李晨鑫， 張立亞

（1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2. 煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3. 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)不斷好轉(zhuǎn)，隨著煤礦智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃有效推動(dòng)落實(shí)，采煤工作面和掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程控制、煤礦井下車(chē)輛無(wú)人駕駛遠(yuǎn)程控制等自動(dòng)化采掘技術(shù)、智能化輔助運(yùn)輸技術(shù)成為不斷推動(dòng)各項(xiàng)技術(shù)裝備部署、積極落實(shí)減人目標(biāo)的具體技術(shù)手段[1-3]。目前工作面遠(yuǎn)程控制等自動(dòng)化采掘技術(shù)應(yīng)用較多，減人效果顯著，而智能化輔助運(yùn)輸技術(shù)仍有待開(kāi)展系統(tǒng)性研究和應(yīng)用。煤礦井下輔助運(yùn)輸承擔(dān)著設(shè)備、材料、人員的運(yùn)輸任務(wù)，是煤礦井下生產(chǎn)建設(shè)的重要保障環(huán)節(jié)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦井下輔助運(yùn)輸作業(yè)人員占煤礦井下人員的1/3以上[4]。因此，研究煤礦井下自動(dòng)駕駛技術(shù)、實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)輸，對(duì)于支撐“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”具有重要意義，能夠?yàn)槊旱V井下全面無(wú)人化生產(chǎn)與管理打下良好基礎(chǔ)[5]。

當(dāng)前在地面交通領(lǐng)域中，C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything，蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)）、5G等通信技術(shù)及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，有力推動(dòng)了自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外主流車(chē)企先后規(guī)劃了L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛車(chē)輛的實(shí)施方案。自動(dòng)駕駛具有高度安全性和高度可靠性要求，只有通過(guò)C-V2X等網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)建立V2V（車(chē)與車(chē)）、V2I（車(chē)與路側(cè)設(shè)備）、V2P（車(chē)與人）、V2N（車(chē)與網(wǎng)絡(luò)）的低時(shí)延、高可靠信息傳輸通道，通過(guò)多維度、全方面的感知信息共享和協(xié)同控制調(diào)度，與車(chē)輛自身感知能力融合互補(bǔ)，才能滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛的高度安全性和高度可靠性需求，因此，網(wǎng)聯(lián)化的協(xié)同式自動(dòng)駕駛成為國(guó)內(nèi)外自動(dòng)駕駛發(fā)展模式的主流技術(shù)路線。

現(xiàn)階段，自動(dòng)駕駛在露天煤礦的應(yīng)用具有一定的研究基礎(chǔ)，由于露天煤礦場(chǎng)景相對(duì)封閉，礦卡駕駛路線固定，行駛速度較低，且露天煤礦場(chǎng)地開(kāi)闊，GNSS（Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）信號(hào)和無(wú)線通信信號(hào)傳輸環(huán)境均較為優(yōu)越，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的技術(shù)難度相對(duì)較低。集成GNSS RTK（Real Time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）定位、激光+視覺(jué)+毫米波感知、融合信息處理與決策規(guī)劃、5G+C-V2X等技術(shù)的無(wú)人礦卡已在中煤平朔集團(tuán)有限公司、 華能伊敏煤電有限責(zé)任公司、紫金礦業(yè)集團(tuán)青海有限公司果洛礦區(qū)、國(guó)家能源集團(tuán)神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦等現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了應(yīng)用[6]。

井工煤礦運(yùn)輸環(huán)境與露天煤礦差異顯著，目前公開(kāi)研究成果相對(duì)較少。煤礦井下無(wú)GNSS信號(hào)覆蓋，需要解決高精定位問(wèn)題。巷道中照度低、遮擋物與障礙物較多、煤塵粉塵普遍存在等因素均會(huì)對(duì)單車(chē)感知產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，出于安全管控和提升生產(chǎn)效率的需要，煤礦井下運(yùn)輸車(chē)輛既需要單車(chē)的自動(dòng)運(yùn)行，又需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度車(chē)輛的整體運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)“人-車(chē)-巷-云”協(xié)同控制。

