談軌道交通無人駕駛技術礦車無人駕駛范文

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摘要：文章從礦山作業場景和城市軌道交通無人駕駛技術引入，重點介紹礦車無人駕駛系統中基于5G技術的車地通信網絡、地面控制中心和車輛控制主機的構成和功能，并給出系統實施建議和系統評價。

關鍵詞：城市軌道交通；5G技術；無人駕駛；礦車

國內大部分露天礦山生產仍然以傳統方式進行采礦作業，其中礦車是礦山生產中最重要的運載裝備。目前礦車主要依靠人工操作。一方面，礦車司機的人員成本很高，尤其是礦山這種復雜惡劣環境的作業人員招聘難度很大；另一方面，礦車間的通信與調度方式較為落后，容易造成人為差錯；多礦車同時作業時存在難以高效協同作業等問題，種種原因最終導致礦車作業成本居高不下，效率較低。礦車外形如圖1所示。礦山區域作業場景封閉，參與作業運輸的交通元素少，路況簡單，礦車的主要任務是在規定線路上進行裝載、運輸和卸載等，從特定線路、固定作業計劃和保證全局優先等特點來看，與城市軌道交通無人駕駛環境十分相似，因此礦車無人駕駛系統以城市軌道交通無人駕駛系統技術為基礎是有可行性的。

1礦車無人駕駛系統

典型的城市軌道交通無人駕駛系統一般分為三部分：（1）環境感知系統，相當于列車駕駛運行的感知器官，即為無人駕駛系統實時輸入動態的周圍環境信息，是實現無人駕駛的決策基礎。（2）自動駕駛系統，相當于列車駕駛的大腦，即對環境感知信息和信號指令進行綜合判斷，作出列車駕駛運行決策。（3）遠程控制系統，遠程控制系統是地面端監控和管理的中心，由通信網絡保證遠程控制系統與列車之間直接和連續的通信。根據礦山場景運輸作業的特點，礦車車輛控制主機可以承擔無人化環境感知和運行決策控制兩部分工作，對車輛進行必要的線控改造以后可以形成滿足功能需求的車輛控制系統。另外，礦山不同于軌道交通擁有完善的通信網絡，礦山網絡環境往往需要專門搭建。綜上，礦車無人駕駛系統由地面控制中心（即地面端）、車輛控制主機（即車輛端）和5G車地通信網絡三部分組成，如圖2所示。

1.15G車地通信網絡

車地通信網絡作為地面端與車輛端的車地通信橋梁，要求有低延時、高速率、大容量、高安全性的數據傳輸特性，以實現高效的信息互聯。其主要功能是將車輛主要的環境感知信息、決策信息和運行信息發送至地面端；同時負責將地面控制中心作業信息、車輛控制命令等數據傳輸至車輛。實現車對地、地對車的雙向數據傳輸功能。近幾年，城市軌道交通無人駕駛車地通信的典型方案是采用LTE+WLAN雙網架構，主用網絡為LTE，備用網絡為WLAN，但實際部署應用過程中，仍然普遍存在易受干擾、時延長、故障頻繁等問題。采用5G移動通信技術的礦山車地通信網絡可提供高達1Gbit/s的通信速率，能有效降低通信時延。另外5G技術的3個典型應用場景也適用于礦山作業網絡構建，其中包括增強型移動寬帶、大規模機器類通信、超可靠低時延通信。（1）增強型移動寬帶即超大帶寬移動應用，相比LTE網絡帶寬增加了幾十倍，可以為礦山提供完善的多業務融合無線傳輸網絡解決方案。（2）大規模機器類通信適用于構建礦山地圖，實現車載、路旁、路基等環境的特征數據采集，以此來完成礦山5G物聯網絡構建。（3）超可靠低時延通信將有效改善LTE網絡的諸多低可靠性問題。采用分布式網絡架構的5G網絡，通過在礦山區域內部署邊緣MEC，并結合網絡切片技術，為礦山網絡提供安全隔離的同時提供專用的網絡和應用資源。

1.2地面控制中心設計

礦車無人駕駛系統采用中心式控制策略。地面控制中心是礦車無人駕駛系統中的綜合調度指揮系統，具備數字地圖、路徑規劃、作業調度、安全監控、數據記錄等功能，是礦車無人駕駛系統的中樞和大腦。

1.2.1數字地圖

數字地圖是基于衛星地圖數據和用戶導入數據，對礦山環境進行數字化建模生成的高精度地圖。它將礦車可通行區域劃分為不同的地圖單元。根據作業特性和實際運輸需求，地面控制中心在不同的地圖單元類型設置單元的屬性和礦車在單元內的基本運行策略。數字地圖是地面端實現路徑規劃和作業調度控制的基礎和重中之重。

1.2.2路徑規劃

后臺人員可根據礦山實際作業需求，在數字地圖的基礎上規劃和管理常用運行路徑和定義動作組，例如，指定路線行駛，指定位置處設置車輛應執行的特定操作，例如鳴笛、開關車燈等。

1.2.3作業調度

作業調度功能包括作業模式管理、車隊協同控制、車輛安全防護、遠程操縱、緊急停車等子功能。作業模式管理是指編制和下發不同的作業任務信息給車輛控制系統。車輛協同功能是指在多車輛共同作業的場景下，地面端向車輛發出的行駛速度、方向修正功能，防止車輛之間出現運行沖突，進而避免停車、相撞、區域死鎖等情況發生。車輛安全防護功能通過算法保護車輛自身的安全，主要是設定車輛安全距離、最大限速、制動距離等，并考慮一定的安全裕量。當作業需求發生變化，或者車輛處于非正常作業的情況時，后臺人員有權用遠程操縱方式直接干預車輛的運行；緊急情況下，后臺人員還可以命令車輛緊急停止。

