基于城市轨道交通无人驾驶技术的矿车无人驾驶系统

于明凯，陈留金，林泽阳，龙时丹

（1.太原中车时代轨道工程机械有限公司，北京 100055；2.中国铁路北京局集团有限公司北京机务段，北京 100036；3.国家铁路局装备技术中心，北京 100038）

国内大部分露天矿山生产仍然以传统方式进行采矿作业，其中矿车是矿山生产中最重要的运载装备。目前矿车主要依靠人工操作。一方面，矿车司机的人员成本很高，尤其是矿山这种复杂恶劣环境的作业人员招聘难度很大；另一方面，矿车间的通信与调度方式较为落后，容易造成人为差错；多矿车同时作业时存在难以高效协同作业等问题，种种原因最终导致矿车作业成本居高不下，效率较低。矿车外形如图1 所示。

图1 矿车外形图

矿山区域作业场景封闭，参与作业运输的交通元素少，路况简单，矿车的主要任务是在规定线路上进行装载、运输和卸载等，从特定线路、固定作业计划和保证全局优先等特点来看，与城市轨道交通无人驾驶环境十分相似，因此矿车无人驾驶系统以城市轨道交通无人驾驶系统技术为基础是有可行性的。

1 矿车无人驾驶系统

典型的城市轨道交通无人驾驶系统一般分为三部分：

（1）环境感知系统，相当于列车驾驶运行的感知器官，即为无人驾驶系统实时输入动态的周围环境信息，是实现无人驾驶的决策基础。

（2）自动驾驶系统，相当于列车驾驶的大脑，即对环境感知信息和信号指令进行综合判断，作出列车驾驶运行决策。

（3）远程控制系统，远程控制系统是地面端监控和管理的中心，由通信网络保证远程控制系统与列车之间直接和连续的通信。

根据矿山场景运输作业的特点，矿车车辆控制主机可以承担无人化环境感知和运行决策控制两部分工作，对车辆进行必要的线控改造以后可以形成满足功能需求的车辆控制系统。另外，矿山不同于轨道交通拥有完善的通信网络，矿山网络环境往往需要专门搭建。

综上，矿车无人驾驶系统由地面控制中心（即地面端）、车辆控制主机（即车辆端）和5G 车地通信网络三部分组成，如图2 所示。

图2 矿车无人驾驶系统构成图

1.1 5G 车地通信网络

车地通信网络作为地面端与车辆端的车地通信桥梁，要求有低延时、高速率、大容量、高安全性的数据传输特性，以实现高效的信息互联。其主要功能是将车辆主要的环境感知信息、决策信息和运行信息发送至地面端；同时负责将地面控制中心作业信息、车辆控制命令等数据传输至车辆。实现车对地、地对车的双向数据传输功能。

近几年，城市轨道交通无人驾驶车地通信的典型方案是采用LTE+WLAN 双网架构，主用网络为LTE，备用网络为WLAN，但实际部署应用过程中，仍然普遍存在易受干扰、时延长、故障频繁等问题。

采用5G 移动通信技术的矿山车地通信网络可提供高达1Gbit/s 的通信速率，能有效降低通信时延。另外5G技术的3 个典型应用场景也适用于矿山作业网络构建，其中包括增强型移动宽带、大规模机器类通信、超可靠低时延通信。

（1）增强型移动宽带即超大带宽移动应用，相比LTE 网络带宽增加了几十倍，可以为矿山提供完善的多业务融合无线传输网络解决方案。

（2）大规模机器类通信适用于构建矿山地图，实现车载、路旁、路基等环境的特征数据采集，以此来完成矿山5G 物联网络构建。

（3）超可靠低时延通信将有效改善LTE 网络的诸多低可靠性问题。采用分布式网络架构的5G 网络，通过在矿山区域内部署边缘MEC，并结合网络切片技术，为矿山网络提供安全隔离的同时提供专用的网络和应用资源。

1.2 地面控制中心设计

矿车无人驾驶系统采用中心式控制策略。地面控制中心是矿车无人驾驶系统中的综合调度指挥系统，具备数字地图、路径规划、作业调度、安全监控、数据记录等功能，是矿车无人驾驶系统的中枢和大脑。

1.2.1 数字地图

数字地图是基于卫星地图数据和用户导入数据，对矿山环境进行数字化建模生成的高精度地图。它将矿车可通行区域划分为不同的地图单元。根据作业特性和实际运输需求，地面控制中心在不同的地图单元类型设置单元的属性和矿车在单元内的基本运行策略。数字地图是地面端实现路径规划和作业调度控制的基础和重中之重。

1.2.2 路径规划

后台人员可根据矿山实际作业需求，在数字地图的基础上规划和管理常用运行路径和定义动作组，例如，指定路线行驶，指定位置处设置车辆应执行的特定操作，例如鸣笛、开关车灯等。

