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★青島慧拓智能機(jī)器有限公司

1   目標(biāo)和概述

礦山工作環(huán)境惡劣，交通事故發(fā)生率較高，疲勞駕駛現(xiàn)象普遍，發(fā)達(dá)國家追求零死亡率，安全問題是礦山行業(yè)關(guān)注的重要指標(biāo)。礦山因礦區(qū)封閉環(huán)境、礦山道路崎嶇、開采環(huán)境惡劣，再加上駕駛員容易疲勞及誤操作而引發(fā)事故，存在極大的安全隱患，無人化已經(jīng)是剛性需求，其無人化落地條件優(yōu)良且實(shí)施過程中無政策法規(guī)阻力；機(jī)械無人化能減少人為操作引發(fā)的事故，提高礦山作業(yè)的安全性，對(duì)有巖爆危險(xiǎn)的深井礦山等特殊開采條件的礦山具有更突出的意義。另一方面，機(jī)械無人化能夠提高設(shè)備的使用效率，減少人為誤操作以及極端天氣的影響，降低勞動(dòng)成本，增加能源產(chǎn)量，提高生產(chǎn)率；同時(shí)，礦卡無人化可減少輪胎磨損，延長(zhǎng)電機(jī)等部件的壽命，節(jié)約保養(yǎng)成本。

因而礦區(qū)開采和運(yùn)輸業(yè)未來一定是智能化、無人化。國外礦區(qū)無人駕駛發(fā)展迅速，呈現(xiàn)出礦用工程機(jī)械巨頭為主，智能駕駛科技公司為輔的格局。而中國礦區(qū)無人駕駛研究起步較晚，從國家角度層面來看，礦業(yè)資源是國家應(yīng)對(duì)全球貿(mào)易戰(zhàn)的“一張王牌其相關(guān)數(shù)據(jù)和模型，均屬于國家機(jī)密。由于礦業(yè)幵采行業(yè)的特殊性以及國外無人駕駛方案并不適合中國市場(chǎng)，慧拓公司打造了國內(nèi)領(lǐng)先的智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，建設(shè)了具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的無人化礦山，對(duì)中國乃至世界礦山可持續(xù)發(fā)展起到了引領(lǐng)和示范作用。

“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案屬于關(guān)鍵領(lǐng)域補(bǔ)短板，產(chǎn)業(yè)鏈補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈項(xiàng)目，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可填補(bǔ)國內(nèi)這一領(lǐng)域的空白，突破國外技術(shù)封鎖，具備成果轉(zhuǎn)化和廣闊的產(chǎn)業(yè)化示范前景，慧拓依靠無人駕駛創(chuàng)立品牌，通過過硬的技術(shù)鞏固品牌，先后承擔(dān)了徐工、三一集團(tuán)、中煤集團(tuán)、中煤能源集團(tuán)、江銅集團(tuán)、大唐發(fā)電集團(tuán)、神華、中金集團(tuán)、航天重工等三十幾個(gè)頭部企業(yè)的訂單。將極大保障礦山的安全和高效生產(chǎn)，有力推進(jìn)我國傳統(tǒng)礦山行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

(1)提出平行智能礦山解決方案：以平行駕駛理論為依托，針對(duì)礦區(qū)存在的安全、成本、效率、環(huán)保等問題，將一個(gè)管理難、控制難、預(yù)測(cè)難的礦山復(fù)雜巨系統(tǒng)以功能為單位劃分，依次通過對(duì)各子系統(tǒng)的描述、預(yù)測(cè)、引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)礦山的優(yōu)化管理。

(2)礦區(qū)環(huán)境感知技術(shù)：自主研發(fā)的多傳感器融合技術(shù)可有效排除礦區(qū)煙塵干擾，實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化道路、障礙物、凹坑等目標(biāo)檢測(cè)；三重保障的定位技術(shù)可有效解決深度礦區(qū)定位信號(hào)差的難題。

(3)大型設(shè)備無人化控制：研發(fā)了針對(duì)大型礦卡的速度控制方法，保證礦卡控制的平穩(wěn)和準(zhǔn)確；擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)向控制方法可有效保證礦卡控制的準(zhǔn)確性、魯棒性和實(shí)時(shí)性。

