路向陽(yáng)，譚紹軍，李 勛，徐 彪，何海興，賀云香，胡 劍

（1.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.中國(guó)中車股份有限公司 科技與質(zhì)量管理部， 北京 100089；3.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

近年來(lái)，“智能化”與“網(wǎng)聯(lián)化”相融合的“智能網(wǎng)聯(lián)”技術(shù)路線成為汽車自動(dòng)駕駛研究的主流。智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)由多個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)成[1-2]，如運(yùn)行控制基礎(chǔ)平臺(tái)、動(dòng)態(tài)地圖基礎(chǔ)平臺(tái)及信息安全基礎(chǔ)平臺(tái)等。由于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)涉及的范圍廣、對(duì)象多、場(chǎng)景復(fù)雜，每一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)都十分復(fù)雜，涉及政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施及產(chǎn)品監(jiān)管等諸多問(wèn)題，因此智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)從概念和頂層設(shè)計(jì)到最終落地仍需經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

露天礦山運(yùn)輸卡車（簡(jiǎn)稱“礦卡”）屬于特殊場(chǎng)景的汽車，其運(yùn)行區(qū)域與道路及其交通標(biāo)志的范圍、參與對(duì)象、場(chǎng)景相對(duì)傳統(tǒng)汽車的而言要明確得多。礦卡自動(dòng)駕駛技術(shù)除了要解決車輛無(wú)人值守的問(wèn)題外，更重要的是在此基礎(chǔ)上還需解決礦山企業(yè)節(jié)能增效、檢修維護(hù)和監(jiān)控管理的需求問(wèn)題，以及不同系統(tǒng)或設(shè)備間互操作性與互換性的問(wèn)題。

本文在分析礦山運(yùn)輸生產(chǎn)場(chǎng)景特點(diǎn)與礦山企業(yè)特殊需求的基礎(chǔ)上，提出一種礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的原理模型，并在頂層的原理層面進(jìn)行框架性描述，以期對(duì)礦卡自動(dòng)駕駛的技術(shù)路線選擇、系統(tǒng)架構(gòu)研究以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)提供參考。

1 礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的特點(diǎn)與自動(dòng)化等級(jí)

本文所述的礦卡自動(dòng)駕駛主要是指礦卡車輛在沒(méi)有駕駛員的情況下，根據(jù)運(yùn)輸生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，在運(yùn)行控制中心（operation control center, OCC）的監(jiān)控下自動(dòng)運(yùn)行的駕駛方式。為了便于闡述自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的原理模型，首先分析礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的特點(diǎn)，并引入符合礦卡作業(yè)實(shí)際的自動(dòng)化等級(jí)的概念。

1.1 礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的特點(diǎn)

礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的特點(diǎn)主要如下：

（1）計(jì)劃性。礦卡的自動(dòng)駕駛消除了人工駕駛的隨意性和不確定性，因此可以通過(guò)制訂最優(yōu)的運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃，達(dá)到整個(gè)車隊(duì)甚至整個(gè)礦區(qū)的節(jié)能、增效目標(biāo)。與乘用車在開(kāi)放公路上隨機(jī)行駛的場(chǎng)景相比，計(jì)劃性是礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)。

（2）組織性。礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的計(jì)劃性通過(guò)運(yùn)輸作業(yè)組織來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)輸作業(yè)組織是指礦山企業(yè)通過(guò)使用礦卡，協(xié)同作業(yè)車輛、道路、場(chǎng)地、通信設(shè)施、各種輔助設(shè)施、作業(yè)人員等對(duì)象或要素實(shí)施礦山運(yùn)輸作業(yè)行為的總和。原理模型的研究應(yīng)充分體現(xiàn)如何組織這些要素來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)所期望的運(yùn)輸目標(biāo)。

（3）有OCC監(jiān)控。傳統(tǒng)的礦山運(yùn)輸生產(chǎn)系統(tǒng)OCC的監(jiān)控功能相對(duì)薄弱，礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)被要求加強(qiáng)OCC的監(jiān)控功能，以確保運(yùn)輸作業(yè)按計(jì)劃、有組織地進(jìn)行，并支持維護(hù)與管理。當(dāng)運(yùn)輸作業(yè)因意外事件產(chǎn)生偏差時(shí)，OCC對(duì)作業(yè)偏差進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)處理異常情況。

（4）面向企業(yè)用戶。礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是礦山企業(yè)實(shí)施運(yùn)輸作業(yè)、支持設(shè)備維修與管理的一個(gè)平臺(tái)。

