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　　智慧露天礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)礦卡自動(dòng)駕駛應(yīng)用

 

　　采礦業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，而露天礦區(qū)智慧化是當(dāng)前采礦業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì) 。一般而言，智慧露天礦區(qū)是指將現(xiàn)代信息、控制技術(shù)與采礦技術(shù)融合，在紛繁復(fù)雜的資源開采信息背后找出最高效、安全、環(huán)保的生產(chǎn)路徑，智能化地響應(yīng)生產(chǎn)過程中的各種變化和需求。

 

　　智慧礦區(qū)的首要目標(biāo)是高效、安全和環(huán)保，而礦卡的自動(dòng)駕駛應(yīng)用可以減少剝離、裝卸、運(yùn)輸、協(xié)同等露天礦區(qū)上關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的人工需求，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的高效協(xié)同，助力智慧礦區(qū)建設(shè)。

 

　

 

　　隨著測(cè)試和試商用的逐漸展開，國(guó)內(nèi)智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛的應(yīng)用案例逐漸增多，并且體現(xiàn)出智能化和網(wǎng)聯(lián)化協(xié)同發(fā)展，以網(wǎng)聯(lián)技術(shù)促進(jìn)自動(dòng)駕駛應(yīng)用落地的特征。

 

　　礦區(qū)自動(dòng)駕駛應(yīng)用目前主要存在三種商業(yè)模式：

 

　　① 礦卡自動(dòng)駕駛解決方案商成為主機(jī)廠前裝供應(yīng)商，主機(jī)廠直接銷售具備自動(dòng)駕駛能力的礦卡，并從礦卡銷售中盈利；

 

　?、?自動(dòng)駕駛解決方案商牽頭與大型剝離隊(duì)成立合資公司，成為新型智能化剝離隊(duì)，以更低的成本承接剝離項(xiàng)目；

 

　?、?智慧礦區(qū)解決方案商面向采礦企業(yè)提供包自動(dòng)駕駛應(yīng)用的礦區(qū)智能化整體解決方案。采礦企業(yè)前期投入較大，用以改造或新購(gòu)礦卡、建設(shè)礦區(qū)“云平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)、智能化終端”軟硬件設(shè)施、培訓(xùn)管理作業(yè)人員等，后期通過節(jié)省的礦卡司機(jī)人工成本、能耗成本等逐步收回成本，并提升效益。

 

 

　　礦山自動(dòng)駕駛商業(yè)模式

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛依然遵循“鉆、爆、采、運(yùn)、排”的基本生產(chǎn)作業(yè)流程，并不會(huì)對(duì)露天礦山的開采工藝做顛覆性的重構(gòu)處理。依據(jù)“采、運(yùn)、排”作業(yè)流程，可以將自動(dòng)駕駛作業(yè)場(chǎng)景劃分為裝載、運(yùn)輸和卸載三個(gè)作業(yè)場(chǎng)景。此外，為保障作業(yè)順利進(jìn)行，還存在作業(yè)保障(換電充電、維修保養(yǎng)等)場(chǎng)景。而從智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用的角度出發(fā)，為實(shí)現(xiàn)上述作業(yè)流程，提高自動(dòng)駕駛的效率和安全性，則需要礦卡遠(yuǎn)程遙控駕駛、礦卡與其他工程機(jī)械之間作業(yè)協(xié)同、礦卡行駛路徑規(guī)劃等應(yīng)用的支撐。

 

　　新能源在礦卡上的應(yīng)用，技術(shù)及實(shí)現(xiàn)邏輯完全是將乘用車遷移到商用車的路徑。礦卡電動(dòng)化是新能源在商用車（礦卡）細(xì)分領(lǐng)域的一次重大突破。無論是在環(huán)境、安全、效率、碳達(dá)峰等經(jīng)濟(jì)上行指標(biāo)的影響下，還是在技術(shù)革新的國(guó)際外部壓力下。礦卡電動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)礦卡自動(dòng)駕駛產(chǎn)品化的基石，也是實(shí)現(xiàn)可量產(chǎn)的重要條件。

 

　　新能源礦卡主要有以下幾種：傳統(tǒng)混合動(dòng)力礦卡、插電式混合動(dòng)力礦卡、純電動(dòng)礦卡、燃料電池礦卡。

 

　　愛智運(yùn)（玖智科技）基于新能源自動(dòng)駕駛軟件系統(tǒng)打造的新一代純電無人礦卡。它搭載華為MDC計(jì)算平臺(tái)，由寧德時(shí)代動(dòng)力電池提供動(dòng)力支持。在理想工況下，該礦卡最高可節(jié)省90%左右的人力、運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)礦山運(yùn)輸車輛的無人化和電動(dòng)化。愛智運(yùn)（玖智科技）自研了一套多傳感器融合感知算法，可以實(shí)現(xiàn)礦卡周邊物體全覆蓋識(shí)別。即便是雷達(dá)被灰塵覆蓋了，它還能完成感知人物，并且能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作業(yè)。在定位方面，采取了激光雷達(dá)和GPS的融合定位方案，即使在信號(hào)離線的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的精準(zhǔn)定位。

 

　　基于此，愛智運(yùn)純電自動(dòng)駕駛礦卡在作業(yè)面到破碎站往返全自動(dòng)駕駛作業(yè)的基礎(chǔ)上，還具備了以下4大能力：

 

　　1、支持混合編組，有人駕駛礦卡和無人駕駛礦卡可以在同一礦區(qū)共同作業(yè)。

 

　　2、能夠?qū)π∈瘔K、異形障礙物和遺落障礙物進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而做出規(guī)避決策。

 

　　3、隨著礦區(qū)作業(yè)面的變化，自動(dòng)駕駛礦卡能夠追蹤挖掘機(jī)的作業(yè)地點(diǎn)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃自己的作業(yè)路線。

 

　　4、智能調(diào)度。經(jīng)過測(cè)算，優(yōu)化改造后的自動(dòng)礦卡可以獲得更長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，相比有人礦卡，平均每臺(tái)無人礦卡一年可以增加700小時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)間，生產(chǎn)效率提高30%。而且它還能回收能量。

 

　　3.1 裝載作業(yè)場(chǎng)景

 

　　場(chǎng)景概述

 

　　裝載作業(yè)場(chǎng)景，是指空載的自動(dòng)駕駛礦卡依次行駛至裝載作業(yè)點(diǎn)，裝載設(shè)備(如挖掘機(jī)、 電鏟等)將物料裝載至礦卡的車斗，礦卡再依次離開作業(yè)點(diǎn)的場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，礦卡、挖掘設(shè)備、云平臺(tái)需要溝通明確整個(gè)裝載協(xié)作流程(包括協(xié)同入場(chǎng)、裝載、出場(chǎng)等步驟)。礦卡可以根據(jù)云平臺(tái)規(guī)劃的路徑和對(duì)周圍環(huán)境的感知，自動(dòng)行駛至裝載區(qū)，同時(shí)明確自身的作業(yè)任務(wù)，并將自車的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息(包括位置、速度、方向、 加速度等)和任務(wù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至裝載設(shè)備。同時(shí)，裝載設(shè)備也需將自身的位置、朝向等信息發(fā)送至礦卡，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的高效配合。如果自動(dòng)駕駛礦卡出現(xiàn)異常情況(如自車無法避開的路障)，礦卡緊急制動(dòng)，并發(fā)送告警信息到挖掘機(jī)、周圍車輛和云平臺(tái)以避免危險(xiǎn)作業(yè)，并由云平臺(tái)遠(yuǎn)程接管以脫離困境。應(yīng)用場(chǎng)景如圖3-1所示：

 

　　預(yù)期效果

 

