李志國
(中冶京誠(湘潭)礦山裝備有限公司,湖南 湘潭 411100)
人工智能技術(shù)(Artificial Itelligence, AI)是當(dāng)前高新科技的核心部分之一,是對人們生活、學(xué)習(xí)和生產(chǎn)具有重大影響的重要技術(shù),也是現(xiàn)代社會進(jìn)步和發(fā)展的一個重要標(biāo)志。2017年5月,在烏鎮(zhèn)圍棋峰會上,世界頂級圍棋高手柯潔遭到谷歌的AlphaGo2.0人工智能機(jī)器人3∶0橫掃,這次人機(jī)大戰(zhàn)引發(fā)了全世界對人工智能的探討,越來越多的企業(yè)投入了對人工智能的研究[1-2]。采礦工業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),開拓先進(jìn)的采礦技術(shù),吸收各學(xué)科的高新技術(shù),創(chuàng)建一個優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、低環(huán)境污染、靈活和安全生產(chǎn)的礦山是各大采礦企業(yè)一直以來追求的目標(biāo),人工智能的發(fā)展為此提供了新的選擇,無人采礦技術(shù)是未來采礦技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。
礦用自卸車廣泛應(yīng)用于冶金、有色、化工、煤炭、建材、水電等幾大行業(yè)的土石方運(yùn)輸,是目前大型露天礦山的主要運(yùn)輸工具。在很多礦山企業(yè),巨型礦山機(jī)械每天24h不間斷工作,這些巨型采礦設(shè)備的操作員,每天上班必須忍受噪音、浮塵、顛簸等惡劣的工作環(huán)境,工作環(huán)境中的高溫、高濕、噪聲、振動等對礦山設(shè)備操作人員的健康造成極大危害。在安全方面,無人運(yùn)輸系統(tǒng)比傳統(tǒng)方式安全得多,消除了行駛誤差從而避免了事故。而且生產(chǎn)力方面也得到了提高,不使用駕駛員,可以減少15%的運(yùn)輸成本。此外,智能的自動控制還消除了不良的駕駛方式,比如突然的加速和轉(zhuǎn)向,從而使得礦用車輪胎、懸掛油缸等許多重要部件的使用壽命大大提高。因此無人駕駛系統(tǒng)礦用自卸車也越來越受到關(guān)注。
無人駕駛是指以計(jì)算機(jī)作為控制中心的智能駕駛系統(tǒng),通過車載的各種傳感器及智能系統(tǒng)來感知車輛運(yùn)行環(huán)境、規(guī)劃車輛的運(yùn)行路徑、自動控制車輛行駛。通過車載傳感器來感知車輛運(yùn)行時周圍的各種信息,包括行人信息、道路信息、路牌信息等,然后根據(jù)獲得的信息對車輛的運(yùn)行進(jìn)行控制,從而安全、可靠地行駛。美國由SAE International 國際自動機(jī)工程師學(xué)會于2014年1月發(fā)布了第一版的無人駕駛配置分級標(biāo)準(zhǔn)SAE J3016,2018年6月,對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第二次的修訂,具體分級標(biāo)準(zhǔn)如下[3]:
(1)SAE L0:是無自動化的駕駛,完全由人類駕駛員控制車輛的運(yùn)行,但是可以得到警告或干預(yù)系統(tǒng)的輔助。其核心是增加了環(huán)境感知的警報防護(hù)技術(shù)。
(2)SAE L1:駕駛支援,具有自動化的單一功能,通過駕駛環(huán)境對方向盤和加減速中的一項(xiàng)操作提供駕駛支援,主動修正加減速度和方向盤的偏離值,其他的駕駛操作主要還是由人類駕駛員完成,屬于汽車的主動安全系統(tǒng)。