（5）大系統(tǒng)、強(qiáng)耦合。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不是一個(gè)單一的裝置，而是通過(guò)車與地之間的無(wú)線通信以及地面各種設(shè)備之間的有線或無(wú)線通信，把自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域的各種車輛、各種地面設(shè)備有機(jī)連接的大系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛所需的各種功能被合適地分配到系統(tǒng)的各個(gè)組成部分中，以求在滿足礦山企業(yè)目標(biāo)需求的前提下實(shí)現(xiàn)功能的最優(yōu)分配。

（6）自動(dòng)化區(qū)域封閉。礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的作業(yè)區(qū)域應(yīng)對(duì)外封閉，形成封閉的自動(dòng)化區(qū)域（automatic operational zone, AOZ）[3]。AOZ的面積是有限的（區(qū)域半徑一般為數(shù)公里到數(shù)十公里）；在AOZ內(nèi)，車輛的數(shù)目也是有限的（一般為數(shù)十臺(tái)到數(shù)百臺(tái)),這與隨機(jī)數(shù)量的乘用車在無(wú)邊界的開(kāi)放公路上行駛的復(fù)雜場(chǎng)景存在顯著的差異。露天礦山運(yùn)輸作業(yè)區(qū)域隨著采掘與排土的推進(jìn)而移動(dòng)，因此AOZ是動(dòng)態(tài)移動(dòng)的。

（7）礦卡及其行駛的道路與普通的智能網(wǎng)聯(lián)車的情形顯著不同。礦卡[4]主要用于礦物和渣土的運(yùn)輸與裝卸，其典型質(zhì)量一般為數(shù)百噸，因此其牽引、制動(dòng)、控制（如聯(lián)合裝載、卸載、車廂舉升、上下坡道）等與普通乘用車有顯著的差別。礦區(qū)道路[5]主要為以碎石為特征的非鋪裝道路，路面易產(chǎn)生凹坑和積水坑并出現(xiàn)車輛灑落的碎石，前車的運(yùn)行有可能對(duì)后車產(chǎn)生較大的灰塵。礦區(qū)道路一般沒(méi)有交通標(biāo)志，但會(huì)在排土區(qū)設(shè)置擋墻，以防止車輛跌落懸?guī)r。

1.2 礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的自動(dòng)化等級(jí)

國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）標(biāo)準(zhǔn)SAE J3016針對(duì)汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的自動(dòng)化等級(jí)提出了L0～L5的定義[6]；IEC 62267和IEC 62290系列標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)城市軌道交通列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的自動(dòng)化等級(jí)提出了GOA0～GOA4的定義[7-8]。由于礦卡自動(dòng)駕駛與一般意義上的汽車自動(dòng)駕駛有著顯著的差別，關(guān)注的重點(diǎn)亦明顯不同，為更加貼近礦山運(yùn)輸生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)際情況，本文提出礦卡自動(dòng)駕駛的自動(dòng)化等級(jí)定義，具體如下：

（1）GOA0——全人工駕駛，即完全依靠駕駛員人工駕駛。該等級(jí)主要適用于未安裝自動(dòng)駕駛設(shè)備或自動(dòng)駕駛設(shè)備被切除的情形。

（2）GOA1——人工駕駛。在該等級(jí)下，礦卡由駕駛員駕駛，但系統(tǒng)具有某些安全報(bào)警或安全防護(hù)輔助功能，如具有車載終端（礦卡定位、通信和人機(jī)接口），能夠向OCC報(bào)告本礦卡的位置，與OCC對(duì)講或視頻信息交流；或者具有防碰撞報(bào)警功能（如聲、光報(bào)警）、防碰撞限速以及制動(dòng)功能；或具有工作人員（工作人員可位于OCC、協(xié)同車輛或其他地點(diǎn)）對(duì)礦卡實(shí)施遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)功能；或具有OCC對(duì)礦卡實(shí)施人工遠(yuǎn)程駕駛的功能。

（3）GOA2——半自動(dòng)駕駛。該等級(jí)具有某些輔助駕駛功能，例如循跡行駛、速度控制，但車上需要有駕駛員值守（如駕駛員根據(jù)場(chǎng)景啟動(dòng)或關(guān)閉某些輔助駕駛功能）。