本文系統(tǒng)梳理了地面交通領(lǐng)域的自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，分析了煤礦井下環(huán)境對(duì)井下自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用的影響，指出了煤礦井下自動(dòng)駕駛研究的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了適用于井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參考架構(gòu)，介紹了井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛技術(shù)演進(jìn)和發(fā)展路徑。

1 煤礦井下自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)

地面交通領(lǐng)域自動(dòng)駕駛技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究和試驗(yàn)，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界已對(duì)技術(shù)路線形成一致共識(shí)，即基于智能化和網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)高等級(jí)自動(dòng)駕駛（L4和L5），滿(mǎn)足極高的安全性和可靠性要求[7]。煤礦井下自動(dòng)駕駛需要面臨安全生產(chǎn)和車(chē)輛安全運(yùn)行的雙重嚴(yán)苛要求，同樣需要基于智能化和網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)融合互補(bǔ)確保高度的安全性。本節(jié)首先分析地面交通領(lǐng)域自動(dòng)駕駛智能化和網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，系統(tǒng)分析并指出智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1.1 地面自動(dòng)駕駛智能化技術(shù)與網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)

智能化技術(shù)包括感知定位技術(shù)、決策規(guī)劃技術(shù)、控制執(zhí)行技術(shù)。

感知定位技術(shù)基本原理如圖1所示，基于激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等對(duì)道路實(shí)際環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)精確感知，結(jié)合GNSS高精定位信息，與預(yù)先制作的高精地圖進(jìn)行語(yǔ)義級(jí)特征匹配，確定自動(dòng)駕駛汽車(chē)自身位置及周邊物體（障礙物）位置[8]。

圖1 自動(dòng)駕駛感知定位技術(shù)基本原理Fig. 1 Basic principle of perception positioning technology of automatic driving

決策規(guī)劃技術(shù)包括行為決策、路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃等技術(shù)，用于確定車(chē)輛運(yùn)行策略。

控制執(zhí)行技術(shù)主要是通過(guò)執(zhí)行車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的控制，支持車(chē)輛運(yùn)行策略的實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)通過(guò)C-V2X的PC5直連通信接口實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P通信，通過(guò)Uu接口蜂窩通信實(shí)現(xiàn)V2N通信[9]，建立人-車(chē)-路-網(wǎng)絡(luò)之間低時(shí)延、高可靠信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)多維度、全方面的感知信息共享和協(xié)同調(diào)度控制，彌補(bǔ)車(chē)輛傳感器感知盲區(qū)等不足。C-V2X技術(shù)的兩類(lèi)通信接口如圖2所示，其中Uu接口是針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)需求增強(qiáng)的4G/5G技術(shù)。

圖2 C-V2X通信接口Fig. 2 C-V2X communication interface

1.2 煤礦井下自動(dòng)駕駛智能化關(guān)鍵技術(shù)

煤礦井下巷道環(huán)境對(duì)智能化技術(shù)的應(yīng)用有顯著影響，為了實(shí)現(xiàn)煤礦井下智能化技術(shù)的安全可靠應(yīng)用，需要針對(duì)以下關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究：

（1） 無(wú)GNSS的移動(dòng)高精定位技術(shù)：GNSS信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)井下覆蓋，自動(dòng)駕駛技術(shù)最為常規(guī)的GNSS RTK技術(shù)無(wú)法適用。需要基于已有精確定位技術(shù)（如超寬帶（Ultra Wide Band，UWB））開(kāi)展增強(qiáng)研究，以適應(yīng)自動(dòng)駕駛最高厘米級(jí)的高精度定位需求。

