矿山无人驾驶运输系统关键技术和未来展望

矿山无人驾驶运输系统的发展背景

各类矿产是国民经济发展的命脉之一，非常重要。矿山智能化是采矿行业的一个发展方向。现在将道路进行分类，主要可分为结构化道路和非结构化道路，而在矿山、港口等封闭场景，无人驾驶的落地相对来说比较简单，因为环境可控，没有法律法规的一些限制。

    图示是包钢白云鄂博的稀土矿区，坑深400多米。矿区虽然属于包头，但离包头非常远，因而就带来了一些问题。首先是招工非常困难，因为自然环境较为恶劣。最新的数据统计显示，大型矿卡驾驶员的平均年龄目前已经超过了50岁，非常严峻。而且因为国家宏观政策调整，我国煤炭以及其他各项矿产资源的开采增加，减少了国外进口，矿卡运输车辆数量和运输频次都增加了，但司机却招不到了。另外，大型矿区的道路非常陡峭，一不小心翻下来就会车毁人亡。这就是多数矿区都面临的挑战。

如果使用无人驾驶运输技术，就可以解决这一挑战。一是可以自动化作业来减少对驾驶员的使用，程序化作业的运输非常规范，不受生物疲劳所影响。人工作业一般都是8小时制，三班倒，如果驾驶员犯困时就容易发生事故，卸载时不小心就可能车毁人亡。二是可以多车协同。三是可以全天候的作业，因此，矿山运输无人驾驶是必由之路。

矿山无人驾驶运输发展历程

近几年，由于车路协同以及协同智能的出现使得无人驾驶商业化落地陆续出现。2008年以来，日本的小松和美国的卡特彼勒陆续向智利、澳大利亚、巴西、加拿大等国的矿山（主要是铁矿、铜矿等）投放了总共约300台大型无人驾驶矿车，累计运输矿石超过40亿吨。

无人驾驶矿卡发展。我们把无人驾驶矿卡的发展和通信行业发展进行一个对比。为什么要把它俩对比？因为矿山无人运输车辆最初定的技术路线就不是以单车智能，而是以车路协同、端边云协同，协同必然离不开数据通信，所以只有5G到来之后，无人驾驶矿卡才得到了一个快速的发展。

国内外发展现状。为什么国外技术不一定适合国内？一是矿区环境不一样，二是国内矿卡司机的人力成本要相对低一些。另外，在我国的不少矿区有一个特殊的车型叫宽体车，这个车型在国外没有，所以国外的技术难以满足国内的需求。

5G赋能无人驾驶。通信技术的进步才能支持无人驾驶的发展，4G可支持辅助性的无人驾驶，5G才能进行协同智能，也就是说云端可以帮车端进行一些视频处理，路侧可以把道路关键区域的一些信息提前感知并传输给进入区域的车辆。

矿山无人驾驶运输解决方案

这是踏歌智行提出的露天矿山无人驾驶解决方案，基于北京航空航天大学王云鹏教授的思路，我们开发了云边端协同的自动驾驶解决方案“旷谷”，主要是包括车载“睿控”、地面系统“御疆”，云控平台“天枢”。

图示为露天矿山无人驾驶运输解决方案的架构图，覆盖了从发车、自检、加油，到进入矿区、装卸、运输等各环节，有一些环节需要协同智能，比如胳膊弯一类的转弯处，以及卸载地点都需要协同控制。

图示为矿山无人驾驶运输的总体技术框架。包括最下层的是车载端，中间是通信层，上层应用有智能作业管理与监控，远程应急监管以及协同作业、健康管理系统。任何无人驾驶场景落地的第一条要素就是安全，在安全的前提下再考虑效率、环保。

踏歌智行还为矿区提供云端生产作业管理和运营服务，其自行搭建的云智能平台包括包含无人驾驶矿卡运营调度系统、集成监视系统、高精地图管理系统、运行仿真及测试系统、大数据存储分析系统等模块，统一调度管理自动驾驶矿卡和其他辅助作业设备，实现矿区自动驾驶车辆的高效运输和安全运行。