（4）GOA3——自動(dòng)駕駛。具有GOA3等級(jí)駕駛系統(tǒng)的礦卡在作業(yè)時(shí)無(wú)須駕駛員值守，但礦卡的休眠/喚醒、檢查和異常情況等狀態(tài)的處置需由工作人員承擔(dān)。

（5）GOA4——全自動(dòng)駕駛。GOA4等級(jí)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在GOA3基礎(chǔ)上承擔(dān)了車輛休眠/喚醒和檢查、健康管理的職責(zé)以及異常情況的識(shí)別與處置（必要時(shí)人工干預(yù)）任務(wù)。

2 礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的原理模型

由于礦山運(yùn)輸生產(chǎn)作業(yè)具有計(jì)劃性、組織性和受中心監(jiān)控的特點(diǎn)，本文提出礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)由作業(yè)計(jì)劃層、作業(yè)管理與監(jiān)控層、車輛作業(yè)層3層構(gòu)成的分層次思想。

2.1 作業(yè)計(jì)劃層

作業(yè)計(jì)劃層的主要任務(wù)是：根據(jù)礦山企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的總體要求，對(duì)各個(gè)裝載點(diǎn)及其車流進(jìn)行規(guī)劃，生成日生產(chǎn)計(jì)劃；根據(jù)日生產(chǎn)計(jì)劃以及鏟車、礦卡、推土機(jī)等其他協(xié)同車輛以及道路和作業(yè)區(qū)等情況，為每天的生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)合理配置資源要素，形成若干生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)單元；在日生產(chǎn)計(jì)劃以及生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)單元分配方案的基礎(chǔ)上，生成礦卡運(yùn)行圖與時(shí)刻表。作業(yè)計(jì)劃由礦山企業(yè)的計(jì)劃部門(mén)制定。根據(jù)季節(jié)、工作日、節(jié)假日等情況的不同，一般備有多套作業(yè)計(jì)劃。作業(yè)計(jì)劃層的功能是生成作業(yè)計(jì)劃，但不參與具體計(jì)劃的執(zhí)行。一旦當(dāng)日的作業(yè)計(jì)劃被確定，當(dāng)日的作業(yè)將交由作業(yè)管理與監(jiān)控層和車輛作業(yè)層負(fù)責(zé)。

2.2 作業(yè)管理與監(jiān)控層

作業(yè)管理與監(jiān)控層中的作業(yè)管理是指督導(dǎo)實(shí)施預(yù)定的生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃，以及處理降級(jí)模式和異常情況；作業(yè)監(jiān)控是指監(jiān)視作業(yè)過(guò)程中系統(tǒng)的狀態(tài)和性能，必要時(shí)啟動(dòng)控制進(jìn)行干預(yù)。作業(yè)管理與監(jiān)控層接受作業(yè)計(jì)劃層下發(fā)的作業(yè)計(jì)劃，組織轄區(qū)內(nèi)所有車輛按照計(jì)劃在基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行，并進(jìn)行監(jiān)控。作業(yè)管理與監(jiān)控層向作業(yè)計(jì)劃層反饋?zhàn)鳂I(yè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。作業(yè)管理與監(jiān)控層的任務(wù)主要由OCC執(zhí)行。

2.3 車輛作業(yè)層

車輛作業(yè)層屬于單個(gè)礦卡范疇，它接受作業(yè)管理與監(jiān)控層下發(fā)的車次號(hào)及其賦予的任務(wù)，控制本礦卡在作業(yè)管理與監(jiān)控層的監(jiān)管下完成任務(wù)。車輛作業(yè)層實(shí)時(shí)向作業(yè)管理與監(jiān)控層匯報(bào)作業(yè)狀態(tài)。車輛作業(yè)層的任務(wù)主要由安裝在礦卡上的設(shè)備執(zhí)行（必要時(shí)借助地面相關(guān)設(shè)備）。

目前，原理模型的頂層，即作業(yè)計(jì)劃層的工作由人承擔(dān)；原理模型的底層，即車輛作業(yè)層的工作可由人來(lái)承擔(dān)，也可由系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)，且系統(tǒng)承擔(dān)得越多（即，人承擔(dān)得越少）則系統(tǒng)自動(dòng)化程度越高。把3個(gè)層次每一層的任務(wù)劃分為若干功能模塊，得到礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的原理模型，如圖1所示。

圖1 礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的原理模型Fig. 1 Principle module of truck automatic operation system

3 礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理模型的功能

本節(jié)通過(guò)對(duì)圖1中每一層的各個(gè)功能模塊進(jìn)行闡述來(lái)說(shuō)明礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的原理。

