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国家能源集团矿用卡车无人驾驶建设实践

2022-07-06 14:04:20  来源:智能矿山杂志  作者:杨荣明,丁震
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  目前,云计算、大数据、物联网、移动互联、虚拟现实、无人驾驶、人工智能等新一代信息技术发展日趋成熟,正在向更多行业渗透,不断推动传统行业的智能化转型。在未来一段时期内,煤炭作为我国主体能源的地位仍难以改变,我国以煤为基础,多元发展的能源方针不会改变。露天煤矿采场大多地处偏远地区且工作环境恶劣,人员短缺且老龄化严重。露天煤矿90%以上的安全生产事故由人为因素引起,如疲劳驾驶、视觉盲区、操作不当等。开展矿用卡车无人驾驶,推进煤矿智能化建设,是贯彻落实习近平总书记“以人民为中心”的发展思想和“人民至上、生命至上”的具体体现,也是企业发展的实际需求。基于此,笔者介绍了矿用卡车无人驾驶系统架构组成、关键技术及国家能源投资集团有限公司(以下简称国家能源集团)的建设实践成果。

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  图1 露天煤矿智能化作业管理与监控系统

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  图2 无人运输仿真系统

矿用卡车无人驾驶系统架构组成

  国家能源集团联合中国航天科工集团、青岛慧拓智能机器有限公司、北京踏歌智行科技有限公司、中国中车股份有限公司等共同开发了无人驾驶领域相关技术,将无人驾驶系统框架分为8个子系统:智能化作业管理与监控系统、无人运输仿真系统、矿用卡车线控系统、无人驾驶车载控制系统、数据通信系统、协同作业管理系统、远程应急接管系统、健康管理系统。

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  图3 矿用卡车无人驾驶线控系统

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  图4 矿用卡车无人驾驶车载软件系统功能结构

  智能化作业管理与监控系统

  露天煤矿智能化作业管理与监控系统(图1)是无人运输运营场景中的数据中心、监控中心与调度中心,发挥着无人驾驶运输管理的枢纽作用。

  该系统遵循前瞻、实用、兼容、可扩展和开放的原则,主要包括地图数据管理、车辆智能调度、集成运行监视、数据统计分析、基础数据管理、系统数据管理、路径规划、路权管理、车辆安全防护、远程遥控、报警管理、日志管理、车载视频监视、用户管理等功能模块,并具备兼容第三方系统能力。

  无人运输仿真系统

  无人运输仿真系统(图2)可有效地应对矿区场景数据不足、测试成本高昂、极端工况测试困难等挑战。

  目前,基于虚拟仿真环境下的无人运输仿真系统包括以下10个方面的内容:机群协同管理全流程功能测试;矿用卡车无人驾驶算法测试,尤其是极端场景;矿用卡车感知决策算法测试;软硬件性能测试;V2X、防碰撞功能联合测试;挖卡协同测试;远程驾驶测试;运维技能操作培训;超实时仿真预测;虚实互动测试。

  矿用卡车无人驾驶线控系统

  矿用卡车无人驾驶线控系统是通过CAN总线接收车载控制器指令,并对指令解析后向各控制模块及功能执行元件发出指令,实现对车辆操控。矿用卡车线控应在不改变原车操作控制装置功能的前提下,保证车辆的安全性能不降低,操作和维护不受任何影响,可以实现有人驾驶和无人驾驶2种模式的任意切换,并确保人工驾驶的最高优先级。矿用卡车无人驾驶线控系统如图3所示。

  矿用卡车无人驾驶车载控制系统

  矿用卡车无人驾驶车载控制系统可实现数据存储管理、驾驶模式切换、紧急停车、遇障处理、作业任务处理执行、路径规划、装卸载区处理、车辆参数控制等功能。矿用卡车无人驾驶车载软件系统功能结构如图4所示。

  (1)冗余组合导航定位模块

  通过车规级差分定位系统、轮速计和高精度惯性导航器件实现多传感器融合,结合针对GNSS信号不稳定区域点云扫描匹配的冗余定位方案,可确保矿用无人驾驶卡车的高效、安全运行。

