试、封闭场地动态调试、模拟场地调试及作业场地运行试验，各项性能达到了在安全规范条件下的无人驾驶安全运行要求。已具备了10台220吨电动轮矿用自卸车无人驾驶车辆与挖掘机、遥控推土机、洒水车、平路机、指挥车等作业设备平行运行能力，形成了一套完整的露天矿无人运输作业系统及国家能源集团创建首个智能化露天煤矿的技术基础，并通过工业化验收。

摘自《自动化博览》2022年第三期