3.1 作業(yè)計(jì)劃層

3.1.1 日生產(chǎn)計(jì)劃

根據(jù)礦山生產(chǎn)任務(wù)的總體要求，可以按照年度計(jì)劃、 月度計(jì)劃等實(shí)際情況，最終計(jì)算得到當(dāng)日的生產(chǎn)計(jì)劃。例如，可根據(jù)正常工序生產(chǎn)作業(yè)，結(jié)合礦山的實(shí)際地形、天氣、車輛運(yùn)輸?shù)惹闆r，將年度生產(chǎn)計(jì)劃按季度、月、周、日進(jìn)行分層分配。日生產(chǎn)計(jì)劃的計(jì)算公式為

式中：Ai——月度生產(chǎn)計(jì)劃；A——年度生產(chǎn)計(jì)劃；Ci——月度生產(chǎn)計(jì)劃占年度生產(chǎn)計(jì)劃的比例；Ad——日生產(chǎn)計(jì)劃；Ej——日生產(chǎn)計(jì)劃占當(dāng)月生產(chǎn)計(jì)劃的比例。

日生產(chǎn)計(jì)劃是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)最頂層的輸入。根據(jù)車輛檢修、維保的周期情況，該輸入也可不采用日歷意義上的“日”生產(chǎn)計(jì)劃，而采用“周期”生產(chǎn)計(jì)劃。

3.1.2 作業(yè)組織方案

礦山企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)組織方案[9-10]是根據(jù)日生產(chǎn)計(jì)劃、整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)（采、裝、運(yùn)、卸、平等）的模型、作業(yè)區(qū)域地形和道路以及礦山車輛的可用性（與保有量和維保相關(guān)）來(lái)制訂的。作業(yè)組織方案把生產(chǎn)任務(wù)分解后交由若干作業(yè)單元承擔(dān)，每個(gè)作業(yè)單元由若干電鏟、礦卡以及輔助車輛組成。

作業(yè)組織方案的制訂需要考慮以下因素：

（1）電鏟作業(yè)效率。使之最大化，以盡量縮短電鏟的空閑時(shí)間。

（2）礦卡運(yùn)輸作業(yè)效率。使之最大化，盡量縮短礦卡在裝/卸載區(qū)以及路口、單行道的排隊(duì)等待時(shí)間。

（3）礦卡投入數(shù)量。在產(chǎn)量一定的情況下，使礦卡投入量最少。

（4）能耗和磨耗。在產(chǎn)量一定的情況下，能耗及磨耗最小。

（5）礦卡作業(yè)周期。使該時(shí)間適當(dāng)。礦卡作業(yè)周期時(shí)間是指礦卡完成裝、運(yùn)、卸、折返一個(gè)往返周期所花費(fèi)的時(shí)間。該周期時(shí)間與生產(chǎn)產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)，也與節(jié)能降耗指標(biāo)相關(guān)。當(dāng)日生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)較重時(shí)，該周期時(shí)間值?。ㄆ渥钚≈凳艿V卡和道路最高速度限制約束以及道路上車輛之間的安全間隔約束）；當(dāng)日生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)較輕時(shí)，該周期時(shí)間值大（給優(yōu)化速度規(guī)劃以達(dá)到節(jié)能降耗目標(biāo)留出較大空間）。

以上這些因素互為因果關(guān)系或互相制約，因此作業(yè)組織方案應(yīng)通過(guò)迭代的方式確定?？梢圆捎梅抡娴姆椒ㄖ笇?dǎo)作業(yè)組織方案的制訂，并通過(guò)實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)實(shí)踐和驗(yàn)證反過(guò)來(lái)修正、完善仿真系統(tǒng)，使之更加準(zhǔn)確。

作業(yè)組織方案的確定應(yīng)引入產(chǎn)量和節(jié)能降耗權(quán)重因子，并根據(jù)當(dāng)日生產(chǎn)運(yùn)輸目標(biāo)或相應(yīng)的原則（產(chǎn)能優(yōu)先、節(jié)能優(yōu)先或產(chǎn)能與節(jié)能兼顧等）制訂多種滿足不同需求的方案供選擇。

