露天礦山運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)作業(yè)分析

2023-01-03 02:00:32于德君

露天采礦技術(shù) 2022年5期

于德君，栗飛

（國家能源準(zhǔn)能集團(tuán)公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

縱觀礦山運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)發(fā)展歷程，相關(guān)學(xué)者早于20 世紀(jì)90 年代便已開始研究和開發(fā)無人駕駛系統(tǒng)，卡特彼勒公司等企業(yè)已將其投入生產(chǎn)中。基于國家工業(yè)4.0 戰(zhàn)略、新科技賦能與中國制造2025戰(zhàn)略，露天礦山作業(yè)的未來發(fā)展指向工業(yè)化與信息化的深層次融合，無人化、智能化采礦技術(shù)的研發(fā)；無人駕駛技術(shù)正處于高速發(fā)展時(shí)期，露天礦山的獨(dú)特作業(yè)條件和環(huán)境契合無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用訴求。對(duì)于露天礦山作業(yè)而言，無人駕駛系統(tǒng)作業(yè)可縮減生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能柔性調(diào)整與采運(yùn)靈活配置。因此，如何將無人駕駛系統(tǒng)運(yùn)用于露天礦山運(yùn)輸作業(yè)中，是相關(guān)工作者必須探究的時(shí)代問題。

1 露天礦山運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的作業(yè)方式

1.1 正常作業(yè)方式

1）系統(tǒng)上電自檢。在車載電氣設(shè)備上電之前，需展開如下檢查：停車場職員需核查車輛狀態(tài)與上線運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)是否相符；調(diào)度員需判斷露天礦山環(huán)境與無人駕駛系統(tǒng)的工作訴求是否相符。當(dāng)以上2 點(diǎn)符合相關(guān)要求時(shí)，調(diào)度員需指引停車場有關(guān)工作者替車輛電器上電，而在上電之后，無人駕駛系統(tǒng)將對(duì)車載設(shè)備展開全方位自檢，即無人駕駛系統(tǒng)將嚴(yán)密檢查車輛的基礎(chǔ)狀態(tài)和車載的傳感器狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，并將自檢結(jié)果發(fā)送至調(diào)度員。自檢結(jié)果不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無人駕駛系統(tǒng)將向調(diào)度員發(fā)送失敗原因，等待其處理故障；自檢結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)度員將依憑無人駕駛系統(tǒng)執(zhí)行后續(xù)作業(yè)[1]。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)及系統(tǒng)靜態(tài)測試。發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)的程序?yàn)椋赫{(diào)度員在車載電器設(shè)備完成自檢后，需告知停車場職員撤離無人駕駛車輛，處于安全區(qū)。調(diào)度員在停車場職員報(bào)告已步入安全區(qū)后，需發(fā)布發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)命令，啟動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)，無人駕駛系統(tǒng)將展開以評(píng)估車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等底層執(zhí)行組織功能狀態(tài)為目的的靜態(tài)測試。靜態(tài)測試即無人駕駛系統(tǒng)將向車輛底層執(zhí)行組織傳輸一定的控制指令，同時(shí)，接收車輛底層執(zhí)行組織反饋的指令執(zhí)行情況，并憑借比較執(zhí)行結(jié)果及控制指令，評(píng)估車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)是否符合作業(yè)訴求[2]。

3）作業(yè)任務(wù)分配。車輛的基礎(chǔ)作業(yè)任務(wù)包含裝載、加油、卸載、發(fā)車、排土、收車等，且涵蓋作業(yè)內(nèi)容、起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)和次數(shù)等資料。在無人駕駛系統(tǒng)模式下，調(diào)度員指定和外部輸入是露天礦山分配作業(yè)任務(wù)的2 種形式：①調(diào)度員指定即調(diào)度員依憑無人駕駛系統(tǒng)，以手動(dòng)的辦法向車輛指定作業(yè)任務(wù)；②外部輸入即調(diào)度員以礦山智能調(diào)度系統(tǒng)為媒介[3]，借助無人駕駛系統(tǒng)的外部接口，向車輛傳達(dá)無人駕駛系統(tǒng)可識(shí)別的調(diào)度命令。