（2） 激光雷達(dá)的井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：激光雷達(dá)主要包括飛行時(shí)間（Time of Flight，TOF）激光雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）激光雷達(dá)。TOF激光雷達(dá)是目前的主流技術(shù)，原理簡(jiǎn)單；FMCW激光雷達(dá)原理復(fù)雜，但能夠通過(guò)匹配濾波避免多個(gè)激光雷達(dá)共存時(shí)的相互干擾。需要針對(duì)煤礦井下受限空間環(huán)境特點(diǎn)，在多車(chē)輛、巷道側(cè)部署激光雷達(dá)，驗(yàn)證TOF激光雷達(dá)能否在相互干擾狀況下穩(wěn)定工作。此外，煤塵、粉塵粒度與激光雷達(dá)典型波長(zhǎng)相近，需要驗(yàn)證吸收效應(yīng)對(duì)檢測(cè)精度的影響。

（3） 基于毫米波雷達(dá)的井下障礙物檢測(cè)技術(shù)：毫米波雷達(dá)分為脈沖式和FMCW式兩類(lèi)，F(xiàn)MCW毫米波雷達(dá)是目前主流類(lèi)型。毫米波雷達(dá)能夠精確測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度，具有體積小、精度相對(duì)高、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、不受雨雪天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，探測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)300 m，可作為井下障礙物檢測(cè)的主要技術(shù)。

（4） 井下低照度視頻實(shí)時(shí)增強(qiáng)和特征匹配技術(shù)：煤礦井下AI（Artificial Intelligence，人工智能）視頻分析、礦山電子封條等技術(shù)應(yīng)用廣泛，應(yīng)用門(mén)檻低，但井下低照度下能否實(shí)時(shí)完成圖像增強(qiáng)和特征匹配需要開(kāi)展針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[10]。

（5） 井下環(huán)境高精地圖技術(shù)：高精地圖技術(shù)目前在地面的應(yīng)用受到地理信息安全、信息安全政策法規(guī)的限制。煤礦井下屬于封閉場(chǎng)景，車(chē)輛、設(shè)備均可封閉管控，結(jié)合三維GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）等現(xiàn)有成熟技術(shù)，煤礦井下的高精地圖應(yīng)用壁壘顯著降低。

（6） 井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛決策規(guī)劃技術(shù)：由于煤礦井下環(huán)境封閉，智慧運(yùn)輸?shù)慕煌ōh(huán)境、道路分布的復(fù)雜度遠(yuǎn)低于地面交通，煤礦井下規(guī)劃決策可重用地面常規(guī)技術(shù)。

（7） 井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛控制執(zhí)行技術(shù)：井下車(chē)輛線控、電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮防爆要求，但可重用地面常規(guī)技術(shù)。

1.3 煤礦井下自動(dòng)駕駛網(wǎng)聯(lián)化關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)在地面交通和露天煤礦應(yīng)用的主流方案是C-V2X直連通信+5G蜂窩通信，井工煤礦目前主要采用5G技術(shù)開(kāi)展遠(yuǎn)程駕駛應(yīng)用測(cè)試。C-V2X中的LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）-V2X直連通信能夠提高最大20 ms空口時(shí)延[11]，NR（New Radio，新空口）-V2X直連通信設(shè)計(jì)目標(biāo)是3 ms空口時(shí)延，支持單播、組播、廣播傳輸方式，并支持基于反饋的傳輸[12]，時(shí)延更低，可靠性更高，但尚未進(jìn)入技術(shù)應(yīng)用階段。目前C-V2X在煤礦井下應(yīng)用的公開(kāi)研究資料較少。

煤礦5G技術(shù)近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，5G系統(tǒng)在煤礦的建設(shè)推進(jìn)迅速[13-14]。5G遠(yuǎn)程駕駛、5G+UWB車(chē)輛管理已開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和初步應(yīng)用，能夠支撐V2N業(yè)務(wù)需求[15]。然而，煤礦井下通信中上行鏈路傳輸資源需求顯著，因此礦用5G系統(tǒng)需支持1D3U的幀結(jié)構(gòu)配置。煤礦井下自動(dòng)駕駛的網(wǎng)聯(lián)技術(shù)還需要聚焦其他頻譜資源，以減輕5G上行傳輸?shù)呢?fù)載。C-V2X直連通信可使用智能交通系統(tǒng)專(zhuān)用頻段，即Band47（5 855～5 925 MHz），包括工信部已經(jīng)分配的5 905～5 925 MHz及5G NR-V2X潛在可能使用的40 MHz候選頻譜（5 865～5 905 MHz）。