  (2)环境感知模块

  采用激光雷达、4D光场相机、毫米波雷达、V2X的多传感器融合技术方案,充分利用不同传感器的优势,可在多尘、雨雪、大雾、颠簸等恶劣的矿区环境下保证感知的稳定性与准确性,并具备对装载区电缆精准识别与道路平整度检测的能力。

  (3)行为决策与规划

  研发的卸载残留检测与二次卸载技术,可实现对矿用无人驾驶卡车挡墙过厚、卸载点物料堆满等特殊情况的识别,并自动执行提车二次卸载、换车位卸载等操作,确保每次卸载彻底无残留;研发的道路均衡碾压技术,可避免无人矿用卡车行驶路线单一、反复碾压造成车辙的问题,减少道路养护频次,间接提升作业效率。

  矿用卡车无人驾驶车载硬件系统包括安全监控冗余单元、车载主控制器、健康管理控制器等,如图5所示。

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  图5 矿用卡车无人驾驶车载硬件系统

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  图6 矿用卡车无人驾驶数据通信系统

  数据通信系统

  矿用卡车无人驾驶数据通信系统(图6)具有高稳定性、广兼容性、多冗余性等优点,既可利用矿山4G通信网络,又可兼容5G通信网络,5G通信网络具有“三高、两低、一快”的技术优势,分别是高速率、高连接密度、高移动性,低时延、低成本,快速业务部署。同时,数据通信系统支持矿用无人驾驶卡车与指挥平台的V2N无线通信,以及矿用卡车、矿用卡车与辅助作业设备间的V2V无线通信,矿用卡车与路侧系统的V2I通信,实现冗余通信。

  协同作业管理系统

  协同作业管理系统(图7)部署在采掘、工程、辅助生产等设备上,以保证人车安全,协助矿用卡车无人作业。协同作业管理系统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以及点检系统,各管理系统与地面控制系统进行交互,确保矿井无人作业的顺利进行。

  远程应急接管系统

  远程应急接管系统基于4G/5G网络,实现矿用自卸车的远程作业、安全监控和应急接管。远程应急接管系统如图8所示,该系统独立于无人驾驶系统,车辆实现了双控双驾、一键接管。远程应急接管系统具备以下3项功能:①远程控制中心可实时监控车辆状态和车辆360°环视影像;②当无人驾驶系统遇到故障时,能应急接管车辆;③当无人驾驶系统遇到无法预测的极端工况时,具备安全冗余措施。

  健康管理系统

  健康管理系统(图9)主要包括车载系统、数据中台应用系统、手持终端APP、数据存储和历史数据查询系统。

  (1)车载系统包括车载硬件和嵌入式软件2个部分。

  (2)数据中台应用系统可实现车辆健康评估、子系统健康评估、健康状态展示等功能。

  (3)手持终端APP包括点检数据管理、维修数据管理和数据查询3个模块,其中数据查询模块可实现历史故障信息、当前故障信息、车辆健康状态、子系统健康状态等的查询。

  (4)数据存储和历史数据查询系统包括本地数据存储管理和历史数据查询2个模块,其中历史查询数据模块可实现历史故障、历史维修记录、历史健康状态等的查询。

无人驾驶关键技术

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  图7 协同作业管理系统

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  图8 远程应急接管系统示意

  (1)基于露天开采场景的定制化5G专网

  露天开采场景下,采用5GSA+MEC的组网方式可满足多数智能矿山的网络需求;基于5G网络提供5G专网运营平台,具有设备状态监控、网络参数配置、对外接口开放等功能,可以满足行业用户“自运维、自服务、自开发”的需求。

  (2)双控双驾线控技术

  双控双驾线控技术能够对现有不同厂家、不同品牌的矿用自卸车进行无人化升级改造,并完整保留原车的操作,解决了不同矿用卡车自身响应差异对无人驾驶运行精准度和稳定性的影响。

  (3)多源多任务深度融合感知技术

  针对矿区多尘、雨雪、多碎石、路面颠簸等特殊环境对障碍物检测的挑战,利用激光雷达多回波技术,融合激光雷达、毫米波雷达、4D光场相机,通过多传感器深度融合网络感知技术,可以实现车辆颠簸行驶过程中的高鲁棒性多目标的检测和跟踪。经过矿区现场实际测试,该多传感器深度融合网络感知技术能够有效地应对矿区多变的复杂环境挑战,可对90 m距离处30 cm大小的障碍物进行准确检测与识别,并可对最难识别的电缆实现准确检测。