4）設(shè)計(jì)參考路線。無人駕駛系統(tǒng)在接受作業(yè)任務(wù)后將依據(jù)最佳路徑算法替車輛設(shè)計(jì)1 條運(yùn)行參考路線。無人駕駛車輛的具體行程如下：①無人駕駛車輛通過靜態(tài)測試與上電自檢；②以露天礦山的作業(yè)現(xiàn)狀為依據(jù)，選擇適宜的作業(yè)任務(wù)分配方式，將作業(yè)任務(wù)傳達(dá)給車輛；③無人駕駛系統(tǒng)替車輛計(jì)劃從作業(yè)起始點(diǎn)到完結(jié)點(diǎn)的最佳運(yùn)行參考路線；④調(diào)度員需詳細(xì)審核參考路線及作業(yè)任務(wù)信息，確定其正確無誤后，指控車輛自啟動(dòng)、駛往目的地[4]。

5）聯(lián)合裝載。無人駕駛系統(tǒng)在車輛到達(dá)裝載區(qū)后，將指控車輛與挖掘機(jī)相配合，順利完成裝載。無人駕駛系統(tǒng)給車輛在裝載區(qū)設(shè)有專門的候車區(qū)，車輛駛?cè)胙b載區(qū)后，在候車區(qū)存在諸多排隊(duì)車輛、裝載區(qū)存在作業(yè)車輛的狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將指控車輛排隊(duì)等待，并以等待車輛隊(duì)列順序?yàn)橐罁?jù)[5]，以“先進(jìn)先出”的順序展開裝載；在挖掘機(jī)駕駛者的“進(jìn)車信號(hào)”尚未發(fā)送、候車區(qū)亦不存在排隊(duì)車輛的狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將指控車輛進(jìn)入候車區(qū)等候“進(jìn)車信號(hào)”；在挖掘機(jī)駕駛者的“進(jìn)車信號(hào)”已發(fā)送，并且候車區(qū)不存在排隊(duì)車輛等狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將直接指控車輛進(jìn)入裝載點(diǎn)，配合挖掘機(jī)完成裝載作業(yè)。

6）自動(dòng)卸載。無人駕駛系統(tǒng)在卸載區(qū)，替車輛設(shè)有專門的候車區(qū)，在車輛駛?cè)胄遁d區(qū)后，在卸載區(qū)存在作業(yè)車輛、候車區(qū)具有排隊(duì)車輛的狀態(tài)下[6]，無人駕駛系統(tǒng)將指控車輛排隊(duì)等待，且以卸載隊(duì)列順序?yàn)橐罁?jù)，以“先進(jìn)先出”的順序展開卸載作業(yè)；在卸載區(qū)存在作業(yè)車輛、候車區(qū)不存在排隊(duì)車輛的狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將指控車輛停于候車區(qū)，等待作業(yè)信號(hào)；在卸載區(qū)無作業(yè)車輛、候車區(qū)無排隊(duì)車輛的狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將直接指控至卸載區(qū)展開自動(dòng)卸載作業(yè)[7]。

7）道路運(yùn)輸。在無人駕駛系統(tǒng)指控下，車輛以計(jì)劃路線為參考，于礦山運(yùn)輸?shù)缆飞献鳂I(yè)的辦法即道路運(yùn)輸形式。在道路運(yùn)輸過程中，無人駕駛系統(tǒng)以指控車輛依運(yùn)行參考路徑行駛為主，道路運(yùn)輸工況涵蓋交叉路口、單車道、雙車道等形式。①交叉路口工況主要由交叉路口地域及其附近地域構(gòu)成，交叉路口地域禁止多輛車在同一時(shí)間通行，且在已有通行車輛時(shí)，該區(qū)域杜絕其余車輛通行，交叉路口附近地域是車輛區(qū)，其余車輛在無法進(jìn)入交叉路口地域時(shí)[8]，于該地域靜候；②單車道工況由單車道地域及其附近地域組成，單車道地域禁止會(huì)車，且禁止多輛車在同一時(shí)間通行，單車道附近地域即停車區(qū)，其余車輛在單車道內(nèi)車輛對(duì)向行駛時(shí)，于該地域靜候；③基于雙車道工況，車輛以行車規(guī)則為依據(jù)在對(duì)應(yīng)車道內(nèi)行駛，若無障礙物阻擋等特殊情況，禁止車輛逾越中心線。