因此，開(kāi)展煤礦井下自動(dòng)駕駛C-V2X直連通信研究具有顯著的必要性，主要方向如下 ：

（1） 井下巷道5.9 GHz頻段信號(hào)傳輸特性：5.9 GHz頻段是專(zhuān)用于智能交通系統(tǒng)的頻段，需要在煤礦井下開(kāi)展信號(hào)傳輸特性研究，為井下C-V2X系統(tǒng)信號(hào)覆蓋方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2） 井下直連通信時(shí)間同步機(jī)制：根據(jù)中國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LTE-V2X設(shè)備必選的時(shí)間同步方式為GNSS[16-17]，需要針對(duì)井下無(wú)GNSS場(chǎng)景開(kāi)展直連通信時(shí)間同步機(jī)制研究和試驗(yàn)。

（3） 井下自動(dòng)駕駛場(chǎng)景及應(yīng)用協(xié)議：C-V2X應(yīng)用層協(xié)議是針對(duì)地面交通領(lǐng)域的，還需開(kāi)展井下自動(dòng)駕駛場(chǎng)景研究，定義針對(duì)井下的應(yīng)用層協(xié)議。

（4） 多接入技術(shù)適配機(jī)制：在C-V2X+5G多種無(wú)線接入技術(shù)共存的情況下，需要構(gòu)建多業(yè)務(wù)的需求模型，研究業(yè)務(wù)與接入技術(shù)映射和選擇機(jī)制。

綜上分析可知，煤礦井下開(kāi)展自動(dòng)駕駛研究與應(yīng)用存在空間封閉受限、低照度、遮擋物及障礙物較多、無(wú)GNSS信號(hào)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。但與地面交通領(lǐng)域自動(dòng)駕駛技術(shù)存在無(wú)人駕駛的法規(guī)限制、多異構(gòu)信息物理系統(tǒng)接口互通存在難題、網(wǎng)聯(lián)化設(shè)備滲透率低、運(yùn)營(yíng)主體及商業(yè)模式尚不清晰、安全認(rèn)證管理機(jī)構(gòu)尚不明確等問(wèn)題相比，煤礦井下網(wǎng)聯(lián)化自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用的前景則具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在如下方面：

（1） 應(yīng)用目標(biāo)明確：少人化、無(wú)人化的煤礦輔助運(yùn)輸。

（2） 管理運(yùn)營(yíng)主體明確：礦方為管理方，煤礦系統(tǒng)服務(wù)提供商為建設(shè)服務(wù)方。

（3） 煤礦井下自動(dòng)駕駛場(chǎng)景封閉、路線固定，且車(chē)輛運(yùn)行速度相對(duì)慢，最高運(yùn)行速度為30 km/h。

（4） 車(chē)輛智能化及網(wǎng)聯(lián)化裝備滲透率可控，具備統(tǒng)一裝配的條件。

（5） 煤礦5G廣泛建設(shè)，已有成熟的應(yīng)用案例。

（6） 煤礦井下車(chē)輛通常為定制化開(kāi)發(fā)，接口開(kāi)放，不存在門(mén)檻。

煤礦井下智能化、網(wǎng)聯(lián)化關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 煤礦井下智能化、網(wǎng)聯(lián)化關(guān)鍵技術(shù)Table 1 Key technologies of underground intelligent technologies and network connected technologies

2 煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛技術(shù)架構(gòu)及演進(jìn)路徑

基于對(duì)煤礦井下自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)的分析，筆者提出了煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參考架構(gòu)，結(jié)合各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及演進(jìn)預(yù)期，分析了煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛演進(jìn)路徑。

2.1 煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參考架構(gòu)

煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參考架構(gòu)如圖3所示，包括煤礦井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛、井下巷道基礎(chǔ)設(shè)施、煤礦云/邊緣計(jì)算平臺(tái)及煤礦自動(dòng)駕駛應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。

圖3 煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參考架構(gòu)Fig. 3 Reference architecture of underground coal mine network connected and automatic driving system