(3)SAE L2:部分自動化,具有多個自動化功能,通過駕駛環(huán)境對方向盤和加減速中的多項(xiàng)操作提供駕駛支援,此時駕駛員與汽車分享控制權(quán),主要由智能系統(tǒng)控制車輛的方向和加減速,感知行車環(huán)境。駕駛員的手不離開方向盤,在遇到緊急情況時可直接進(jìn)行接管車輛控制。
(4)SAE L3:有條件的自動化,由自動駕駛系統(tǒng)完成車輛所有的行駛操作,司機(jī)只需在適當(dāng)時候應(yīng)答系統(tǒng)請求。
(5)SAE L4:高度自動化,沒有任何人類駕駛員,由系統(tǒng)完成所有行駛?cè)蝿?wù),司機(jī)不一定需應(yīng)答系統(tǒng)的請求,包括限定道路和環(huán)境等,屬于高度智能化。
(6)SAE L5:完全自動化,在所有人類駕駛者可以應(yīng)付的道路和環(huán)境條件下均可由自動駕駛系統(tǒng)完成所有的駕駛操作,是真正的無人駕駛階段,與人類駕駛無異,司機(jī)位置無駕駛員。
目前使用的無人駕駛技術(shù)都是通過雷達(dá)和攝像頭獲取車輛周圍的環(huán)境信息,將這些獲取環(huán)境信息傳輸給計(jì)算機(jī),然后計(jì)算機(jī)根據(jù)人工智能技術(shù)對車輛當(dāng)前的狀況進(jìn)行分析,作出最優(yōu)判斷。無人駕駛技術(shù)在乘用車方面的的應(yīng)用還處于較為低級的水平,國內(nèi)大部分車企能夠?qū)崿F(xiàn)L1級自動駕駛,少部分能達(dá)到自動駕駛L2級水平,在國外部分車企能達(dá)到自動駕駛L3級的水平。由于礦山的道路信息相對簡單,在礦用自卸車上,小松的無人駕駛礦用自卸車接近無人駕駛L5級水平。
無人駕駛技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用,最早進(jìn)入的領(lǐng)域是礦用卡車??ㄌ乇死帐亲钤邕M(jìn)入無人駕駛礦用車研究的企業(yè),在20世紀(jì)80年代,卡特彼勒就開始了無人駕駛的自卸礦用卡車的研發(fā),并于1994年開始進(jìn)行測試,到1996年卡特彼勒正式推出自動化的777D礦用自卸車。到目前為止,卡特彼勒無人駕駛的789礦用車已經(jīng)開始應(yīng)用,其運(yùn)行效果得到客戶的認(rèn)可。
2012年俄羅斯的礦用設(shè)備生產(chǎn)商別拉斯(BELAZ)完成了巨型無人駕駛礦山自卸車樣車的生產(chǎn)。這種無人駕駛礦山自卸車從外表上看同一般的礦山自卸車沒有區(qū)別,但是駕駛室內(nèi)不需要駕駛員,該車通過遠(yuǎn)程控制的方式完成對車輛啟動、前進(jìn)、倒退、裝卸貨物的控制。
2005年,小松在智利的銅礦開始進(jìn)行無人運(yùn)輸系統(tǒng)的試驗(yàn),小松并沒有為無人駕駛研制新型車輛,而是采用現(xiàn)有車型,為其安裝了多種傳感器、控制器和通訊組件等設(shè)備,確保其可在指令之下自動行駛。整個系統(tǒng)還需要地面控制中心、通信基站等設(shè)備,并在導(dǎo)航衛(wèi)星的支持下工作,小松的試驗(yàn)取得了成功,并于2008年1月實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化部署。
自2008年起,小松自動礦用自卸車在智利和澳大利亞就開始運(yùn)營,到目前為止已經(jīng)運(yùn)輸了超過10億t的材料。2008年力拓制定了“未來之礦”計(jì)劃,將無人駕駛自卸車數(shù)量增加到10輛,如今這個數(shù)字已經(jīng)增加至15倍。根據(jù)與日本礦用設(shè)備制造商小松達(dá)成的新協(xié)議,公司將收到至少150輛無人駕駛的礦用自卸車。新款無人駕駛礦用卡車長15m,有效荷載為230t,最大功率2700馬力,最高時速64km/h,滿足礦場工況需求。該車取消駕駛室,利用無線網(wǎng)絡(luò)和障礙物檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人駕駛。并且在重新設(shè)計(jì)時車身重量被平均分配到了4個輪子上,同時它使用四輪驅(qū)動和四輪轉(zhuǎn)向技術(shù),保證車輛具備更好的操作性能。