8）系統(tǒng)關(guān)閉、停車。停車后，調(diào)度員將傳達(dá)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的指令給車輛，無人駕駛系統(tǒng)接收指令后，將把控車輛完成指令；調(diào)度員將告知停車場相關(guān)工作者將車輛電源關(guān)閉，程序如下：將車輛鑰匙旋轉(zhuǎn)至OFF，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)電源，關(guān)閉蓄電池電源。因露天礦場業(yè)務(wù)調(diào)度、運(yùn)行時(shí)間過長等因素，車輛需回歸停車場，在停車時(shí)，無人駕駛系統(tǒng)將為車輛分派收車任務(wù)、指定停車點(diǎn)，并以此為參考，替車輛設(shè)計(jì)可參照的運(yùn)行路線[9]，指控其于停車場指定點(diǎn)停車。

9）加油。無人駕駛系統(tǒng)可充分掌握車輛的油量儲(chǔ)備狀況，在車輛空載、油量較低的狀態(tài)下，調(diào)度員在接受無人駕駛系統(tǒng)反饋的油量信息后，需將加油任務(wù)即時(shí)傳達(dá)至車輛；無人駕駛系統(tǒng)接收加油任務(wù)后，將替車輛設(shè)計(jì)可參照的運(yùn)行路線，指控其前往加油地；在車輛抵達(dá)加油地后，調(diào)度員需與加油工作者有序配合，從而順利完成加油作業(yè)；無人駕駛系統(tǒng)在完成加油任務(wù)后，將控制車輛回到作業(yè)地點(diǎn)，繼續(xù)完成因加油中斷的作業(yè)任務(wù)。

1.2 降級(jí)作業(yè)方式

降級(jí)作業(yè)即無人駕駛系統(tǒng)面臨干擾行車安全的故障、異常時(shí)采取的作業(yè)方式。

1）靜態(tài)測試及上電自檢異常。①轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)測試異常：在靜態(tài)測試異常狀態(tài)下，無人駕駛車載設(shè)備將傳達(dá)異常詳情給調(diào)度員[10]，同時(shí)，割斷和車輛的通訊接口；②傳感器自檢異常、車載儲(chǔ)存器異常、車載設(shè)備無法啟動(dòng)等均屬于上電自檢異常：在上電自檢異常、無人駕駛車載設(shè)備已啟動(dòng)的狀態(tài)下，需傳達(dá)異常詳情給調(diào)度員，同時(shí)割斷車輛與其車載設(shè)備的通訊接口。

2）車載傳感器及車輛異常。①激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)等均屬于車載傳感器:傳感器數(shù)據(jù)異常和傳感器無信號(hào)是傳感器異常的主要狀態(tài)，在傳感器異常狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將指控車輛循計(jì)劃路線減速到泊車，同時(shí)，將故障詳情報(bào)告給調(diào)度員;②車輛異常等同車輛故障，以異常影響力為依據(jù)，其主要形式包含停車類異常與警告類異常,停車類異常將阻礙車輛正常作業(yè)，在此類故障狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將指控車輛循計(jì)劃路線減速到泊車，同時(shí)，將故障詳情報(bào)告給調(diào)度員；警告類異常不影響車輛正常作業(yè)，在此類故障狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將把故障詳情報(bào)告給調(diào)度員，同時(shí)，指控車輛正常作業(yè)。

3）通訊異常。對(duì)于無人駕駛系統(tǒng)而言，地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的無線通訊在特定時(shí)間內(nèi)，未完成、未結(jié)束信息交互的狀況即通訊異常。在通訊異常狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)將指令車輛循計(jì)劃路線減速到泊車，并指引其停穩(wěn)后停車制動(dòng)，地面設(shè)備則向調(diào)度員傳達(dá)通訊異常的詳情，調(diào)度員在接收到信息后，需即時(shí)組織救援者前往現(xiàn)場檢查、確認(rèn)，必要狀態(tài)下，指引救援者駕駛車輛到安全地區(qū)。