　　該場(chǎng)景下，礦區(qū)的高精地圖隨作業(yè)在不斷發(fā)生變化，裝載機(jī)應(yīng)當(dāng)通過V2X技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖的在線更新。自動(dòng)駕駛礦卡與裝載設(shè)備之間的流程協(xié)作交互和故障報(bào)警通知可以有效保證在安全作業(yè)前提下高效、有序完成裝載作業(yè)。同時(shí)通過智能預(yù)測(cè)算法進(jìn)行包含了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的行為決策與軌跡規(guī)劃，完成一個(gè)包含感知、預(yù)測(cè)和決策規(guī)劃的多任務(wù)耦合實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。避免礦卡與裝載設(shè)備、其他車輛發(fā)生事故，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，需要由云平臺(tái)遠(yuǎn)程接管礦卡。應(yīng)用場(chǎng)景如圖3-2所示：

 

　　3.2 運(yùn)輸作業(yè)場(chǎng)景

 

　　場(chǎng)景概述

 

　　運(yùn)輸作業(yè)場(chǎng)景，是指自動(dòng)駕駛礦卡在礦區(qū)道路上按照云平臺(tái)規(guī)劃的路徑，結(jié)合環(huán)境感知信息自動(dòng)行駛的作業(yè)場(chǎng)景。行駛過程中，礦卡通過與其他車輛(包括無人/有人車輛)、路側(cè)設(shè)備、 云平臺(tái)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警、超視距感知等功能，提升行駛安全性。類似地，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，需要由云平臺(tái)遠(yuǎn)程接管礦卡。

 

　　預(yù)期效果

 

　　在實(shí)際礦區(qū)運(yùn)輸作業(yè)場(chǎng)景中，自動(dòng)駕駛礦卡在運(yùn)輸過程中應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)針對(duì)于不斷動(dòng)態(tài)更新的地圖路徑規(guī)劃算法，考慮多種工況的動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃與適合多場(chǎng)景多工況的及考慮風(fēng)險(xiǎn)的軌跡優(yōu)化任務(wù)。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的類人化軌跡規(guī)劃。

 

　　與其他礦卡和各種有人車輛(工程輔助車、指揮車) 、智能路側(cè)設(shè)備進(jìn)行信息交互。如遇到遮掩及惡劣環(huán)境，基于車輛感知及動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果參與車輛當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警，完成一個(gè)包含感知、預(yù)測(cè)和決策規(guī)劃的多任務(wù)耦合實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。在云平臺(tái)的統(tǒng)一調(diào)度下，所有車輛高效有序地運(yùn)行，提高整體運(yùn)輸效率，延長(zhǎng)有效運(yùn)輸時(shí)間。 

 

　　3.3 卸載作業(yè)場(chǎng)景

 

　　場(chǎng)景概述

 

　　卸載作業(yè)場(chǎng)景，是指滿載的自動(dòng)駕駛礦卡依次行駛至卸載作業(yè)點(diǎn)并將物料卸載，然后由卸載設(shè)備(如推土機(jī)、裝載機(jī)等)整理物料，礦卡駛離進(jìn)入下一次“采、運(yùn)、排”作業(yè)循環(huán)。在該場(chǎng)景下，礦卡、卸載設(shè)備、云平臺(tái)需要溝通明確整個(gè)卸載協(xié)作流程(包括協(xié)同入場(chǎng)、卸載、出場(chǎng)等步驟)。礦卡可以根據(jù)路徑規(guī)劃和對(duì)周圍環(huán)境的感知，自動(dòng)行駛至卸載區(qū)，同時(shí)明確自身的作業(yè)任務(wù)，并將自車的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)信息發(fā)送至卸載設(shè)備。卸載設(shè)備也需將自身的位置等信息發(fā)送至礦卡，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的高效協(xié)同。類似地，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，需由云平臺(tái)遠(yuǎn)程接管礦卡。

 

　　場(chǎng)景概述

 

　　該場(chǎng)景下，自動(dòng)駕駛礦卡與卸載設(shè)備之間的流程協(xié)作交互和故障報(bào)警通知可以有效保障在安全作業(yè)前提下高效、有序地卸載作業(yè)。避免礦卡與有人駕駛工程機(jī)械發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

 

　　場(chǎng)景概述

 

　　作業(yè)保障場(chǎng)景，是指自動(dòng)駕駛礦卡行駛至特定區(qū)域進(jìn)行換電充電、維修保養(yǎng)等保障作業(yè)。在作業(yè)過程中，云平臺(tái)定期安排礦卡的換電充電、保養(yǎng)或檢修任務(wù)。此外，當(dāng)?shù)V卡實(shí)時(shí)檢測(cè)到電量不足或自身故障時(shí)，需與云平臺(tái)協(xié)調(diào)，及時(shí)規(guī)劃加油補(bǔ)水任務(wù)。礦卡根據(jù)云平臺(tái)規(guī)劃的路徑，結(jié)合環(huán)境感知信息，自動(dòng)行駛至相應(yīng)的作業(yè)保障區(qū)域。相關(guān)配套設(shè)施根據(jù)云平臺(tái)的指令，及時(shí)配合礦卡的作業(yè)保障任務(wù)，提高保障作業(yè)的效率。類似地，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，需由云平臺(tái)遠(yuǎn)程接管礦卡。

 

　　預(yù)期效果

 

　　該場(chǎng)景下，自動(dòng)駕駛礦卡的流程調(diào)度可以 有效對(duì)礦卡進(jìn)行作業(yè)保障操作，提升礦卡的妥善 率，避免發(fā)生事故，保障安全作業(yè)。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　遠(yuǎn)程遙控駕駛，是指自動(dòng)駕駛礦卡在遇到特特殊路段或緊急情況時(shí)，通過遠(yuǎn)程接管處理方式。使車輛能夠繼續(xù)行駛或移動(dòng)到安全位置。遠(yuǎn)程接 管方式包括響應(yīng)式接管和緊急接管兩種。響應(yīng)式 接管是指當(dāng)?shù)V卡遇到無法處理的狀況時(shí)，向平臺(tái) 發(fā)送遠(yuǎn)程接管請(qǐng)求，平臺(tái)接到請(qǐng)求后立刻開始遠(yuǎn) 程接管；緊急接管是指遙控駕駛平臺(tái)接收車端實(shí)時(shí)上傳的狀態(tài)信息，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)車輛異常并發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒人工接管。遠(yuǎn)程駕駛中心通過5G大帶 寬通信實(shí)時(shí)獲取車載和路側(cè)成像設(shè)備高清視頻， 并將基于5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延的特性將控制信號(hào)下發(fā)到 車端，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程接管。應(yīng)用場(chǎng)景如圖3-6所示：

 

　　預(yù)期效果

 

　　基于5G通信的遠(yuǎn)程緊急遙控接管可以有效保證在特殊情況下的自動(dòng)駕駛礦卡接管行駛或移位。避免礦卡發(fā)生事故，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，并同時(shí)保證整體生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　作業(yè)協(xié)同，是指自動(dòng)駕駛礦卡與挖機(jī)、推土機(jī)等其他工程機(jī)械設(shè)備之間的關(guān)于裝載/卸載作業(yè)的協(xié)同。在當(dāng)前技術(shù)條件下，挖掘機(jī)和推土機(jī)依然采取有人駕駛模式，但其可以通過與礦卡的協(xié)同提高作業(yè)效率。挖機(jī)、推土機(jī)可以將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，利用云平臺(tái)的運(yùn)輸智能調(diào)度功能，實(shí)現(xiàn)與礦卡的作業(yè)流程協(xié)同。同時(shí)，挖機(jī)或推土機(jī)車載終端安裝協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)，通過在挖機(jī)或推土機(jī)上部署傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備姿態(tài)和位置的監(jiān)控，并與礦卡系統(tǒng)間通過LTE-V2X直連通信，實(shí)現(xiàn)裝載模式設(shè)置、裝載點(diǎn)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)礦卡就位、裝載/卸載完成后引導(dǎo)礦卡出場(chǎng)，提高裝載/卸載作業(yè)效率，確保裝載過程符合露天礦山工藝流程。

 