2.1.1 煤礦井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛

煤礦井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛包括以下模塊：

（1） 感知定位系統(tǒng)：包括檢測(cè)傳感器、礦井高精定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和高精定位等功能。其中檢測(cè)傳感器包括用于環(huán)境要素匹配的檢測(cè)傳感器和用于障礙物檢測(cè)的傳感器，前者可為低照度高清攝像頭或者激光雷達(dá)，后者可以為毫米波雷達(dá)。礦井高精定位系統(tǒng)目前可為UWB定位系統(tǒng)，未來(lái)還可應(yīng)用基于3GPP Release 17及其演進(jìn)版本的蜂窩網(wǎng)定位系統(tǒng)，或者3GPP Release 18正在研究的直連通信定位系統(tǒng)。

（2） 網(wǎng)聯(lián)協(xié)同系統(tǒng)：包括C-V2X直連通信模組和5G通信模組。其中LTE-V2X直連通信宜承載交通調(diào)度指令廣播和車(chē)輛行駛狀態(tài)廣播，NR-V2X直連通信宜承載車(chē)巷傳感器數(shù)據(jù)交互共享、高等級(jí)自動(dòng)駕駛規(guī)劃決策等業(yè)務(wù)，5G通信宜承載井下高精地圖下發(fā)和自動(dòng)駕駛版本更新等業(yè)務(wù)。

（3） 車(chē)載操作系統(tǒng)：包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)程序、中間件、適配器等基礎(chǔ)組件及環(huán)境感知融合、自主駕駛決策規(guī)劃、車(chē)輛控制執(zhí)行、車(chē)輛監(jiān)測(cè)監(jiān)控等算法軟件的運(yùn)行環(huán)境。其中，高精地圖需要按照自車(chē)傳感器類(lèi)型進(jìn)行制作，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的全部井下環(huán)境進(jìn)行采集。

（4） 車(chē)輛基礎(chǔ)組件：包括車(chē)輛線控系統(tǒng)、電子電氣架構(gòu)、安全動(dòng)力系統(tǒng)等，提供車(chē)輛運(yùn)行、控制等基礎(chǔ)功能。車(chē)輛線控系統(tǒng)包括線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控?fù)Q擋、線控油門(mén)、線控懸掛5個(gè)關(guān)鍵模塊，是煤礦井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛改造最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

2.1.2 井下巷道基礎(chǔ)設(shè)施

巷道應(yīng)部署C-V2X RSU（Road Side Unit，路側(cè)單元）、5G基站及感知設(shè)備等，用于提供車(chē)輛、人員、平臺(tái)之間的通信鏈路，獲取車(chē)輛運(yùn)行和人員情況，提供巷道側(cè)感知數(shù)據(jù)、平臺(tái)側(cè)控制/調(diào)度指令等，彌補(bǔ)單車(chē)感知不足，降低車(chē)端計(jì)算能力要求，實(shí)現(xiàn)車(chē)巷協(xié)同。

巷道側(cè)的感知設(shè)備需要具備環(huán)境因素精確感知能力，通過(guò)煤礦云/邊緣計(jì)算平臺(tái)的下沉或者與計(jì)算平臺(tái)的高速數(shù)據(jù)交互，獲取感知數(shù)據(jù)和無(wú)線定位數(shù)據(jù)融合結(jié)果，生成巷道內(nèi)移動(dòng)物體的結(jié)構(gòu)化信息；通過(guò)C-V2X RSU廣播類(lèi)似地面環(huán)境的RSM（Road Safety Message，道路安全消息），實(shí)現(xiàn)巷道數(shù)字地理空間要素的播發(fā)和構(gòu)建，是車(chē)巷協(xié)同的關(guān)鍵。

2.1.3 煤礦云/邊緣計(jì)算平臺(tái)