2013年,位于加拿大的油砂礦也開始采用小松的無人運(yùn)輸系統(tǒng)。如今,小松的無人運(yùn)輸系統(tǒng)已應(yīng)用在澳大利亞、南北美洲的6座礦山,包括銅、鐵和油砂,車輛總數(shù)超過100臺。到2017年底,累計(jì)運(yùn)輸了15億t的物料。這些車輛以及系統(tǒng)在安全性、生產(chǎn)力、環(huán)境耐受性和系統(tǒng)靈活性方面經(jīng)受住了考驗(yàn)。
圖1 小松無人駕駛礦用自卸車(一)
圖2 小松無人駕駛礦用自卸車(二)
在我國無人采礦技術(shù)被國家科技部將列為“十一五”、“863”計(jì)劃首批啟動專題的研究方向之一,發(fā)展數(shù)字化、智能化的采礦技術(shù),是我國采礦業(yè)未來發(fā)展的趨勢[4]。目前在國內(nèi)的無人采礦技術(shù)仍處于初期階段,國外的智能化采礦技術(shù)進(jìn)展迅速,開始了無人化礦山的實(shí)踐,盡快研制開發(fā)適合我國的先進(jìn)的無人采礦系統(tǒng),提高我國采礦工藝的可靠性、安全性、高效率的采礦生產(chǎn),使我國的采礦行業(yè)能夠適應(yīng)激烈的國際競爭變得越來越迫切。隨著我國科技水平的進(jìn)步和我國采礦工業(yè)發(fā)展水平不斷提高,為這種愿望的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
2001年以來,山東招遠(yuǎn)黃金公司先后研究開發(fā)了“三維地測采管理信息系統(tǒng)”、“基于MAPGIS系統(tǒng)的黃金礦山資源管理信息系統(tǒng)”,通過這兩大相輔相成的信息系統(tǒng),為其數(shù)字化礦山建設(shè)提供了可靠支撐,實(shí)現(xiàn)了黃金礦山開采專業(yè)設(shè)計(jì)自動化、決策智能化、資源管理三維可視化。
2004年,云南易門礦務(wù)局大紅山銅礦以美國Mintec公司的優(yōu)秀礦業(yè)軟件MineSight為平臺,建立了地質(zhì)、采礦三維數(shù)字模型,使礦山實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)和資源系統(tǒng)的最佳配置,實(shí)現(xiàn)了礦山的生產(chǎn)、管理、設(shè)計(jì)、決策的模型化、信息化及圖形化[5]。
2017年元月,中國非公路用車第四代同力重工D系列產(chǎn)品的成功發(fā)布標(biāo)志著非公路自卸車達(dá)到了一個新的標(biāo)準(zhǔn),同時第四代產(chǎn)品為實(shí)現(xiàn)無人駕駛奠定了基礎(chǔ)。2017年5月13日,同力重工非公路自卸車無人駕駛技術(shù)研討會隆重召開。來自業(yè)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和專業(yè)院所的二十多位專家和同力重工“非公路無人駕駛自卸車”項(xiàng)目工程師共同從需求定位、專項(xiàng)技術(shù)研究現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑和實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行了廣泛的討論。