　　預(yù)期效果

 

　　結(jié)合云平臺(tái)的作業(yè)指令，自動(dòng)駕駛礦卡和其他機(jī)械設(shè)備對(duì)裝載/卸載作業(yè)流程實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理，使礦卡能夠高效、準(zhǔn)確、安全地完成入場(chǎng)、裝載/卸載與離場(chǎng)等工作。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　路徑規(guī)劃，是指云平臺(tái)基于地圖信息、車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)、綜合感知信息等，集群調(diào)度決策算法計(jì)算自動(dòng)駕駛礦卡行駛路徑，通過無線通信為礦卡提供行駛路徑規(guī)劃和行駛引導(dǎo)。礦山的道路隨著采、排作業(yè)開展會(huì)不定期的進(jìn)行變化，尤其是采掘面和排土場(chǎng)的變化頻率很大，需要進(jìn)行全局路徑規(guī)劃；同時(shí)考慮到特定情況下導(dǎo)致不能循跡行駛的情況，需要進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃，由云平臺(tái)依據(jù)高精地圖生成全局路徑規(guī)劃文件后下發(fā)至無人礦卡，礦卡根據(jù)全局路徑文件進(jìn)行循跡行；局部路徑規(guī)劃，在特定情況下無法循跡行駛時(shí)，由礦卡依據(jù)自身環(huán)境感知數(shù)據(jù)及決策控制算法實(shí)時(shí)生成路徑進(jìn)行避障繞行、裝載卸載區(qū)協(xié)同作業(yè)的行為。

 

　　預(yù)期效果

 

　　路徑規(guī)劃，是指云平臺(tái)基于地圖信息、車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)、綜合感知信息及預(yù)測(cè)信息等，集群調(diào)度決策算法計(jì)算自動(dòng)駕駛礦卡行駛路徑，通過無線通信為礦卡提供行駛路徑規(guī)劃和行駛引導(dǎo)。礦山的道路隨著采、排作業(yè)開展會(huì)不定期的進(jìn)行變化，尤其是采掘面和排土場(chǎng)的變化頻率很大，需要進(jìn)行全局路徑規(guī)劃；同時(shí)考慮多工況的動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃及惡劣遮掩環(huán)境下的多場(chǎng)景導(dǎo)致不能循跡行駛的情況，需要進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。

 

　　全局路徑規(guī)劃，由云平臺(tái)依據(jù)高精地圖生成全局路徑規(guī)劃文件后下發(fā)至無人礦卡，礦卡根據(jù)全局路徑文件進(jìn)行循跡行。

 

　　局部路徑規(guī)劃，在多工況的動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃及惡劣遮掩環(huán)境下無法循跡行駛時(shí)，由礦卡依據(jù)自身環(huán)境感知數(shù)據(jù)及決策控制算法實(shí)時(shí)生成路徑進(jìn)行避障繞行、裝載卸載區(qū)協(xié)同作業(yè)的行為。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　車與車碰撞預(yù)警是支撐自動(dòng)駕駛礦卡在行駛過程中，避免與正前方車輛出現(xiàn)追尾碰撞危險(xiǎn)。礦 卡與正前方車輛通過LTE-V2X直連通信的方式實(shí)時(shí)交互位置、方向角、速度、加速度等信息。當(dāng)存在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，礦卡可以依據(jù)前車信息及時(shí)做出決 策，避免碰撞事故發(fā)生，提高自動(dòng)駕駛安全性。應(yīng)用場(chǎng)景如圖3-7所示：

 

　　預(yù)期效果

 

　　車與車碰撞預(yù)警是支撐自動(dòng)駕駛礦卡在行駛過程中，通過智能算法實(shí)現(xiàn)一定的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與遮擋、特殊惡劣環(huán)境等下的預(yù)測(cè)任務(wù)，避免與正前方車輛出現(xiàn)追尾碰撞危險(xiǎn)。礦卡與正前方車輛通過LTE-V2X直連通信的方式實(shí)時(shí)交互位置、方向角、速度、加速度等信息，依靠視覺與激光雷達(dá)的三維重建與目標(biāo)識(shí)別與跟蹤，及時(shí)做出決策，避免碰撞事故發(fā)生，提高自動(dòng)駕駛安全性。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　道路狀況預(yù)警，是指路側(cè)設(shè)備通過傳感器將道路障礙物(如落石、遺撒物等)、路面 狀況(如積水、結(jié)冰等)等道路狀況的感知信 息，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)，由云平臺(tái) 進(jìn)行智能分析，平臺(tái)再將道路事件信息實(shí)時(shí)發(fā) 送給可能受影響的自動(dòng)駕駛礦卡；或者通過路 側(cè)部署的邊緣計(jì)算平臺(tái)在本地分析感知信息， 在由路側(cè)通信終端將道路事件信息通過LTE- V2X直連通信的模式發(fā)送給可能受影響的礦卡，從而避免事故發(fā)生。應(yīng)用場(chǎng)景如圖3-8所示：

 

　　預(yù)期效果

 

　　道路狀況提醒可以通過路側(cè)感知設(shè)備與云平 臺(tái)/邊緣計(jì)算平臺(tái)的配合，向周圍自動(dòng)駕駛礦卡發(fā)送道路危險(xiǎn)狀況信息，使礦卡間接獲取前方道路事件的具體信息，擴(kuò)展了礦卡對(duì)周邊環(huán)境的感 知范圍。為受影響范圍內(nèi)的礦卡提供更多的決策 與執(zhí)行時(shí)間，提高安全性。

 

　　智慧露天礦山網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛應(yīng)用總體技術(shù)架構(gòu)

 

　　智慧礦山網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的總體技術(shù)架構(gòu)包括“智能網(wǎng)聯(lián)礦卡、車聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)”三個(gè)層面以及相應(yīng)的安全保障體系，其中礦卡車輛具備自車感知與通信、決策和執(zhí)行等能力，與其他設(shè)施之間基于5G、LTE-V2X多模車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊傳輸，云平臺(tái)協(xié)同控制、路徑規(guī)劃等能力，而安全保障體系確保礦卡自動(dòng)駕駛應(yīng)用安全可靠地運(yùn)行。

 

　　4.1 智能網(wǎng)聯(lián)礦卡車輛

 

　　與民用智能網(wǎng)聯(lián)車輛類似，智能網(wǎng)聯(lián)礦卡主要包括通信感知定位、決策規(guī)劃和控制等主要車載系統(tǒng)。但是由于礦山工況的特殊性和運(yùn)輸作業(yè)屬性，智能網(wǎng)聯(lián)礦卡車載系統(tǒng)的技術(shù)特 性又與一般的智能網(wǎng)聯(lián)車輛存在差別。

 

　　4.2 通信、感知與定位

 

　　在露天礦山場(chǎng)景中，智能網(wǎng)聯(lián)礦車須自主完成在裝載區(qū)、主干路、卸載區(qū)等區(qū)域的行 駛作業(yè)，車輛的通信、感知與定位子系統(tǒng)負(fù)責(zé) 提供周邊環(huán)境信息、定位信息以及云平臺(tái)的指令。礦山場(chǎng)景的以下特點(diǎn)為通信、感知與定位提出了較高要求 ：

 

　?、?礦區(qū)工作溫度最低可至零下45℃ ；

 

　?、?礦區(qū)風(fēng)力較強(qiáng)，風(fēng)沙、揚(yáng)塵導(dǎo)致部分感 知設(shè)備失效；

 

　　③ 礦區(qū)道路顛簸比較嚴(yán)重，車載感知設(shè)備 抖動(dòng)嚴(yán)重，容易導(dǎo)致感知數(shù)據(jù)精度下降；

 

　　④ 對(duì)于作業(yè)區(qū)域比較低洼或山體遮擋嚴(yán)重的工況，定位信號(hào)強(qiáng)度容易受到干擾針對(duì)以上礦山場(chǎng)景的特殊性，需考慮車載通信、感知設(shè)備的耐低溫性能或加裝保溫裝置，并采用感知融合方式應(yīng)對(duì)礦區(qū)下復(fù)雜的環(huán)境變化。