(4)礦區(qū)設(shè)備智能調(diào)度：幵發(fā)機(jī)群管理與智能調(diào)度系統(tǒng)，保證無人設(shè)備的高效行駛，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，降低運(yùn)營(yíng)成本，并可對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。

(5)應(yīng)急接管：通過配備遠(yuǎn)程接管系統(tǒng)，確保在發(fā)生故障或緊急情況下的設(shè)備安全，同時(shí)將接管的車輛靠邊停車，保證整個(gè)無人礦山運(yùn)輸不發(fā)生中斷。

(6)仿真測(cè)試技術(shù)：幵發(fā)無人礦卡專用仿真系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各種極端工況下無人駕駛算法的有效驗(yàn)證，確保測(cè)試的安全性，同時(shí)大幅提高測(cè)試效率、降低測(cè)試成本。

2   方案詳細(xì)介紹

“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案以云端智能調(diào)度與管理系統(tǒng)、礦車無人駕駛系統(tǒng)、挖機(jī)協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)、無人運(yùn)輸仿真系統(tǒng)、遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng)和V2X車路協(xié)同感知系統(tǒng)等為基礎(chǔ)，如圖1所示。突破了礦區(qū)復(fù)雜高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)仿真建模、虛實(shí)互動(dòng)的平行感知與快速建圖、無人礦卡群平行規(guī)劃與調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)無人礦卡單車智能群體共享、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)編組、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的平行規(guī)劃與調(diào)度預(yù)案自主生成與優(yōu)化，攻克了大規(guī)模多任務(wù)礦卡群調(diào)度決策過程效率低、動(dòng)態(tài)協(xié)同規(guī)劃難度大、全場(chǎng)景物理實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)的問題，大幅度提升應(yīng)用驗(yàn)證與項(xiàng)目落地，在虛實(shí)互動(dòng)的無人礦山運(yùn)輸系統(tǒng)7X24小時(shí)不間斷仿真中，促使項(xiàng)目落地時(shí)間、研發(fā)效率和運(yùn)營(yíng)的無人駕駛礦用卡車輛數(shù)等真實(shí)數(shù)據(jù)都優(yōu)于美國卡特彼勒和日本小松等世界頭號(hào)工程機(jī)械制造商。

圖1“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案基礎(chǔ)架構(gòu)

2.1 云端智能調(diào)度與管理系統(tǒng)

云端智能調(diào)度與管理系統(tǒng)將無人礦卡、電鏟、推土機(jī)及其他輔助作業(yè)車輛等全部納入，是整個(gè)礦山作業(yè)系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)中心和決策中心，是“統(tǒng)領(lǐng)智慧礦區(qū)無人化作業(yè)的云端大腦”。它具備出色的分析、決策、協(xié)調(diào)能力，持續(xù)、穩(wěn)定地保證全面落實(shí)礦區(qū)安全生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，運(yùn)籌帷幄于指揮中心，決勝于無人礦山生產(chǎn)方方面面。可在云端完成整個(gè)礦山業(yè)務(wù)鏈的全面監(jiān)控，按照任務(wù)需求對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的車隊(duì)、設(shè)備、人員進(jìn)行管理與調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)礦山作業(yè)的無人化，提高作業(yè)安全和生產(chǎn)效率。如圖2所示。

圖2 云端智能調(diào)度與管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)

礦車無人駕駛系統(tǒng)具備高度單車自動(dòng)駕駛能力，能夠感知環(huán)境與障礙物信息，做出單車范圍內(nèi)的決策命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、自主避障、協(xié)同裝載、智能跟車、自動(dòng)卸載等功能，而且可以通過4G/5G/V2X等多種方式，在云端智能調(diào)度與管理系統(tǒng)指揮下，實(shí)現(xiàn)與挖機(jī)、電鏟、推土機(jī)等各種裝載和輔助設(shè)備的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)露天礦山典型的“裝-運(yùn)-卸”作業(yè)流程，極大促進(jìn)露天礦山的生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升礦山企業(yè)柔性產(chǎn)能管理能力。如圖3所

示。

圖3 礦車無人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 挖機(jī)協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)