4）路徑偏離異常。車輛行駛路線與計(jì)劃運(yùn)行路線的誤差值與其設(shè)定值相差過大即路徑偏離異常。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障、路況惡劣、無人駕駛車載設(shè)備異常等是引發(fā)路徑偏離異常的主要因素。無人駕駛系統(tǒng)在車輛行駛路徑偏離的狀態(tài)下，將指控其減速到泊車，并指令其在停穩(wěn)后停車制動(dòng)，同時(shí)，將路徑偏離詳情實(shí)時(shí)傳達(dá)至調(diào)度員。此外，調(diào)度員憑借遠(yuǎn)程操控處理系統(tǒng)故障、停車偏離裝卸點(diǎn)等狀態(tài)，諸如：指控車輛的制動(dòng)壓力、車速和轉(zhuǎn)向角等值。遠(yuǎn)程操控流程如下：選擇需要遠(yuǎn)程操控的車輛，查看其監(jiān)控視頻；憑借遠(yuǎn)程操控設(shè)備將制動(dòng)壓力、車速、轉(zhuǎn)向角等指令傳達(dá)至車輛，指控車輛運(yùn)行到預(yù)期位置，并于車輛停穩(wěn)后，指令其停車制動(dòng)；脫離遠(yuǎn)程操控模式。

5）環(huán)境異常及障礙物。無人駕駛系統(tǒng)依托外部接口，連接環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有效獲得露天礦山的環(huán)境消息。在環(huán)境異常狀態(tài)下，無人駕駛系統(tǒng)會(huì)向調(diào)度員傳達(dá)阻礙車輛正常作業(yè)的異常詳情，調(diào)度員可即時(shí)采取所有車輛緊急停車、擴(kuò)大車距、單車緊急停車、降低車輛最高限速、指令車輛回庫等策略應(yīng)對(duì)環(huán)境異常。在車輛行駛過程中，車載傳感器檢測到障礙物后，車載系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)向地面設(shè)備間發(fā)送障礙物的尺寸和詳細(xì)位置。地面設(shè)備將依憑礦山地圖，掌握障礙物的所在地坐標(biāo)，并以繞開障礙物為前提，替車輛設(shè)計(jì)1 條新的運(yùn)行參考路徑，并告知調(diào)度員核查路線的可行性。同時(shí)，調(diào)度員將以最快的速度組織相關(guān)工作者清理障礙物，車載設(shè)備將以障礙物與車輛的距離為參考，選擇緊急制動(dòng)或常規(guī)制動(dòng)方式，保證車輛于安全范圍內(nèi)停車。

2 無人駕駛系統(tǒng)在露天礦山運(yùn)輸作業(yè)的應(yīng)用

在露天礦山運(yùn)輸作業(yè)中，無人駕駛系統(tǒng)可以礦用自卸車的運(yùn)輸、卸載與裝載作業(yè)為基礎(chǔ)，靈活配合挖掘機(jī)、電鏟、鉆機(jī)、平路機(jī)等機(jī)械，憑借無人駕駛技術(shù)，從空間和時(shí)間上有機(jī)融合信息、設(shè)備、環(huán)境和人，實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)，縮減礦山企業(yè)的人力成本、規(guī)避因駕駛員錯(cuò)誤操作習(xí)慣及人為失誤引發(fā)的運(yùn)載設(shè)備損耗，縮減運(yùn)載設(shè)備的維修次數(shù)，節(jié)約生產(chǎn)成本；推動(dòng)運(yùn)載設(shè)備的信息化、智能化與自動(dòng)化發(fā)展，依憑大量的消息傳送和智能調(diào)度，提升其聯(lián)合作業(yè)質(zhì)量和運(yùn)用期限；降低運(yùn)輸作業(yè)對(duì)人力的依賴，擺脫職員數(shù)量對(duì)礦山運(yùn)輸作業(yè)規(guī)模的制約[11]。對(duì)于計(jì)劃產(chǎn)量較固定的企業(yè)，無人駕駛系統(tǒng)在露天礦業(yè)運(yùn)輸作業(yè)中可以提升作業(yè)效率為前提，以計(jì)劃產(chǎn)量為依據(jù)，縮減運(yùn)載設(shè)備數(shù)量，降低能源消耗和生產(chǎn)成本，提高環(huán)境質(zhì)量。

3 結(jié)語