 

　　4.3 規(guī)劃與決策

 

　　規(guī)劃與決策子系統(tǒng)是智能網(wǎng)聯(lián)礦卡的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。為了承載自動(dòng)駕駛的業(yè)務(wù)應(yīng)用，規(guī)劃與決策子系統(tǒng)首先根據(jù)云平臺(tái)規(guī)劃的任務(wù)和路徑明確當(dāng)前任務(wù)，同時(shí)接收到傳感器和通信終端的環(huán)境信息之后，對(duì)當(dāng)前環(huán)境作出分析，然后對(duì)控制單元下達(dá)指令。決策與規(guī)劃子系統(tǒng)基本可分為以下四個(gè)部分：

 

　　① 信息決策模塊

 

　　車輛行駛過程中需要時(shí)刻感知外界信息，規(guī)劃與決策系統(tǒng)首先需要接收車輛感知單元(激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及視覺等)信息、V2X(V2I、V2V等)信息、本車當(dāng)前定位信息等多傳感器融合后的信息，依據(jù)感知和通信設(shè)備輸出的外界環(huán)境與自身行駛道路規(guī)劃做出預(yù)測(cè)，確保行車過程的安全。行車路徑上出現(xiàn)障礙物或其他車輛等數(shù)據(jù)后提給路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。

 

　　② 路徑規(guī)劃模塊

 

　　礦山的道路隨著“采”、“排”作業(yè)的開展會(huì)不定期的進(jìn)行變化，尤其是采掘面和排土場(chǎng)的變化頻率很大， 云平臺(tái)進(jìn)行全局路徑規(guī)劃后自動(dòng)駕駛礦卡按照路徑任務(wù)進(jìn)行循跡行駛，在采掘面和排土場(chǎng)或者前方需要障礙物需要繞行時(shí)，根據(jù)信息決策模塊輸入的信息， 自車對(duì)可行駛區(qū)域進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。

 

　　③ 任務(wù)決策模塊

 

　　根據(jù)“采、運(yùn)、排”作業(yè)業(yè)務(wù)流程，智能網(wǎng)聯(lián)礦卡會(huì)劃分不同的任務(wù)狀態(tài)，并需要細(xì)化不同任務(wù)狀態(tài)時(shí)需執(zhí)行的控車操作。在“采”、“排”場(chǎng)景下，根據(jù)高精地圖及環(huán)境信息進(jìn)行局部路徑規(guī)劃、依據(jù)生成路徑行駛、與其他工程機(jī)械車輛進(jìn)行協(xié)同交互作業(yè)等。在主干道路進(jìn)行行駛過程中，在全局路徑指引下，依據(jù)高精地圖和環(huán)境信息(包括其他車輛、障礙物等)，做出具體的行為決策(循跡、避障繞行、停車等待、請(qǐng)求遠(yuǎn)程接管等)。

 

　　④ 故障決策模塊

 

　　故障決策模塊在礦卡行駛過程中通過車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)(如CAN總線)獲取車身狀態(tài)信息，同時(shí)對(duì)自動(dòng)駕駛相關(guān)各模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)， 出現(xiàn)異常事件時(shí)根據(jù)其對(duì)自動(dòng)駕駛的影響程度進(jìn)行停車等待人工排查、請(qǐng)求平臺(tái)調(diào)度至維修區(qū)進(jìn)行維修或者進(jìn)行其他可保證自動(dòng)駕駛穩(wěn)定可靠運(yùn)行的操作。

 

　　4.4 控制

 

　　1、線控化控制

 

　　整車功能線控化是智能網(wǎng)聯(lián)礦卡實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 駕駛的重要技術(shù)路徑之一，主要由車輛的控制 系統(tǒng)通過電信號(hào)實(shí)現(xiàn)包括線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動(dòng)、 線控制動(dòng)、線控貨箱升降等功能，車輛控制系統(tǒng) 通過車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與車載自動(dòng)駕駛規(guī)劃與決策系 統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)車載規(guī)劃與決策系統(tǒng)對(duì)整車的控 制。而車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如車速、載重、胎壓、 水溫、電機(jī)功率、系統(tǒng)電壓、故障報(bào)警等，由整 車控制系統(tǒng)采集并通過車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與規(guī)劃與決 策系統(tǒng)對(duì)接，再經(jīng)過通信設(shè)備與外界交互。車載線控需要實(shí)現(xiàn)以下控制功能：

 

　?、?線控轉(zhuǎn)向，通過電信號(hào)控制轉(zhuǎn)向油缸動(dòng)作并實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)前軸轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。

 

　?、?線控驅(qū)動(dòng)，通過電信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)檔位和油門實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能的線控化。

 

　?、?線控制動(dòng)，礦用卡車制動(dòng)功能一般包 含行車制動(dòng)、駐車制動(dòng)、緊急制動(dòng)、裝載制動(dòng) 等，均通過電信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。

 

　　④ 線控貨箱升降，通過電信號(hào)控制貨箱升 降系統(tǒng)的電比例閥組實(shí)現(xiàn)舉升、迫降、鎖止、浮動(dòng)四個(gè)檔位的線控功能。

 

　　2、基于駕駛機(jī)器人的線控化控制

 

　　對(duì)于無法直接通過車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)接線控控制系統(tǒng)的存量車輛，可以進(jìn)行基于駕駛機(jī)器人的線控化控制，使之達(dá)到滿足自動(dòng)駕駛應(yīng)用的條件。基于駕駛機(jī)器人的線控化控制主要是通過外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和整車控制器 (VCU ) 設(shè)計(jì)開發(fā)，在自動(dòng)駕駛模式下替代原有有人操作產(chǎn)生的信號(hào)實(shí)現(xiàn)車輛的線控化控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛。基于機(jī)器人的線控化控制包括：

 

　?、?轉(zhuǎn)向機(jī)器人，通過VCU電信號(hào)控制轉(zhuǎn)向機(jī)器人動(dòng)作并實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)前軸轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。

 

　?、?緊急制動(dòng)機(jī)器人，通過VCU電信號(hào)控制緊急制動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作并實(shí)時(shí)反饋踏板開度，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)的閉環(huán)控制。

 

　?、?貨箱升降機(jī)器人，通過VCU電信號(hào)控制貨箱升降機(jī)器人動(dòng)作實(shí)現(xiàn)舉升、迫降、鎖止、浮動(dòng)四個(gè)檔位的控制功能。

 

　?、?油門行車制動(dòng)控制，通過VCU D/A輸出信號(hào)控制油門制動(dòng)實(shí)現(xiàn)油門和行車制動(dòng)的控制功能。

 

　　⑤ 通過VCU 線控驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)檔位、駐車制動(dòng)和裝載制動(dòng)的控制功能。

 

　　4.5 支持智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的車聯(lián)網(wǎng)

 

　　1、網(wǎng)聯(lián)框架

 

　　面向礦區(qū)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面需要考慮到礦區(qū)不同工作區(qū)的特征和通信需求， 另一方面結(jié)合5G、LTE-V2X、多接入邊緣計(jì)算(MEC)等技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，考慮多種通信技術(shù)相結(jié)合以支持礦區(qū)不同業(yè)務(wù)的需求。整體網(wǎng) 絡(luò)架構(gòu)由車載端、路側(cè)端、基站、多接入邊緣計(jì)算平臺(tái)MEC作為本地?cái)?shù)據(jù)處理中心和本地應(yīng)用服務(wù)、核心網(wǎng)以及云端應(yīng)用服務(wù)組成。

 