1.2.4安全監控

地面端的安全監控功能包含三個方面，包括地面硬件運行狀態監控、車輛信息監控和礦山地面環境監控。地面硬件運行狀態監控是指地面端可以監控自身中心機房內部所屬的各種硬件的運行狀態，主要是出現問題或故障時，提醒后臺或專業人員來進行處理或搶修。車輛信息監控是指地面端對車輛上傳的信息進行監控、處理和報警提示，以便于中心人員可有效地掌控礦區所有無人駕駛車輛運行狀態并做出應對；這里的車輛信息主要是車輛控制主機和車輛的車輛基本信息、運行信息、決策信息和環境感知信息等。礦山在關鍵位置部署了攝像頭和專用傳感器，對這些位置應進行重點監控和安全識別，是保障礦山無人化作業運行的基礎和重要組成部分。

1.2.5數據記錄

地面控制中心的多個數據服務器可實時存儲整個礦區所有車輛和設備運行相關的歷史數據、視頻監控數據、車載控制器故障數據、通信系統故障數據。

1.3車輛控制系統設計

車輛控制系統是礦車無人駕駛系統的主要執行機構，主要負責采集車輛信息和控制車輛動作。一方面，車輛端接收地面端輸入的各種指令，控制各種車行駛、停車和裝/卸載等。另一方面，車輛端攝像頭、傳感器等感知周圍環境信息，并將必要信息傳輸給地面端，保證作業任務高效、安全完成。車輛控制系統的主要功能包括作業行駛、主動防撞、自動卸載、異常處理等。作業行駛主要實現車輛控制功能，根據地面端制定和下發給各車的作業任務和路線信息做出車輛行駛和裝/卸載決策，并且執行動作，主要控制車輛方向、速度，使車輛循跡行駛，以及完成作業任務。主動防撞通過激光雷達、毫米波雷達等車載傳感器來實現。當檢測到車輛運行路徑上存在障礙物時，車輛端判斷是否需要減速或停車，同時還將障礙物信息發送至地面端。自動卸載指礦車到達卸載區后控制車輛執行自動卸載作業，但當有多輛無人駕駛礦山自卸車等待卸載時，將接收地面端控制指令進入等待卸載隊列。異常處理是當車輛出現不能正常運行或者作業的問題時，向地面端匯報故障信息并請求地面端處理；同時儲存故障信息，便于后期分析。

2實施建議

礦車無人駕駛系統在實施時應重點關注系統決策與規劃、場景安全分級以及感知技術挑戰等問題。

2.1做好礦山作業場景的決策與規劃

與公路乘用車無人駕駛的分布式決策相比，礦車無人駕駛系統更適宜采用中心式決策，即利用中心式的控制器全局優化所有車輛決策，這樣便從理論上保證了全局最優。但這樣會提升對計算資源的需求量，因此，需要提出一種平衡決策模型復雜度和決策優化程度的全局決策方法，以此來規劃礦車的采運卸作業調度和行駛軌跡，在節約資源的前提下保證多車運行安全與作業效率提升。

2.2實施作業場景安全分級

礦車無人駕駛作業場景包含完成正常運營任務的多種場景，可大致分為正常作業場景、非緊急降級場景和緊急降級場景。正常作業場景指無人駕駛系統在無故障、無意外情況下按照生產需求正常作業的情形。此時系統按照作業計劃以高度自動化方式運行，除工作人員正常進行任務分配、調度以及需求確認意外，系統通常不需要人工干預。非緊急降級場景指主動功能降級處理，一般是因系統內部故障或作業需要等，如路面障礙物干擾等，危險性較低，一般只發生在個別車輛上。這時需要一定程度的人工干預，排查異常，進行局部處理解決后便可恢復正常。緊急降級場景是指對生產、運行安全威脅較大、危害較嚴重的情形，如火災或惡劣天氣場景，需停用所有礦山裝備，工作人員緊急撤離。無論上述哪種場景，對其進行全面、詳細、準確地描述和分析，是安全實施無人駕駛系統方案的前提。

2.3應對環境感知技術的挑戰

相比于乘用車自動駕駛系統，礦車無人駕駛系統環境惡劣，主要表現在灰塵多、震動大兩方面。礦區揚塵大且有時有沙塵天氣，嚴重影響傳感器探測性能，其中包括探測距離和感知精度。為此作者建議應采用多個灰塵敏感度低的毫米波雷達傳感器并融合毫米波雷達、激光雷達和攝像頭多種傳感器信息，提高感知能力和魯棒性。礦區道路多為碎石、泥土等，車輛在行駛時沖擊與振動強烈。環境信息在被采集時會發生較大跳變，除了從硬件安裝方式上做對應調整外，軟件上也應根據探測信息的變化適時調整感知參數，估計道路不平度、判斷振幅大小，從而提高自適應能力和抗干擾能力。

3礦車無人駕駛系統評價

基于城市軌道無人駕駛技術構建的礦山無人駕駛系統具有明顯的優越性，主要表現在：第一，可節省礦山企業人力運維成本，降低人力資源控制難度，同時也減少了因人為誤操作造成危害，進而提升企業效益；第二，礦山企業運載裝備的自動化、智能化程度得到提升，作業協同效率得到顯著提高，為行業轉型和持續發展提供了有借鑒意義的方案思路。此外，本文介紹的無人駕駛系統方案理念也可以應用到具有這種類型特點的其他領域和不便于人類活動的一些特殊作業區域。

參考文獻：

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作者：于明凱 陳留金 林澤陽 龍時丹 單位：太原中車時代軌道工程機械有限公司 中國鐵路北京局集團有限公司北京機務段 國家鐵路局裝備技術中心