露天矿无人驾驶运输痛点及核心技术

在探索过程，踏歌智行在很多场景遇到了困难、痛点，然后提出了相关解决方案。

无人驾驶感知系统。包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达和4D成像雷达，通过多传感器融合以及车路协同的协同感知来实现，目前车载感知距离大于200米，车路协同的感知距离超过了500米。

无人驾驶控制系统。控制更多结合矿区需求，比如在装载区、卸载区和会车区，对车辆的控制需求不一样，我们采用了不同的控制算法。

无人驾驶控制云平台，可以将整个矿山的全局动态信息实时回传，可以对车辆的整体油耗或者单一车辆的健康状态进行一个全体系监控，可以实时将出现问题的车辆交由远程控制驾舱调动。云端边的架构，承载端、云端，可以对矿区所有车辆进行单车监控。

踏歌智行的落地案例包括包钢白云鄂博、鄂尔多斯露天矿，霍林河露天矿等等。图示的这个矿车，1米8的成年人，伸开手臂只能摸到铁轱辘，矿车高度7米5，因此运行控制起来比较难，惯性比较大，所一定要把刹车制动控制好，我们针对大型矿卡研发专用的自动紧急制动系统AEBS，目前已经有超过了30辆安装。

矿区装载，把货物从A点运送到B点的同时，还需要与挖机、电铲等相配合，实现装卸。卸载区需要加装路侧智能设备，需要对悬崖边的挡墙进行识别，将信息发送给车辆。国内特有的宽体车装卸比较危险，其卸载时需要有一个挡墙，挡墙高度按照规范需要超过车轮三分之二的高度，但是在作业过程中挡墙经常达不到三分之二的高度。一些司机在装卸倒车时，因为疲劳可能一不小心一脚油门，车辆就会冲破挡墙，掉到矿坑，矿坑深约50米，基本上不可能生还。所以，有一些司机为了保证安全，会离装卸点比较远就开始卸载，卸载完，会有推土机来对矿石堆修边。在使用无人驾驶之后就可以把这个修边的工作强度较低，原先可能卸载两车就要修个边，现在卸载五车、十车才会修一次边，效率也有所提升。

技术总结

通过踏歌智行这些年的落地，对技术链也有一些想法。

    1、理论上5G的传输速度非常快，大带宽、高可靠，但是实际上使用环境下还达不到。现在需要4G、5G和C—V2X等多模式通信模式，这样才能保证矿山智能驾驶的安全。

    2、感知只有通信的速度上来、带宽上来了，才能做到路侧协同车辆进行大范围的感知，才可以对单车智能化改造的成本进行大幅度的降低。

    3、矿山自动驾驶所需要控制器要国产化，同时对算力要求比较高，踏歌智行和华为一起开发。

    4、全生命周期的信息安全。安全贯穿无人驾驶整个生命周期，踏歌智行针对智能矿卡、通信网络、云端平台全生命周期的信息安全有一套完整的算法。

    5、无人驾驶车辆预期功能安全。所有的无人驾驶系统都有一个算法黑盒，不知道什么时候bug就跳出来，bug出来后，尤其是安全员下车后，对后续的运行有什么影响，就需要做预期处理，预期安全是非常重要的一块。要提供感知、决策、控制的全链条系统安全。

    6、矿山无人运输低碳化。针对目前矿山的碳中和需求，所以不仅要把矿卡无人驾驶，同时还要新能源化，实现混合动力或者纯电动的矿山无人运输。

7、基于车路融合的无人驾驶交通设施支持等级要统一标准。必须要有规范，矿山生产有生产规范，有安全规范，针对于无人驾驶，尤其是像矿区车路协同程度比较高的一定要有像基于车路融合的无人驾驶交通设施支持等级标准。

8、我们有一个畅想，实现空、天、地、端全系统的智能化，最终能够实现大规模的无人运输。

注：本文为北京踏歌智行科技有限公司研究院院长周彬 高工在第十六届中国智能交通年会——自动驾驶与车路协同发展论坛上发表演讲的摘要，未经本人审定。