　　就蜂窩通信而言，可以根據(jù)礦區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，初期4G覆蓋，逐步增加5G覆蓋，以支持高清視頻上傳、遙控接管等功能。車和云之間通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)與控制信息交互。部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以通過核心網(wǎng)上傳到云端應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多礦區(qū)綜合管理。針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬優(yōu)勢(shì)而言，在礦區(qū)作業(yè)環(huán)境下，可以通過5G網(wǎng)絡(luò)將高清視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到本地控制中心，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)遠(yuǎn)程遙控的接管。具體礦車內(nèi)攝像頭采集到的高清視頻通過5GCPE、5G基站，上傳至MEC平臺(tái)；與此同時(shí)， 路側(cè)攝像頭采集工作區(qū)視頻，通過礦區(qū)路由器和5GCPE、5G基站，也上傳至MEC平臺(tái)。該MEC平臺(tái)直接與礦區(qū)的遠(yuǎn)程遙控中心相連，視頻數(shù)據(jù)直接本地分流至遠(yuǎn)程遙控中心，無需傳至核心網(wǎng)，降低傳輸時(shí)延。根據(jù)這些視頻感知信息，借助5G系統(tǒng)低時(shí)延高可靠的通信能力，遠(yuǎn)程遙控中心發(fā)出控制指令，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)駕駛礦卡。

 

　　就LTE-V2X直連通信而言，在車端安裝車載通信設(shè)備OBU，路邊安裝路側(cè)通信設(shè)備RSU， 從而支持車-車、車-路之間可以通過LTE-V2X直連通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互：

 

　?、?車一車之間直連通信：支持前向碰撞預(yù)警、車輛間作業(yè)協(xié)同等；

 

　　② 車和智能路側(cè)設(shè)備通信：支持道路狀況提醒、 感知融合等。MEC平臺(tái)可支持礦區(qū)本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理和本地應(yīng)用服務(wù)，例如視頻分析、高精度定位、LTE-V2X設(shè)備和連接管理、感知數(shù)據(jù)融合處理等，礦區(qū)的本地業(yè)務(wù)服務(wù)可以直接連到MEC平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化。

 

　　結(jié)合4G/5G蜂窩通信和LTE-V2X直連通 信不同技術(shù)特性，LTE-V2X直連通信將可以更 多地支持車-車、車-路之間的連接協(xié)同，提升自動(dòng)駕駛礦卡行駛的安全性與作業(yè)的高效性， 5G蜂窩通信則將更好地支持車和云平臺(tái)之間地高速、可靠、低時(shí)延的信息交互，支撐實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛等應(yīng)用。(如表4-6所示)

 

 

　　2、網(wǎng)絡(luò)部署建議

 

　　礦區(qū)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)效率與安全有很高的要求，需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備隨時(shí)隨地在線，對(duì)礦區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、可靠性、延遲、帶寬提出很高的要求?；诋?dāng)前技術(shù)條件，目前礦區(qū)存在以下幾種典型的網(wǎng)絡(luò)部署方案：

 

　?、?4G網(wǎng)絡(luò)宏站覆蓋方案

 

　　4G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前覆蓋最全面的網(wǎng)絡(luò)， 通過數(shù)個(gè)4G宏站就可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦坑(約3-5平方公里)完全覆蓋。目前4G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)已是成熟網(wǎng)絡(luò)，所以該方案適合于需要大面積覆蓋但對(duì)帶寬和時(shí)延沒有很高要求的業(yè)務(wù)。

 

　?、?5G網(wǎng)絡(luò)宏站覆蓋方案

 

　　在礦區(qū)范圍內(nèi)部署5G基站，通過5G網(wǎng)絡(luò)覆 蓋解決熱點(diǎn)地區(qū)業(yè)務(wù)量大、時(shí)延要求高的業(yè)務(wù)需 求。另外由于礦區(qū)持續(xù)開采，逐漸形成垂直落差 較大的場(chǎng)景。5G的大規(guī)模陣列天線可實(shí)現(xiàn)垂直方向的波束賦形，結(jié)合電調(diào)天線可減少地形遮擋產(chǎn) 生的覆蓋盲區(qū)。對(duì)于工作面有大型設(shè)備遮擋，少數(shù)需要補(bǔ)盲的場(chǎng)景，可以使用拖車移動(dòng)基站+微波傳輸實(shí)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)補(bǔ)盲。

 

　?、?4G/5G混合組網(wǎng)部署

 

　　利用4G宏站覆蓋面積的優(yōu)勢(shì)，可以在熱點(diǎn)地區(qū)部署5G基站作為4G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，時(shí)延要求較高 的業(yè)務(wù)終端可通過搭載5G模組，實(shí)現(xiàn)與5G基站之 間超低時(shí)延的數(shù)據(jù)交互。對(duì)已經(jīng)部署4G網(wǎng)絡(luò)的礦區(qū)疊加5G網(wǎng)絡(luò)，通過4G、5G統(tǒng)一核心網(wǎng)的NSA架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)4G與5G的無縫切換，以及4G+5G上行 鏈路聚合增強(qiáng)。礦區(qū)的自動(dòng)駕駛通常是伴隨與其 他信息化業(yè)務(wù)一起發(fā)生的，4G/5G網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù) QoS機(jī)制可實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)承載礦區(qū)信息礦的多樣業(yè)務(wù)(語音、視頻、控制)，保證自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級(jí)，保證高可靠。

 

　?、?LTE-V2X路側(cè)RSU部署

 

　　LTE-V2X技術(shù)提供車-車、車-路的直連通信,對(duì)礦區(qū)自動(dòng)駕駛車輛的安全行駛，以及與有人車輛共存提供了保障。對(duì)于礦區(qū)作業(yè)的車輛包括挖掘機(jī)、推土機(jī)、運(yùn)輸車等，車上均裝載支持 LTE-V2X PC5直連通信的OBU。同時(shí)，在礦區(qū)采坑內(nèi)/外道路沿途布置支持LTE-V2X PC5直連通信的RSU。車輛在工作/行駛過程中可以通過PC5直連通信周圍車輛以及路邊RSU進(jìn)行通信。(如圖4-7所示)

 

　　經(jīng)測(cè)算，每1km道路配置4個(gè)RSU節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn) 信號(hào)全覆蓋，包括采坑內(nèi)所有道路以及采坑外一定范圍的道路，保證工作車輛從采坑外到進(jìn)入采坑開始作業(yè)的全過程都能和至少一個(gè)RSU進(jìn)行PC5 直連通信。(如圖4-8所示)

 

　　4.6 支持智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的云平臺(tái)

 

　　1、平臺(tái)總體框架

 

　　通過車輛與駕駛環(huán)境的全面信息聚合和應(yīng)用，將云計(jì)算、智能傳感、通信網(wǎng)絡(luò)、定位、地圖等技術(shù)融合和智能計(jì)算，自動(dòng)駕駛云平臺(tái)支持實(shí)現(xiàn)礦山作業(yè)的數(shù)字化、智能化的管理。云平臺(tái)架構(gòu)包括以下幾個(gè)層面：

 

　?、?基礎(chǔ)資源層為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、計(jì)算分析提供基礎(chǔ)的硬件環(huán)境。

 

　?、?數(shù)據(jù)源層主要包括車輛自身和行駛的狀態(tài)信息、道路環(huán)境消息(包括RSU、攝像頭、雷達(dá)、氣象感知)、礦區(qū)作業(yè)區(qū)域的高精度地圖。另外，云平臺(tái)具備可擴(kuò)展性，可與第三方平臺(tái)對(duì)接獲取外部數(shù)據(jù)。

 

　　③ 數(shù)據(jù)交互支撐層主要是將采集到的交通環(huán)境多維數(shù)據(jù)做融合分析，建立適用于礦區(qū)作業(yè)園區(qū)路網(wǎng)環(huán)境的算法及模型，并動(dòng)態(tài)地基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。

 

　?、?應(yīng)用層面主要基于數(shù)據(jù)建模處分析，形成對(duì)自動(dòng)駕駛作業(yè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)和調(diào)度管控，并基于建模分析實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，為車輛安全可靠的運(yùn)行提供及時(shí)、合理的決策建議。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，平臺(tái)接管車輛的操作權(quán)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