挖機(jī)協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)是安裝在挖機(jī)、推土機(jī)等作業(yè)設(shè)備上的終端系統(tǒng)，結(jié)合中心端的作業(yè)指令， 使無人礦車和裝載設(shè)備無間協(xié)作。主要負(fù)責(zé)對(duì)排土場(chǎng)區(qū)域無人礦車作業(yè)流程進(jìn)行協(xié)同管理，以使無人礦車與挖掘機(jī)、推土機(jī)之間能夠相互協(xié)同，高效、準(zhǔn)確、安全地完成入場(chǎng)、卸載與離場(chǎng)等作業(yè)任務(wù)。可實(shí)現(xiàn)裝載設(shè)備與無人礦車系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，為其規(guī)劃任務(wù)路徑，引導(dǎo)其入場(chǎng)就位，裝載完成后引導(dǎo)無人礦卡離場(chǎng)，大大提高作業(yè)效率。如圖4所示。

圖4挖機(jī)協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 無人礦卡仿真系統(tǒng)

無人礦卡運(yùn)輸仿真系統(tǒng)是通過建立車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、可視化界面、規(guī)劃與控制算法開發(fā)，構(gòu)建虛擬礦區(qū)環(huán)境、車輛、傳感器等模型。搭建的仿真測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人礦山系統(tǒng)相關(guān)的仿真，經(jīng)過反復(fù)迭代測(cè)試，對(duì)相關(guān)算法和系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，無人礦卡所需的算法程序可通過仿真平臺(tái)快速生成；在仿真測(cè)試的同時(shí)，進(jìn)行礦區(qū)測(cè)試場(chǎng)地和相關(guān)設(shè)施的搭建，在仿真測(cè)試通過后，進(jìn)行真實(shí)礦山無人設(shè)備的測(cè)試，重點(diǎn)對(duì)軟硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、傳感器可靠性、算法性能、設(shè)備可靠性進(jìn)行測(cè)試。通過搭載實(shí)車自動(dòng)駕駛控制器和智能化調(diào)度平臺(tái)，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)整體礦區(qū)無人化各個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能驗(yàn)證，提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

2.5 遠(yuǎn)程駕駛與應(yīng)急接管系統(tǒng)

通過自主研發(fā)的視頻編解碼技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)和智能控制算法實(shí)現(xiàn)了視頻和控制信號(hào)的高可靠和低延時(shí)，解決了遠(yuǎn)程駕駛中實(shí)時(shí)、穩(wěn)定和安全的核心技術(shù)問題。遠(yuǎn)程駕駛與應(yīng)急接管作為無人駕駛系統(tǒng)的安全冗余設(shè)計(jì)，確保了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀態(tài)和車輛周圍的實(shí)時(shí)影像，當(dāng)無人駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)故障或遇到無法處理的工況時(shí)，通過應(yīng)急接管來保證無人車的安全運(yùn)行。系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容包含高實(shí)時(shí)視頻編解碼技術(shù)、車輛全狀態(tài)臨場(chǎng)感技術(shù)、應(yīng)急接管系統(tǒng)安全冗余技術(shù)和沉浸式遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)。如圖5所示。

圖5遠(yuǎn)程駕駛與應(yīng)急接管系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.6 V2X車路協(xié)同感知系統(tǒng)

V2X車路協(xié)同感知系統(tǒng)面向超視距感知、道路預(yù)警等應(yīng)用場(chǎng)景。慧拓自主研發(fā)了多源異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)融合感知技術(shù)、自動(dòng)化協(xié)同定位、時(shí)空同步等技術(shù)，在普通嵌入式計(jì)算平臺(tái)即可實(shí)時(shí)獲取礦車、挖掘機(jī)、行人、社會(huì)車輛、輔助作業(yè)車輛等交通目標(biāo)的3D位姿、預(yù)測(cè)的軌跡，并將感知信息通過5G/V2X技術(shù)與自動(dòng)駕駛車端、云端、遠(yuǎn)程駕駛端等共享，完成全時(shí)空高動(dòng)態(tài)道路信息采集和融合。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以高穩(wěn)定性、廣兼容性、多冗余性為設(shè)計(jì)原則，滿足露天煤礦無人運(yùn)輸作業(yè)系統(tǒng)的通信需求，既可以充分利用礦山已有通訊網(wǎng)絡(luò)，也可以兼容未來建設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無人駕駛作業(yè)區(qū)內(nèi)車輛與控制中心之間的實(shí)時(shí)通信、無人駕駛車輛之間的互相通信、無人駕駛車輛與輔助駕駛車輛之間的通信以及無人駕駛車輛與路側(cè)各系統(tǒng)的通信，保證傳輸可靠、抗干擾性強(qiáng)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)支持無人礦卡與控制中心的V2N無線通信，以及礦卡與礦卡、礦卡與輔助作業(yè)設(shè)備間的V2V無線通信。通訊系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)間短、傳輸時(shí)延低、傳輸可靠性高、抗干擾性能力強(qiáng)、信息安全性高等要求。