1.2.3 作业调度

作业调度功能包括作业模式管理、车队协同控制、车辆安全防护、远程操纵、紧急停车等子功能。

作业模式管理是指编制和下发不同的作业任务信息给车辆控制系统。

车辆协同功能是指在多车辆共同作业的场景下，地面端向车辆发出的行驶速度、方向修正功能，防止车辆之间出现运行冲突，进而避免停车、相撞、区域死锁等情况发生。

车辆安全防护功能通过算法保护车辆自身的安全，主要是设定车辆安全距离、最大限速、制动距离等，并考虑一定的安全裕量。

当作业需求发生变化，或者车辆处于非正常作业的情况时，后台人员有权用远程操纵方式直接干预车辆的运行；紧急情况下，后台人员还可以命令车辆紧急停止。

1.2.4 安全监控

地面端的安全监控功能包含三个方面，包括地面硬件运行状态监控、车辆信息监控和矿山地面环境监控。

地面硬件运行状态监控是指地面端可以监控自身中心机房内部所属的各种硬件的运行状态，主要是出现问题或故障时，提醒后台或专业人员来进行处理或抢修。

车辆信息监控是指地面端对车辆上传的信息进行监控、处理和报警提示，以便于中心人员可有效地掌控矿区所有无人驾驶车辆运行状态并做出应对；这里的车辆信息主要是车辆控制主机和车辆的车辆基本信息、运行信息、决策信息和环境感知信息等。

矿山在关键位置部署了摄像头和专用传感器，对这些位置应进行重点监控和安全识别，是保障矿山无人化作业运行的基础和重要组成部分。

1.2.5 数据记录

地面控制中心的多个数据服务器可实时存储整个矿区所有车辆和设备运行相关的历史数据、视频监控数据、车载控制器故障数据、通信系统故障数据。

1.3 车辆控制系统设计

车辆控制系统是矿车无人驾驶系统的主要执行机构，主要负责采集车辆信息和控制车辆动作。一方面，车辆端接收地面端输入的各种指令，控制各种车行驶、停车和装/卸载等。另一方面，车辆端摄像头、传感器等感知周围环境信息，并将必要信息传输给地面端，保证作业任务高效、安全完成。

车辆控制系统的主要功能包括作业行驶、主动防撞、自动卸载、异常处理等。

作业行驶主要实现车辆控制功能，根据地面端制定和下发给各车的作业任务和路线信息做出车辆行驶和装/卸载决策，并且执行动作，主要控制车辆方向、速度，使车辆循迹行驶，以及完成作业任务。

主动防撞通过激光雷达、毫米波雷达等车载传感器来实现。当检测到车辆运行路径上存在障碍物时，车辆端判断是否需要减速或停车，同时还将障碍物信息发送至地面端。

自动卸载指矿车到达卸载区后控制车辆执行自动卸载作业，但当有多辆无人驾驶矿山自卸车等待卸载时，将接收地面端控制指令进入等待卸载队列。

异常处理是当车辆出现不能正常运行或者作业的问题时，向地面端汇报故障信息并请求地面端处理；同时储存故障信息，便于后期分析。

2 实施建议

矿车无人驾驶系统在实施时应重点关注系统决策与规划、场景安全分级以及感知技术挑战等问题。

2.1 做好矿山作业场景的决策与规划

与公路乘用车无人驾驶的分布式决策相比，矿车无人驾驶系统更适宜采用中心式决策，即利用中心式的控制器全局优化所有车辆决策，这样便从理论上保证了全局最优。但这样会提升对计算资源的需求量，因此，需要提出一种平衡决策模型复杂度和决策优化程度的全局决策方法，以此来规划矿车的采运卸作业调度和行驶轨迹，在节约资源的前提下保证多车运行安全与作业效率提升。

2.2 实施作业场景安全分级

矿车无人驾驶作业场景包含完成正常运营任务的多种场景，可大致分为正常作业场景、非紧急降级场景和紧急降级场景。

正常作业场景指无人驾驶系统在无故障、无意外情况下按照生产需求正常作业的情形。此时系统按照作业计划以高度自动化方式运行，除工作人员正常进行任务分配、调度以及需求确认意外，系统通常不需要人工干预。

非紧急降级场景指主动功能降级处理，一般是因系统内部故障或作业需要等，如路面障碍物干扰等，危险性较低，一般只发生在个别车辆上。这时需要一定程度的人工干预，排查异常，进行局部处理解决后便可恢复正常。

紧急降级场景是指对生产、运行安全威胁较大、危害较严重的情形，如火灾或恶劣天气场景，需停用所有矿山装备，工作人员紧急撤离。

无论上述哪种场景，对其进行全面、详细、准确地描述和分析，是安全实施无人驾驶系统方案的前提。

2.3 应对环境感知技术的挑战

相比于乘用车自动驾驶系统，矿车无人驾驶系统环境恶劣，主要表现在灰尘多、震动大两方面。

矿区扬尘大且有时有沙尘天气，严重影响传感器探测性能，其中包括探测距离和感知精度。为此作者建议应采用多个灰尘敏感度低的毫米波雷达传感器并融合毫米波雷达、激光雷达和摄像头多种传感器信息，提高感知能力和鲁棒性。

矿区道路多为碎石、泥土等，车辆在行驶时冲击与振动强烈。环境信息在被采集时会发生较大跳变，除了从硬件安装方式上做对应调整外，软件上也应根据探测信息的变化适时调整感知参数，估计道路不平度、判断振幅大小，从而提高自适应能力和抗干扰能力。

3 矿车无人驾驶系统评价

基于城市轨道无人驾驶技术构建的矿山无人驾驶系统具有明显的优越性，主要表现在：第一，可节省矿山企业人力运维成本，降低人力资源控制难度，同时也减少了因人为误操作造成危害，进而提升企业效益；第二，矿山企业运载装备的自动化、智能化程度得到提升，作业协同效率得到显著提高，为行业转型和持续发展提供了有借鉴意义的方案思路。

此外，本文介绍的无人驾驶系统方案理念也可以应用到具有这种类型特点的其他领域和不便于人类活动的一些特殊作业区域。