 

　?、?用戶層為礦區(qū)業(yè)主單位、運(yùn)營(yíng)商、平臺(tái)開發(fā)商等提供礦區(qū)作業(yè)直觀的呈現(xiàn)、用戶可以直觀地了解礦區(qū)整體運(yùn)行情況，也可以查詢具體的車輛、路側(cè)設(shè)備、基站等的工作狀態(tài)。

 

　　2、平臺(tái)功能需求

 

　　云平臺(tái)承載著智慧礦區(qū)的運(yùn)營(yíng)管理和服務(wù)提供能力，針對(duì)礦區(qū)“采、運(yùn)、排”業(yè)務(wù)場(chǎng)景，云平臺(tái)需要滿足的主要功能包括：

 

　?、?實(shí)時(shí)采集包括RSU消息、攝像頭和雷達(dá)感知信息、天氣環(huán)境信息、定位信息等全方位數(shù)據(jù)；

 

　　② 通過基于大數(shù)據(jù)、智能學(xué)習(xí)等技術(shù)手段進(jìn) 行融合分析，打造能夠主動(dòng)感知、預(yù)測(cè)、分析、并快速做出正確處理的業(yè)務(wù)模型，面向裝載/卸載、運(yùn)輸、保障等應(yīng)用場(chǎng)景提供聯(lián)合決策和協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)作業(yè)車輛的自動(dòng)駕駛、編隊(duì)行駛等業(yè)務(wù)、以及對(duì)業(yè)務(wù)的監(jiān)管調(diào)度。

 

　?、?礦區(qū)高精地圖包含道路、邊坡等信息要素，支持路徑規(guī)劃、前向碰撞預(yù)警等功能。

 

　?、?車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和用戶認(rèn)證管理幫助平臺(tái)對(duì)礦區(qū)所有車輛、基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行登記認(rèn)證便于車隊(duì)管理和網(wǎng)絡(luò)管理，用戶則能夠通過身份標(biāo)識(shí)隨時(shí)查詢車輛的工作狀態(tài)。

 

　?、?云平臺(tái)承接各類信息的回傳和指令下發(fā)， 因此需要對(duì)提供全方位的安全保障。

 

　　3、平臺(tái)功能模塊

 

　　云平臺(tái)采集自動(dòng)駕駛作業(yè)車輛信息(車輛自身信息、行駛狀態(tài)信息、車端感知設(shè)備信息、定位信息)以及道路環(huán)境感知信息(RSU消息、攝像頭和雷達(dá)的路況感知數(shù)據(jù)、氣象傳感器數(shù)據(jù)等)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)、智能分析等管理應(yīng)用，基于全方位的數(shù)據(jù)融合分析支持智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛應(yīng)用。云平臺(tái)分為基礎(chǔ)類、功能類和展示類三大類，其中基礎(chǔ)類主要包括車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和用戶認(rèn)證管理模塊，功能類包括數(shù)據(jù)融合處理模塊、智能運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管模塊和遠(yuǎn)程控制模塊，展示類主要包括平臺(tái)可視化模塊。

 

　　(1) 車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和用戶認(rèn)證管理模塊

 

　　車輛身份認(rèn)證，包括車輛類型、編號(hào)等信息，在作業(yè)時(shí)間周期內(nèi)，車輛擁有唯一的身份識(shí)別ID，便于平臺(tái)的監(jiān)管、調(diào)度、查詢等操作；為礦區(qū)    業(yè)主、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、平臺(tái)開發(fā)商等單位進(jìn)行各自的權(quán)限認(rèn)證，比如礦區(qū)業(yè)主可以查詢當(dāng)前運(yùn)營(yíng)車輛數(shù)量、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、開采量和運(yùn)輸量等；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)單位可以實(shí)時(shí)了解基站、RSU以及其他道路基礎(chǔ)設(shè)施的工作狀態(tài)，第一時(shí)間鎖定存在故障的設(shè)備。

 

　　(2) 數(shù)據(jù)融合處理模塊

 

　　采集到的車輛行駛信息、道路感知信息、高精度定位信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)與多傳感器數(shù)據(jù)時(shí)空對(duì)齊，將多維度數(shù)據(jù)特征空間歸一化，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析等。算法方面，采用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，構(gòu)建車-路協(xié)同環(huán)境下全局的算法模型架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)礦區(qū)作業(yè)區(qū)域的全局實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的管控。

 

　　(3) 智能運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管模塊

 

　　智能網(wǎng)聯(lián)礦卡與其他工程機(jī)械車需要在云平臺(tái)的統(tǒng)一指揮下開展相關(guān)的生產(chǎn)作業(yè)。對(duì)于作業(yè)車輛，云平臺(tái)提供行駛的決策建議、控制參數(shù)、最優(yōu)線路規(guī)劃、以及故障預(yù)警等信息，以實(shí)現(xiàn)車輛順利完成作業(yè)任務(wù)以及不同車型之間的高效協(xié)作；車輛的具體作業(yè)任務(wù)和行駛路徑需要平臺(tái)統(tǒng)一的監(jiān)管和調(diào)配，并在行駛過程中對(duì)礦區(qū)作業(yè)場(chǎng)景突發(fā)事件對(duì)車輛進(jìn)行臨時(shí)的調(diào)度等功能。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和道路基礎(chǔ)設(shè)施，平臺(tái)需要監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，如有工作異常需要及時(shí)反饋報(bào)警信息，對(duì)處于故障設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)的作業(yè)車輛發(fā)出報(bào)警信息避免危險(xiǎn)發(fā)生。

 

　?。?) 遠(yuǎn)程控制模塊

 

　　該功能主要是作為遇到特殊路段或其他緊急情況時(shí)的一種必要的補(bǔ)充功能。當(dāng)作業(yè)車輛遇到緊急情況時(shí)發(fā)起遠(yuǎn)程控制請(qǐng)求，并將車輛的ID、實(shí)時(shí)位置、速度、方向等信息上報(bào)給后端的云控制中心，控制中心及時(shí)響應(yīng)并遠(yuǎn)程接管該車輛的操控權(quán)，前進(jìn)、倒車、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等操作指令通過基站網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給車輛執(zhí)行系統(tǒng)，幫助車輛行駛到安全區(qū)域，從而避免危險(xiǎn)情況發(fā)生。為了保證業(yè)務(wù)的順利平穩(wěn)進(jìn)行，要求平臺(tái)遠(yuǎn)程接管的響應(yīng)時(shí)間要盡可能的短。

 

　　(5) 平臺(tái)可視化模塊

 

　　平臺(tái)展示界面能夠?qū)⒌V區(qū)全局的態(tài)勢(shì)信息直觀地呈獻(xiàn)給用戶，包括：

 

　?、?車輛相關(guān)：當(dāng)前作業(yè)車輛的種類、車輛總數(shù)量和在線數(shù)量、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、行駛里程、開采量和運(yùn)送量等；

 

　?、?網(wǎng)絡(luò)和道路設(shè)施：基站、RSU、攝像頭、雷達(dá)、氣象感知設(shè)備的位置、數(shù)量、工作狀態(tài)、以及網(wǎng)絡(luò)上/下行速率、總的數(shù)據(jù)吞吐量等。

 

　　4.7智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛安全防護(hù)體系

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中以密碼技術(shù)為 基礎(chǔ)，基于PKI體系，從“云、管、端”三個(gè)層 次構(gòu)建安全防護(hù)體系，如圖4-10所示：

 

　　1、信息安全

 

　?、?平臺(tái)側(cè)安全

 