2017年7月5日,百度在國家會議中心召開了“百度A I開發(fā)者大會”,在大會上正式宣布“Apollo”計(jì)劃誕生:向汽車行業(yè)及自動駕駛領(lǐng)域的合作伙伴提供一個完整、開放、安全的軟件平臺,幫助其結(jié)合車輛和硬件系統(tǒng),快速搭建一套屬于自己的完整的自動駕駛系統(tǒng)。百度還將開放環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、車輛控制、車載操作系統(tǒng)等功能的代碼,并且提供完整的開發(fā)測試工具[6]。2018年2月15日,Apollo無人車亮相2018年中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會廣東珠海分會,百余輛Apollo無人車跨越港珠澳大橋。
2018年9月,北方股份172t無人駕駛電動輪礦車在包鋼集團(tuán)進(jìn)行測試,該車型號為MT3600,長13.1m、寬6.7m、高6.8m,載重172t。車輛采用北京踏歌智行科技有限公司自主研發(fā)的智能機(jī)器人和車輛線控技術(shù),可在礦山現(xiàn)場流暢、精準(zhǔn)、平穩(wěn)地完成倒車入位、貨物裝載、精準(zhǔn)???、自動傾卸、軌跡運(yùn)行、自主避障等各環(huán)節(jié),車載傳感器可依靠激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)形成雙重保障,使得無人駕駛電動輪礦車可實(shí)現(xiàn)360°無死角感知。同時,結(jié)合車輛協(xié)同運(yùn)作平臺,可實(shí)現(xiàn)無人駕駛車隊(duì)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn),一車感知、數(shù)據(jù)共享、全局可知,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)高效、安全作業(yè)。
圖3 北方股份MT3600無人駕駛礦用自卸車
2018年11月,徐工重卡,在Bauma China 2018上,徐工展示了自己的首臺無人駕駛工程自卸車。該車總質(zhì)量90t,前懸油氣懸架結(jié)構(gòu),匹配12升430馬力發(fā)動機(jī),尤順制動系統(tǒng)。全新一代“漢沃”非公路寬體自卸車平臺創(chuàng)新應(yīng)用基于百度APOLLO平臺架構(gòu)的無人駕駛技術(shù),具有較為優(yōu)異的無人駕駛性能。
圖4 徐工首臺無人駕駛寬體礦用自卸車
無人駕駛礦用車的首要關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)貨物自主裝卸,當(dāng)?shù)V用自卸車啟動后,可自動駕駛進(jìn)入裝載工位,在裝料完成后自動起步,沿規(guī)劃路線行駛。到達(dá)卸貨點(diǎn)后,自動轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭,在感知系統(tǒng)指引下,準(zhǔn)確停在合適的卸載工位。卸載舉升過程自動適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工況需求,貨箱可在任何舉升角度停留,快速卸料且無殘留。
由于電鏟的位置和排土的位置都是變動的,如何準(zhǔn)確地將礦車停在電鏟旁邊正確的裝載位置及準(zhǔn)確的卸載位置是主要的技術(shù)難點(diǎn)。解決這個問題的關(guān)鍵就是要使無人駕駛礦車具有環(huán)境感知的功能,環(huán)境感知技術(shù)是無人駕駛汽車的重要基礎(chǔ)和前提,該技術(shù)通過大量傳感器獲取周圍環(huán)境,并結(jié)合車輛自身運(yùn)行的狀態(tài),最終做出決策,是無人駕駛汽車穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障[7]。目前,環(huán)境感知技術(shù)主要涉及的幾個方面如下:
(1)雷達(dá)探測技術(shù):雷達(dá)是一種主動式傳感裝置,基于雷達(dá)探測技術(shù)獲取車輛周圍的二維、三維距離信息,通過距離分析識別技術(shù)對距離信息進(jìn)行感知。通過雷達(dá)探測技術(shù)可以直接獲得物體三維距離信息,受光照影響小,探測精度高。但其無法感知色彩信息,體積較大,價格較貴。無人駕駛汽車中常用的雷達(dá)主要有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等。
(2)機(jī)器視覺技術(shù):機(jī)器視覺主要用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能,基于機(jī)器視覺獲取車輛周圍的二維、三維圖像信息,機(jī)器視覺系統(tǒng)通過攝像頭感知外部環(huán)境,通過圖像分析識別技術(shù)對形式環(huán)境進(jìn)行感知。機(jī)器視覺系統(tǒng)成本較低,信息量豐富,體積小,但易受光照環(huán)境影響,三維信息測量精度低。由于體積較小,可以在不同位置安放多臺攝像機(jī),使無人駕駛車輛從多個角度獲得車輛周圍環(huán)境信息,進(jìn)而做出更精確的判斷[8]。
(3)車間通信技術(shù):基于無線、網(wǎng)絡(luò)等等近、遠(yuǎn)程通訊技術(shù),可以獲得其他傳感手段難以實(shí)現(xiàn)的宏觀行駛環(huán)境信息,使運(yùn)行車輛間共享道路、其他車輛、中心調(diào)度等其他交通信息,進(jìn)一步構(gòu)建更為高效準(zhǔn)確的綜合運(yùn)輸系統(tǒng)。
和普通的無人駕駛汽車不同,礦用無人駕駛卡車沒有復(fù)雜的人流信息、車流信息、路標(biāo)信息等路況信息需要處理,道路條件相對簡單,但是道路經(jīng)常變化卻是一個難點(diǎn)。所以建設(shè)礦山三維地理信息系統(tǒng),對于礦山道路經(jīng)常變化,建立礦山地理信息系統(tǒng)有利于礦用無人駕駛車輛的路徑規(guī)劃,將礦山道路規(guī)劃輸入無人駕駛系統(tǒng)后,無人駕駛自卸車即可自行沿著礦山道路進(jìn)行循跡行駛。
無人駕駛自卸車必須擁有先進(jìn)的智能避障功能。在遇到前方障礙物后,車輛控制單元將判斷障礙物的類型及大小,無論是落石、車輛還是行人,系統(tǒng)都需做出準(zhǔn)確辨別,從而制定最佳的避障路徑或減速通過。車輛的檢障和避障是保證無人駕駛礦車安全行駛的前提。檢障和避障技術(shù)主要包括以下幾個方面:
(1)障礙物檢測。障礙物檢測也是環(huán)境感知的一部分,障礙物分為靜止的障礙物和動態(tài)的障礙物,靜止的障礙物檢測較為簡單,運(yùn)動的障礙物檢測較為復(fù)雜。障礙物的檢測方法主要有兩種,一種是基于激光雷達(dá)的和毫米波雷達(dá)的檢測方法,另一種是基于立體視覺的檢測方法。激光雷達(dá)檢測方法主要有三種:地圖差分法、實(shí)體類聚法、目標(biāo)跟蹤法。地圖差分法是指根據(jù)地圖上不同障礙物在不同時刻的狀態(tài)來分析障礙物分布得到物體運(yùn)動信息。物體聚類法通過將激光雷達(dá)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,將運(yùn)動障礙物的實(shí)體信息根據(jù)分類進(jìn)行匯總。目標(biāo)跟蹤法指對障礙物進(jìn)行軌跡跟蹤獲得障礙物運(yùn)動信息。立體視覺檢測方法主要有四種。probabilistic occupancy maps:把機(jī)器眼中的世界劃分成由很多小網(wǎng)格組成的大網(wǎng)格,來計(jì)算不同時間刻度下這些網(wǎng)格連接之間的相關(guān)性;digital elevation map:基于高度的網(wǎng)格表示法;scene flow segmentation:給定來自一對立體相機(jī)的2個連續(xù)幀,運(yùn)用3D場景流方法同時估計(jì)觀察場景的3D幾何和運(yùn)動;幾何的聚類方法:即對三維空間中點(diǎn)云形成的幾何形狀做聚類。