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，跨領(lǐng)域、跨部門、跨行業(yè)數(shù)據(jù)共享應(yīng)用越來越廣泛。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)安全問題已經(jīng)成為影響數(shù)據(jù)應(yīng)用與共享快速發(fā)展的瓶頸。車聯(lián)網(wǎng)作為新時(shí)代的產(chǎn)物，其交互環(huán)境、交互形式和交互類型更為復(fù)雜，在數(shù)據(jù)合規(guī)的時(shí)代背景和加快推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的形勢(shì)下，如何滿足國內(nèi)外數(shù)據(jù)安全相關(guān)法律法規(guī)，保障數(shù)據(jù)合規(guī)使用和安全可控，是車聯(lián)網(wǎng)面臨的主要矛盾。“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案結(jié)合自身數(shù)據(jù)特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)安全監(jiān)管溯源的角度構(gòu)建數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)溯源與綜合管理平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)在礦山領(lǐng)域的典型應(yīng)用，有效保障礦山行業(yè)的健康發(fā)展。通過車聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證和安全信任相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)，引入CA系統(tǒng)、RA系統(tǒng)等，在車機(jī)端SDK中預(yù)置安全通訊模塊，確保車機(jī)端和云端的身份校驗(yàn)、證書的有效校驗(yàn)、失效銷毀等。在加密算法上支持對(duì)稱加密算法，也支持非對(duì)稱加密算法，以應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景對(duì)加密算法的不同需求；對(duì)于車機(jī)端采集的用于高精地圖更新的數(shù)據(jù)以及從云端下發(fā)到車機(jī)端的數(shù)據(jù)都會(huì)提供強(qiáng)有力的安全防護(hù)。

3代表性及推廣價(jià)值

“愚公YUGONG”無人礦山整體解決方案已成功應(yīng)用于內(nèi)蒙、青海、安徽等地，服務(wù)于國家能源集團(tuán)、華能集團(tuán)、大唐集團(tuán)、中國寶武集團(tuán)、中煤集團(tuán)等30余個(gè)國家級(jí)大型露天礦區(qū)（涵蓋煤炭、鋼鐵、有色和水泥行業(yè)），起到良好的應(yīng)用示范和推廣作用；目前，搭載平行駕駛系統(tǒng)的礦車200臺(tái)，完成實(shí)際商業(yè)化運(yùn)營(yíng)里程累計(jì)近500萬公里：以“現(xiàn)場(chǎng)少人、無人，遠(yuǎn)程有人”方式保障礦山生產(chǎn)安全“零傷亡”；以“虛擬指導(dǎo)實(shí)際”駕駛運(yùn)輸方式，極大地降低了設(shè)備磨損率，設(shè)備使用周期延長(zhǎng)30%。成果突破性應(yīng)用在世界煤礦的第一個(gè)極寒環(huán)境、5G網(wǎng)絡(luò)下大型礦用自卸車無人駕駛改造并編組運(yùn)行項(xiàng)目，已按預(yù)定要求完成各項(xiàng)改造工作，通過靜態(tài)調(diào)試、封閉場(chǎng)地動(dòng)態(tài)調(diào)試、模擬場(chǎng)地調(diào)試及作業(yè)場(chǎng)地運(yùn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)性能達(dá)到了在安全規(guī)范條件下的無人駕駛安全運(yùn)行要求。已具備了10臺(tái)220噸電動(dòng)輪礦用自卸車無人駕駛車輛與挖掘機(jī)、遙控推土機(jī)、灑水車、平路機(jī)、指揮車等作業(yè)設(shè)備平行運(yùn)行能力，形成了一套完整的露天礦無人運(yùn)輸作業(yè)系統(tǒng)及國家能源集團(tuán)創(chuàng)建首個(gè)智能化露天煤礦的技術(shù)基礎(chǔ)，并通過工業(yè)化驗(yàn)收。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年第三期