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  图9 健康管理系统组成

  (4)适应矿山道路环境的智能避障技术

  矿用无人驾驶卡车可根据障碍物类型、运动状态、道路宽度等状态自动进行避障,包括对站立和平躺的假人、油桶、车辆等随机摆放的静态障碍进行绕障和多个障碍物的连续绕障,以及对行走的人员、运动的车辆等动态障碍物的避障。

  整个避障过程路线平滑、车辆运动姿态平稳,可以确保矿区内无人驾驶车辆和其他人员或设备的安全。

  (5)货箱卸载残留检测与智能提车二次卸载技术

  针对露天煤矿地质松软、排土挡墙畸形带来的单次卸载不干净难题,通过加装传感器,结合车身姿态变化,利用卸载流程连续性判断等方法,融合智能检测算法,对货箱内的卸载残留物料和货箱压挡墙等进行精准检测,并在必要时进行智能提车二次卸载,以确保物料卸载干净。

  (6)基于露天煤矿松软道路的均衡碾压技术

  露天煤矿地质条件较差,为避免矿用无人驾驶卡车在连续作业运行过程中,由于行驶路线过于单一,轮胎反复碾压造成的车辙问题,为每台矿用无人驾驶卡车配备了防车辙均衡碾压管理程序,可自动进行道路偏置均匀碾压,以减少对道路养护的需求,减少道路平整周期,间接提升作业效率。

  (7)作业区路径规划技术

  在作业区路径规划方面有累计超过50种的规划路径模式,能够在任意可行驶区域内规划出合理的驾驶路线。

  (8)矿区高精地图自动采集与一键更新技术

  通过装/卸载区轨迹推算、路线自动提取、车载雷达扫描融合,实现在无人驾驶运行过程中矿区高精度地图的自动采集,可有效解决露天煤矿因装载区域和卸载区域变化频繁导致的地图更新不及时和精度不够问题。

  (9)矿区无人运输仿真技术

  基于虚实互动的矿区无人运输仿真测试技术,可提供照片级的矿区环境三维模型以及与实际车辆响应一致的矿用卡车多自由度耦合动力学模型,将其与真实的调度平台及自动驾驶控制器进行连接,具备海量并发仿真测试能力,可对上百台矿用无人驾驶卡车调度系统进行验证。仿真场景、真实云端智能管理平台和自动驾驶控制器直连,程序无需重新编译开发,可进行24 h不间断的测试运行。

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  (a)矿用卡车无人驾驶运行场景一

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  (b)矿用卡车无人驾驶运行场景二

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  (c)矿用卡车无人驾驶系统操作平台

  图10 准能集团矿用卡车无人驾驶试运行

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  图11 雁宝能源宝日希勒露天煤矿矿用卡车无人驾驶试运行场景一

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  图12 雁宝能源宝日希勒露天煤矿矿用卡车无人驾驶试运行场景二

矿用卡车无人驾驶应用实践

  国家能源集团涉及露天煤矿无人驾驶项目的7家子分公司已全面开始建设,目前有45台矿用卡车开展了无人驾驶测试,分别在准能集团、雁宝能源宝日希勒公司、胜利能源公司、神延煤炭公司。各单位工程实践建设情况如下:

  (1)准能集团实现了单机装备智能控制,采用激光雷达、毫米波雷达、视觉摄像机等多种感知融合技术。此外,准能集团开创了矿用无人驾驶卡车编组运行的先河,完成了无人驾驶试验场 5G 网络全覆盖与18台无人驾驶卡车的改造工作,实现了300 t级无人驾驶卡车多铲组、多个工作面编组调试运行,截至2021年1月底,累计拉运14 423车次、运行8 887 h。准能集团矿用卡车无人驾驶试运行如图10所示。

  准能集团建立了与真实矿区场景1∶1的环境模型,构建了基于平行智能矿区无人运输仿真测试技术的研发系统;将4D光场数据与激光雷达、毫米波雷达数据融合,打破了数据传输壁垒,实现了对石块等不同小型障碍物的精确识别,可在矿区复杂工况下使用,实现了人眼级高密度数据感知,搭建了网络高速公路,实现了数据高效传输。