(2)運(yùn)動障礙物軌跡預(yù)測。對于障礙物的軌跡預(yù)測主要的方法預(yù)測方法有假設(shè)原狀法和概率軌跡法。假設(shè)原狀法主要是通過傳感器獲得某一時刻障礙物的運(yùn)動狀態(tài)(距離、速度等),然后假設(shè)該障礙物會以此時的運(yùn)動狀態(tài)保持下去,即以此時刻的速度為初速度做勻速直線運(yùn)動。概率軌跡法是在假設(shè)原狀法的基礎(chǔ)上引入了概率分布,對軌跡的可能性做出概率預(yù)測。
(3)障礙物躲避。障礙物躲避是在通過檢測障礙物以及獲取了障礙物的軌跡預(yù)測后,即對運(yùn)動物體軌跡可能與無人駕駛汽車當(dāng)前軌跡有重合可能的情況時,判斷其碰撞關(guān)系,并規(guī)劃車輛的運(yùn)行路徑。該技術(shù)主要結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法及控制類相關(guān)模型進(jìn)行。通過人工智能技術(shù)干預(yù)決策和路徑設(shè)計(jì),保證無人駕駛車輛的運(yùn)行安全。
智能控制系統(tǒng),是整個無人駕駛系統(tǒng)的最后一環(huán),是將環(huán)境識別,路徑規(guī)劃,機(jī)器決策的結(jié)論付諸實(shí)踐的執(zhí)行者??刂葡到y(tǒng)將來自決策系統(tǒng)的路徑規(guī)劃落實(shí)到車輛機(jī)構(gòu)的動作上??刂七^程的目標(biāo)就是使車輛的位置、姿態(tài)、速度、加速度等重要參數(shù),符合最新決策結(jié)果。控制系統(tǒng)按照行車動作分為,縱向控制,橫向控制。按照控制的部件分,包括加速控制、剎車控制、轉(zhuǎn)向控制、燈光控制、喇叭控制、舉升和下降控制。通過智能控制系統(tǒng),確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的精確性及可靠性,整車執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有高度的自主權(quán)。
本文綜述了目前國內(nèi)外無人駕駛礦用自卸車的發(fā)展?fàn)顩r,總結(jié)了無人駕駛礦用自卸車的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:自主裝卸、自主循跡駕駛、智能避障技術(shù)、智能控制技術(shù)。在無人駕駛礦用自卸車的發(fā)展上,小松走在了世界的前列,已經(jīng)擁有了較為成熟的無人駕駛礦用自卸車。加拿大、澳大利亞等國在無人礦車的使用,智能礦山的建設(shè)方面積累了經(jīng)驗(yàn)。
無人駕駛礦用自卸車在安全性和經(jīng)濟(jì)性上具有無可比擬的優(yōu)勢,通過智能化的控制,將因人員操作失誤而造成的設(shè)備損失和人員損害降到“零”,同時大幅降低人力成本和燃料成本,顯著提升管理效率,并可以有效避免駕駛員野蠻操作造成的設(shè)備維修成本的增加。
目前我國的無人駕駛礦用車雖然有徐工、北方股份、同力重工研制出了相關(guān)產(chǎn)品,但是并沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的部署,產(chǎn)品仍處于試驗(yàn)階段。我國在無人駕駛礦用自卸車的研發(fā)上還有較長的路要走。礦山設(shè)備的無人化、智能化是未來礦山設(shè)備發(fā)展的趨勢,隨著我國在人工智能、無人駕駛等先進(jìn)技術(shù)的投入越來越大,相信在廣大科研工作者和相關(guān)礦山設(shè)備廠商的努力下一定會變成現(xiàn)實(shí),同時也希望自己以后可以為無人駕駛礦用自卸車的研發(fā)貢獻(xiàn)自己的力量。