煤礦云/邊緣計(jì)算平臺(tái)用于提供煤礦自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的算力資源、信息物理系統(tǒng)協(xié)同控制模型等。其中，信息物理系統(tǒng)協(xié)同控制模型需要滿(mǎn)足“環(huán)境實(shí)時(shí)仿真+精準(zhǔn)預(yù)測(cè)+動(dòng)態(tài)控制”的要求。環(huán)境實(shí)時(shí)仿真即通過(guò)強(qiáng)大算力和魯棒算法快速精確實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和無(wú)線定位數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建巷道數(shù)據(jù)空間；精準(zhǔn)預(yù)測(cè)需要結(jié)合環(huán)境實(shí)時(shí)仿真快速分析巷道內(nèi)移動(dòng)物體和環(huán)境變化因素，實(shí)時(shí)提供車(chē)輛運(yùn)行策略；動(dòng)態(tài)控制則是對(duì)車(chē)輛運(yùn)行策略的微觀轉(zhuǎn)化，即通過(guò)執(zhí)行基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的車(chē)輛微觀動(dòng)作組合指令，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛控制，執(zhí)行車(chē)輛運(yùn)行策略，實(shí)時(shí)給車(chē)輛基礎(chǔ)組件提供可執(zhí)行、可量化的指令。自動(dòng)駕駛的信息物理系統(tǒng)協(xié)同控制模型構(gòu)建是自動(dòng)駕駛?cè)?shù)字巷道的關(guān)鍵要素。

2.1.4 煤礦自動(dòng)駕駛應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)

煤礦自動(dòng)駕駛應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)用于為車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控、車(chē)輛自主駕駛、井下運(yùn)輸調(diào)度等應(yīng)用場(chǎng)景提供服務(wù)，向上為井上人員提供監(jiān)測(cè)、控制的界面操作接口，向下為計(jì)算平臺(tái)提供模型更新的數(shù)據(jù)接口，為井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供控制指令接口。

2.2 煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛演進(jìn)路徑

煤礦自動(dòng)駕駛的應(yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”，基于這一目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前煤礦領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及演進(jìn)趨勢(shì)，煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛的演進(jìn)路徑將經(jīng)歷3個(gè)階段，最終實(shí)現(xiàn)高度無(wú)人化的智能運(yùn)輸。

（1） 第1階段：遠(yuǎn)程自動(dòng)駕駛。當(dāng)前我國(guó)煤礦5G通信系統(tǒng)建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展期，已經(jīng)具備支持3GPP定義的遠(yuǎn)程自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)能力。煤礦井下遠(yuǎn)程自動(dòng)駕駛主要通過(guò)高精攝像裝置實(shí)時(shí)回傳車(chē)輛運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，結(jié)合UWB高精定位結(jié)果，依托5G低時(shí)延、大帶寬、高可靠的特性，位于地面遠(yuǎn)程控制中心的操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)操作遠(yuǎn)程控制裝置，下發(fā)對(duì)應(yīng)指令給車(chē)輛執(zhí)行。

煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛的第1階段實(shí)現(xiàn)車(chē)輛駕駛?cè)藛T由井下向井上的轉(zhuǎn)移。我國(guó)目前已擁有了煤礦井下遠(yuǎn)程駕駛的應(yīng)用案例，如國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭上灣煤礦、陜煤榆北煤業(yè)公司曹家灘煤礦成功開(kāi)展了測(cè)試驗(yàn)證和初步應(yīng)用。

（2） 第2階段：具有緊急接管邊界的車(chē)輛自動(dòng)駕駛。3GPP TS 22.186定義了支持自動(dòng)駕駛的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景指標(biāo)[18]（表2），遠(yuǎn)程駕駛應(yīng)用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)（5G），但高級(jí)自動(dòng)駕駛、傳感器共享等場(chǎng)景還需要依托C-V2X直連通信實(shí)現(xiàn)車(chē)巷協(xié)同。

表2 3GPP TS22.186定義的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景指標(biāo)Table 2 Application scene indicator of V2X defined in 3GPP TS 22.186

煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛同樣需要依托演進(jìn)的自動(dòng)駕駛網(wǎng)聯(lián)化和智能化技術(shù)不斷發(fā)展。C-V2X中的NR直連通信能夠支持單播、組播、廣播通信方式，承載多樣化業(yè)務(wù)傳輸；支持直連通信反饋機(jī)制，終端自主資源分配機(jī)制下支持重評(píng)估和搶占機(jī)制，具有高可靠傳輸性能；支持多種基帶參數(shù)配置，能夠?qū)崿F(xiàn)在最低0.125 ms時(shí)域資源粒度下支持更低時(shí)延性能；預(yù)期即將開(kāi)展國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化及相關(guān)的測(cè)試驗(yàn)證。隨著C-V2X直連通信設(shè)備和各種感知定位設(shè)備在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)性試驗(yàn)驗(yàn)證的開(kāi)展，煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛的第2階段將向基于車(chē)巷協(xié)同的車(chē)輛自動(dòng)駕駛方向發(fā)展，自動(dòng)駕駛的通信資源和鏈路可以向低時(shí)延、高可靠、大帶寬的C-V2X直連通信轉(zhuǎn)移，從而減輕5G網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路負(fù)載。但限于自動(dòng)駕駛和井下生產(chǎn)的雙重安全性要求，需設(shè)定自動(dòng)駕駛車(chē)輛緊急接管的邊界條件，將遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)駕駛作為接管手段，井上操作人員具有最高控制權(quán)，確保井下自動(dòng)駕駛的安全性。

（3） 第3階段：車(chē)輛自主駕駛。煤礦井下自動(dòng)駕駛最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高度無(wú)人化的智能運(yùn)輸。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)、煤礦井下智能化和網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的長(zhǎng)期試驗(yàn)、系統(tǒng)驗(yàn)證，隨著自動(dòng)駕駛的功能安全和預(yù)期功能安全關(guān)鍵機(jī)制的全面細(xì)化明確，煤礦井下的自動(dòng)駕駛安全邊界將得到明確定義，以實(shí)現(xiàn)高度安全可靠的車(chē)輛自主駕駛。

煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛第3階段將實(shí)現(xiàn)“人-車(chē)-巷-云”協(xié)同控制、安全高效自主運(yùn)行、支持高度無(wú)人化的智能運(yùn)輸。

3 結(jié)論

（1） 系統(tǒng)分析了地面自動(dòng)駕駛智能化技術(shù)和C-V2X、5G等網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的現(xiàn)狀及特點(diǎn)；結(jié)合煤礦井下需求與環(huán)境，詳細(xì)分析并指出智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)在煤礦井下自動(dòng)駕駛應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)問(wèn)題，指出煤礦井下開(kāi)展自動(dòng)駕駛研究與應(yīng)用存在空間封閉受限、低照度、遮擋物及障礙物較多、無(wú)GNSS信號(hào)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，但具有少人化/無(wú)人化需求顯著、運(yùn)營(yíng)管理主體明確、場(chǎng)景封閉、路線固定、車(chē)速較慢、滲透率可控、5G建設(shè)基礎(chǔ)較好、接口易開(kāi)放等顯著優(yōu)勢(shì)。

（2） 提出了煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參考架構(gòu)，包括井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛、巷道基礎(chǔ)設(shè)施、煤礦云/邊緣計(jì)算平臺(tái)、煤礦自動(dòng)駕駛應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)；設(shè)計(jì)了煤礦自動(dòng)駕駛車(chē)輛架構(gòu)，包括感知定位系統(tǒng)、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同系統(tǒng)、車(chē)載操作系統(tǒng)、車(chē)輛基礎(chǔ)組件。

（3） 提出煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛演進(jìn)將經(jīng)歷3個(gè)階段：第1階段為遠(yuǎn)程自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛駕駛?cè)藛T從井下到井上的轉(zhuǎn)移；第2階段為具有緊急接管邊界的車(chē)輛自動(dòng)駕駛，以車(chē)輛自動(dòng)駕駛為主，將遠(yuǎn)程緊急接管作為安全保障手段；第3階段為“人-車(chē)-巷-云”協(xié)同控制，井下自動(dòng)駕駛車(chē)輛安全高效自主運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高度無(wú)人化智能運(yùn)輸。