  为满足矿区各类应用场景对信息高速传递、精准定位等需求,准能集团首次应用5G核心网本地部署,SA 组网架构一步到位,严格保证核心网安全、可靠,数据不出园区;同时也是国内首次运用 5G 超级上行技术,所建专网满足30 GB以上流量的转发能力,满足露天煤矿无人驾驶业务对于容量、时延、数据安全的需求,以实现全流程生产设备无人化、智能化的真正落地。

  2021年,准能集团黑岱沟露天煤矿全面推进智能矿山建设,构建实施了国内首家卡车吨位最大、数量最多、品牌车型最为复杂的矿用卡车无人驾驶科研项目,并顺利通过内蒙古自治区煤矿智能化建设示范项目的验收评估,开启了智能化建设新征程。

  (2)雁宝能源宝日希勒露天煤矿地处高寒地区,最低气温为-50 ℃,属大陆性亚寒带气候,冬季时间长且寒冷。针对极寒型复杂气候环境下露天煤矿的作业特点,以及国内外无人驾驶卡车的技术现状, 雁宝能源宝日希勒露天煤矿于2020年5月正式开展极寒型复杂气候环境下露天煤矿5G+无人驾驶卡车编组安全示范工程项目的建设工作,明确了项目实施的难点及关键点,克服困难,创新攻关,依次完成了5台MT4400矿用卡车线控及无人驾驶改造、调试、多车编组测试,以及在模拟测试场地的编组运行调试,实现了模拟场地中心调度管理下5台矿用无人驾驶卡车与模拟电铲协同运行;同时开展了全天24 h的5台矿用无人驾驶卡车编组高强度仿真测试。完成了在实际作业场地内的无人化工业运行作业,全天24 h持续稳定生产。

  通过试验验证,矿用无人驾驶卡车编组安全可靠,各项性能指标满足使用需求,多项技术指标达到行业领先水平。雁宝能源宝日希勒露天煤矿矿用卡车无人驾驶试运行如图11和图12所示。

  (3)胜利能源公司已完成2台220 t矿用无人驾驶卡车空、重载试运行(图13),在14 d的试运行过程中,矿用无人驾驶卡车空、重载试运行累计里程超过100 km,车辆直线行驶速度达20 km/h,转弯速度达12 km/h,整体测试过程运行平稳,为下一步模拟安全员下车编组测试工作打下坚实基础。截至2022年2月,完成了2台MT4400卡车车载硬件、云控平台程序的更新升级、远程遥控驾舱调试、感知程序标定测试等工作。并在采场870号水平无人驾驶测试场地开展了2台卡车空、重载模拟安全员下车全流程编组测试。

  (4)神延煤炭公司矿用卡车无人驾驶是国内首个最大批量国产220 t级卡车无人驾驶投入试生产的项目,目前组成了包含6台矿用无人驾驶卡车、1台WK35电铲、2台洒水车、2台平地机、1台履带式推土机、1台轮胎式推土机及1台生产指挥车的6+8协同作业编组。截至2022年1月,运行里程达13 192 km,2021年共计完成8 338趟运输任务,总计完成剥离量75万m3。

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  图13 胜利能源公司矿用卡车无人驾驶试运行

结 语

  目前,国家能源集团已掌握100 t级、200 t级、级矿用卡车线控技术,通过运用融合智能检测算法、矿卡鲁棒自适应控制算法,实现了矿用无人驾驶卡车在不同场景下的应用;通过制定露天煤矿无人驾驶相关系列标准,更全面、更专业地保障了无人驾驶卡车、道路设施、通信设施、无人运输作业管控平台的硬件支撑,实现了对露天煤矿无人运输作业的卡车运维、工控安全、设施保障、检查维护、安全与应急管理的“人-机-环-管”全方位技术规范,以标准指导实践。下一步,国家能源集团将以“一个目标、三型五化、七个一流”为引领,以建设世界一流能源企业为目标,践行“少人则安、无人则安”理念,积极推动智能化技术与自身生产工艺融合,努力实现露天煤矿采剥、运输、排卸等工艺环节的智能化,助推露天煤矿实现高质量发展。


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