　　在智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全防護(hù)體系 中，云安全平臺(tái)安全防護(hù)平臺(tái)端自身系統(tǒng)安全和 業(yè)務(wù)安全，包括部署防火墻、入侵檢測(cè)等網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)以及部署安全審計(jì)等業(yè)務(wù)安全系統(tǒng)。云平臺(tái)自 身系統(tǒng)安全和業(yè)務(wù)安全可以分為管理和技術(shù)兩個(gè) 層面。首先，在技術(shù)方面，需要按照分層基于安全域的劃分，從物理基礎(chǔ)設(shè)施、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)等層面進(jìn)行綜合防護(hù)；其次， 在管理方面，應(yīng)覆蓋云平臺(tái)、云服務(wù)、云數(shù)據(jù)的 全生命周期，對(duì)平臺(tái)安全維護(hù)、安全事件、安全 風(fēng)險(xiǎn)、業(yè)務(wù)連續(xù)性等方面進(jìn)行管理。在技術(shù)層面 基于安全域的劃分，可采用合理的手段進(jìn)行全面 的安全防護(hù)。對(duì)于DDoS攻擊，可以采用高性能硬 件設(shè)備防護(hù)南北向攻擊，采用虛擬化異常流量監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)東西向DDoS攻擊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與云平臺(tái)協(xié)同進(jìn)行安全防護(hù)。采用物理/虛擬化防火墻進(jìn)行 不同粒度的邊界隔離和防護(hù)，通過入侵檢測(cè)設(shè)備 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)，采用漏洞掃描設(shè)備進(jìn)行云平 臺(tái)、虛機(jī)的安全評(píng)估。管理層面為有效保障安全 訪問，可以采用堡壘機(jī)進(jìn)行安全控制和防護(hù)。同步可以在WEB主機(jī)上部署網(wǎng)頁(yè)防篡改系統(tǒng)、防病毒系統(tǒng)等。上述所有設(shè)施都可以由云安全管理平 臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并提供用戶訪問界面。

 

　?、?終端安全

 

　　終端安全防護(hù)需要考慮的安全要素較多，理在智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)OBU及RSU側(cè)， 應(yīng)當(dāng)遵循安全生命周期管理原則，對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備在設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試、部署、召回等環(huán)境考慮信息 安全基本要求及融入，同時(shí)考慮對(duì)所有通訊對(duì)象的通訊及交互安全。

 

　　在硬件設(shè)計(jì)及封裝方面，充分考慮系統(tǒng)的工作環(huán)境及物理安全要求，采用基本的防拆卸及防調(diào)試手段提升對(duì)關(guān)鍵硬件接口、通訊過程、對(duì)象的惡意分析調(diào)試難度。通過密碼模塊構(gòu)建 可靠的信任基礎(chǔ)，貫穿系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)。

 

　　對(duì)關(guān)鍵操作系統(tǒng)、中間件及軟件程序進(jìn)行系統(tǒng)加固及安全部署管理，通過密碼模塊對(duì)操作系統(tǒng)、中間件及軟件程序做啟動(dòng)、更新和安裝驗(yàn)證，同時(shí)利用可靠的代碼簽名技術(shù)和流程，保障系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運(yùn)行安全。在不影響功能安全的基礎(chǔ)上，實(shí)施系統(tǒng)及軟件安全加固防護(hù)：對(duì)系統(tǒng)權(quán)限、接口等做最小權(quán)化權(quán)限設(shè)置，通過技術(shù)手段防止系統(tǒng)權(quán)限失控；對(duì)公開漏洞及高風(fēng)險(xiǎn)漏洞及時(shí)修補(bǔ)；通過軟件保護(hù)技術(shù)提升惡 意攻擊者對(duì)關(guān)鍵算法、系統(tǒng)應(yīng)用的分析難度。

 

　　在與其它自動(dòng)駕駛系統(tǒng)單元通訊認(rèn)證過程中，依賴可靠的流程及密碼學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字證書終端安全管理， 確保身份根存儲(chǔ)安全，對(duì)關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)、 傳遞。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端安全 狀態(tài)，對(duì)不正常終端及失控終端做到及時(shí)預(yù)警。

 

　?、?通信安全

 

　　在智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全防護(hù)體系 中，通信安全防護(hù)內(nèi)容主要包含車與車、車與路 邊交通設(shè)施之間基于PC5接口的直聯(lián)通信安全，以 及車、路邊交通設(shè)施與云端自動(dòng)駕駛平臺(tái)之間基 于Uu接口的蜂窩通信安全。

 

　　(1)基于蜂窩通信的安全防護(hù)機(jī)制

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛的車、路與自動(dòng)駕駛 平臺(tái)之間基于Uu接口的蜂窩通信，需保證通信 過程中終端身份，網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩＼?、路端可通過安全接入終端與網(wǎng)絡(luò)建立基于 IPSec、TLS等標(biāo)準(zhǔn)安全通信協(xié)議的安全連接，基 于數(shù)字證書系統(tǒng)和鑒權(quán)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向身份認(rèn) 證，確保通信過程中終端身份可信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?如圖4-12所示)

 

　　(2)基于直連通信的安全防護(hù)機(jī)制

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛過程中，需要保證車與車之間、車與路邊交通設(shè)施之間基于PC5接口交互數(shù)據(jù)完整可信，安全可靠。可建立基于PKI 的通信安全身份認(rèn)證保障體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信實(shí)體的安全證書管理，提供安全身份認(rèn)證服務(wù)(具體建設(shè)方式可參見IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布的《LTE-V2X安全技術(shù)白皮書》)。

 

　　PKI基礎(chǔ)設(shè)施包括建立對(duì)智慧礦區(qū)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中相關(guān)實(shí)體身份全生命周期管理的機(jī)制和系統(tǒng)，為每個(gè)實(shí)體建立業(yè)務(wù)所需的身份標(biāo)識(shí)；建立公鑰密碼設(shè)施，為每個(gè)實(shí)體簽發(fā)數(shù)字證書，實(shí)現(xiàn)數(shù)字證書管理的各項(xiàng)功能，通過數(shù)字證書的管理實(shí)現(xiàn)身份的管理，為實(shí)體安全通信和安全交互提供基礎(chǔ)；建立密鑰管理基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)智慧礦區(qū)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中相關(guān) 實(shí)體的密鑰進(jìn)行管理，包括密鑰的產(chǎn)生、激活、存儲(chǔ)、分發(fā)、撤銷、更新、銷毀、歸檔等。

 

　　通過使用數(shù)字證書作為車載設(shè)備、交通設(shè)施的數(shù)字身 份憑證，實(shí)現(xiàn)雙方身份鑒別認(rèn)證；同時(shí)，通過數(shù)據(jù)摘要、數(shù)字簽名等手段保證通信數(shù)據(jù)的完整性 和有效性，保障PC5直連通信身份可信、數(shù)據(jù)完整 有效。PKI基礎(chǔ)設(shè)施和密碼服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施在智慧礦區(qū)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的使用如圖4-13所示。

 

　　2、功能安全

 

　　(1) 功能安全風(fēng)險(xiǎn)分析

 

　　智能網(wǎng)聯(lián)礦卡實(shí)際應(yīng)用中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行危 害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如表4-14所示。

 

　　表上通過簡(jiǎn)化運(yùn)行場(chǎng)景和運(yùn)行模式，導(dǎo)出了一些典型危害，實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景包含道路、天氣、 工作環(huán)境等諸多因素，運(yùn)行模式包含加速、減 速轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、停車等。通過危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以發(fā)現(xiàn)存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，且部分風(fēng)險(xiǎn)的危害較大。因此，需要功能安全設(shè)計(jì)將從流程和技術(shù)兩個(gè)方面降低來自汽車電子電器功能失效帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

 

　　3、功能安全實(shí)施

 

　　智能網(wǎng)聯(lián)礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能的安全實(shí) 施，包含概念、系統(tǒng)、硬件和軟件四大過程，其 中系統(tǒng)、硬件和軟件屬于產(chǎn)品開發(fā)過程。各過程 主要安全活動(dòng)如圖4-15所示。

 

　?、?概念階段過程

 

　　概念階段的設(shè)計(jì)工作首先需要明確智能網(wǎng)聯(lián)礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的定義，確定自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的初步技術(shù)架構(gòu)。然后對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，識(shí)別出所有危害，確定安全目標(biāo)，并基于安全目標(biāo)導(dǎo)出功能安全要求。

 

　　最后，需要將功能安全要求分配到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的初步技術(shù)架構(gòu)中，明確各子系統(tǒng)或各組成要素的功能安全要求，得到功能安全概念。概念階段工作的最終目的，就是需要通過上述分析，合理為各個(gè)系統(tǒng)分配功能安全要求和安全目標(biāo)，為各子系統(tǒng) 的供應(yīng)商提供功能安全概念文檔。概念階段的主要工作成果包含：相關(guān)項(xiàng)定義、危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、安全目標(biāo)、功能安全要求、功能安全概念等。

 

　　②  產(chǎn)品開發(fā)過程

 

　　產(chǎn)品開發(fā)過程包含系統(tǒng)層面、硬件層面和軟件層面開發(fā)工作。系統(tǒng)層面，廠商需要根據(jù)功能安全要求，導(dǎo)出技術(shù)安全要求，并進(jìn)行技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將技術(shù)安全要求分配到技術(shù)架構(gòu)中，得到技術(shù)安全概念。技術(shù)架構(gòu)不僅包含了軟件和硬件組成要素，還包含了軟件要素和硬件要素的接口。系統(tǒng)層面還包含軟硬件集成、系統(tǒng)集成和整車集成的測(cè)試。系統(tǒng)層面的主要工作成果包括技術(shù)安全要求規(guī)范、技術(shù)安全概念、系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范、系統(tǒng)安全分析報(bào)告、軟硬件接口規(guī)范、集成測(cè)試規(guī)范和測(cè)試報(bào)告等。

 

　?、垓?yàn)證過程

 

　　為確保自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的功能安全設(shè)計(jì)符合功能安全要求，必須對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果和開發(fā)成果進(jìn)行驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)階段，驗(yàn)證是對(duì)工作成果的評(píng)估，確保設(shè)計(jì)與要求的正確性、完整性和一致性。評(píng)估可通過評(píng)審、模擬或分析技術(shù)展開。功能安全的評(píng)估項(xiàng)目包括：所有的需求規(guī)范、 所有的架構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、軟硬件接口規(guī)范、硬件架構(gòu)度量、隨機(jī)硬件失效概率度量、安全分析等。在測(cè)試階段，驗(yàn)證是對(duì)測(cè)試環(huán)境下工作成果的評(píng)估，確保成果滿足要求。功能安全的測(cè)試項(xiàng)目包括：硬件集成測(cè)試、軟件單元測(cè)試、 軟件集成測(cè)試、軟硬件集成測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試和整車集成測(cè)試等。

 

　　4.8 總體技術(shù)邏輯架構(gòu)

 

　　總體而言，智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛整體解決方案，在云平臺(tái)構(gòu)建礦區(qū)運(yùn)輸作業(yè)整體監(jiān)控與調(diào)度能力，在車端構(gòu)建通信感知、決策與控制能力，通過車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車輛與云平臺(tái)、其他車輛、路側(cè)的實(shí)時(shí)交互，云、管、端三層高效協(xié)同，并且以安全保障體系為支撐，逐步解決礦區(qū)環(huán)境下可能面臨的傳感器性能降低、決策算法超出邊界等問題，進(jìn)而提高自動(dòng)駕駛的安全性、可用性、可靠性。（技術(shù)架構(gòu)如圖4-16）

 

　　歸納與預(yù)測(cè)

 

　　礦區(qū)環(huán)境惡劣，地點(diǎn)偏遠(yuǎn)封閉，無人化需求迫切，開展礦區(qū)自動(dòng)駕駛應(yīng)用對(duì)于帶動(dòng)采礦業(yè)提升智慧礦區(qū)整體應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)安全、綠色、高效生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。而且礦卡行駛路線相對(duì)單一、車速相對(duì)較低、場(chǎng)景較為封閉，是自動(dòng)駕駛應(yīng)用將較快落地的重要場(chǎng)景之一。

 

　　目前，通過主機(jī)廠商、自動(dòng)駕駛解決方案商、智慧礦區(qū)解決方案商的合作，在礦區(qū)部署云平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信、智能車載終端一體化的解決方案，在測(cè)試和試應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了自主行駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛、作業(yè)協(xié)同等礦卡自動(dòng)駕駛的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)了露天礦區(qū)運(yùn)輸作業(yè)的無人化。但是隨著礦區(qū)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的深入，場(chǎng)景復(fù)雜度不斷提升，未來將迎來新的挑戰(zhàn)，主要包括：

 

　?、?隨著未來應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大，自動(dòng)駕駛應(yīng)用規(guī)模將顯著提升，相應(yīng)場(chǎng)景復(fù)雜度也會(huì)明顯加大，將對(duì)平臺(tái)調(diào)度能力與車輛決策能力提出更高要求；

 

　?、?各種礦區(qū)不同的工況特點(diǎn)會(huì)給技術(shù)可靠性和通用性帶來挑戰(zhàn)，例如金屬礦石的電磁特性會(huì)影響毫米波雷達(dá)的性能，高寒地區(qū)礦區(qū)的溫度會(huì)影響電氣電子設(shè)備的穩(wěn)定性；

 

　?、?目前各礦區(qū)基本由單個(gè)廠商提供解決方案為主，所采用的LTE- V2X直連通信協(xié)議棧、MEC平臺(tái)與其他設(shè)備之間的接口協(xié)議以定制化開發(fā)為主，未來應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大帶來的不同廠商設(shè)備混用會(huì)導(dǎo)致設(shè)備間存在互聯(lián)互通的障礙；

 

　?、?隨著未來商業(yè)化程度加深，行業(yè)監(jiān)管部門、采礦企業(yè)對(duì)于網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛的安全性，包括信息安全和功能安全，必然會(huì)提出更明確的要求。

 

　　因此，需要產(chǎn)業(yè)各方進(jìn)一步堅(jiān)定信心、加強(qiáng)協(xié)同，共同推動(dòng)智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的發(fā)展成熟。

 

　　一是專注主線賽道，堅(jiān)定發(fā)展信心。主機(jī)廠商、自動(dòng)駕駛解決方案商等企業(yè)應(yīng)專注礦區(qū)場(chǎng)景下自動(dòng)駕駛應(yīng)用研發(fā)，堅(jiān)定智能化和網(wǎng)聯(lián)化協(xié)同發(fā)展的技術(shù)路線，加快成熟化商業(yè)應(yīng)用，堅(jiān)定產(chǎn)業(yè)各方信心。

 

　　二是加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)供給，促進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)。相關(guān)行業(yè)組織應(yīng)加快推動(dòng)對(duì)礦區(qū)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的細(xì)分場(chǎng)景、數(shù)據(jù)交互需求、設(shè)備技術(shù)要求等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，促進(jìn)設(shè)備間、平臺(tái)間兼容，指導(dǎo)礦區(qū)相關(guān)信息通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與方案部署。

 

　　三是協(xié)同測(cè)試評(píng)估，促進(jìn)技術(shù)成熟。礦區(qū)自動(dòng)駕駛解決方案涉及云、管、端多層次協(xié)同，需要加強(qiáng)體系化的互聯(lián)互通測(cè)試、設(shè)備功能性能評(píng)測(cè)、功能安全認(rèn)證等研究與協(xié)同，保障技術(shù)的可靠性和成熟性。

 

　　四是加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前礦區(qū)自動(dòng)駕駛處于從技術(shù)測(cè)試、試商用向規(guī)模商用過渡的關(guān)鍵階段，技術(shù)成熟度還處在提高過程中，包容審慎的行業(yè)監(jiān)管將有效指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)安全、合規(guī)地開展測(cè)試應(yīng)用，保障行業(yè)健康有序發(fā)展。