3.1.3 車輛運(yùn)行圖與作業(yè)時(shí)刻表

當(dāng)前的礦山運(yùn)輸作業(yè)普遍沒(méi)有采用車輛運(yùn)行圖與時(shí)刻表。采用自動(dòng)駕駛模式之后，礦山運(yùn)輸基本具備了通過(guò)時(shí)刻表調(diào)度整個(gè)礦區(qū)車輛運(yùn)行的條件。按照時(shí)刻表運(yùn)行是礦卡最優(yōu)路徑規(guī)劃、路權(quán)管理和速度規(guī)劃的基礎(chǔ)，這可在作業(yè)計(jì)劃的層面減少道路資源占用的沖突，縮短礦卡排隊(duì)時(shí)間，達(dá)到高效、節(jié)能、減小磨耗的目的。

3.1.3.1 車輛運(yùn)行圖

車輛運(yùn)行圖是在日生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)單元分配方案的基礎(chǔ)上編制的，它規(guī)定了各次礦卡占用區(qū)間的次序、在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分、在停車地點(diǎn)的到達(dá)/出發(fā)或通過(guò)的時(shí)刻、在停車地點(diǎn)的等待時(shí)間以及卸載后折返作業(yè)的時(shí)間，能直觀地顯示各次礦卡在時(shí)間上和空間上的相互位置和對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2是車輛運(yùn)行圖的一個(gè)示例，圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間、縱坐標(biāo)表示距離，并用水平線代表各個(gè)停車地點(diǎn)的中心線位置；用由左下方向右上方的斜線代表上行礦卡，用由左上方向右下方的斜線代表下行礦卡。車輛運(yùn)行線與網(wǎng)格水平線的交點(diǎn)就是礦卡在每個(gè)停車地點(diǎn)的到達(dá)、出發(fā)或通過(guò)的時(shí)刻。圖中的斜線具有唯一的編號(hào)（即車次號(hào)）；多條首尾相連的斜線連接在一起組成一條計(jì)劃線，代表了該礦卡一天（或一個(gè)作業(yè)周期）的運(yùn)行計(jì)劃。

圖2 礦卡車輛運(yùn)行圖示例Fig. 2 An example of mine transportation truck operation schedule

OCC按車輛運(yùn)行圖指揮礦卡運(yùn)行。各停車地點(diǎn)按車輛運(yùn)行圖進(jìn)行作業(yè)協(xié)同，以確定每天需要派出的礦卡數(shù)、礦卡喚醒/休眠以及出入停車點(diǎn)的順序及時(shí)間。礦卡的檢修、加油、清洗、道路維修等崗位，也都是根據(jù)車輛運(yùn)行圖來(lái)安排檢修、施工計(jì)劃。車輛運(yùn)行圖把整個(gè)運(yùn)輸生產(chǎn)活動(dòng)聯(lián)結(jié)成為一個(gè)整體。

車輛運(yùn)行圖的要素如下：

（1）礦卡區(qū)間運(yùn)行時(shí)分。其通過(guò)牽引計(jì)算和礦卡試運(yùn)行相結(jié)合的方法確定。

（2）礦卡停車時(shí)分。其主要取決于停車點(diǎn)協(xié)同作業(yè)車輛或作業(yè)內(nèi)容等因素。

（3）礦卡在卸載點(diǎn)折返、停留時(shí)間。其取決于卸載地點(diǎn)作業(yè)、折返所需的時(shí)間。

（4）礦卡出入停車點(diǎn)的作業(yè)時(shí)間。

（5）投入礦卡數(shù)目。

（6）礦卡運(yùn)行間隔時(shí)間。其根據(jù)當(dāng)日生產(chǎn)計(jì)劃所確定的工作量大小來(lái)確定，但最小運(yùn)行間隔時(shí)間受自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)、礦卡等相關(guān)機(jī)電設(shè)備性能條件限制。

（7）停車地點(diǎn)間隔時(shí)間。

3.1.3.2 作業(yè)時(shí)刻表

作業(yè)時(shí)刻表是車輛運(yùn)行圖的表格表現(xiàn)形式，其規(guī)定了運(yùn)輸作業(yè)線路的一個(gè)作業(yè)周期（例如一天）的起止時(shí)間、各次礦卡占用區(qū)間的順序、礦卡在一個(gè)停車地點(diǎn)到達(dá)和出發(fā)（或通過(guò)）的時(shí)刻、礦卡在區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、礦卡在停車地點(diǎn)的停車時(shí)間、礦卡折返作業(yè)時(shí)間及礦卡出入停車場(chǎng)地的時(shí)刻。根據(jù)實(shí)際情況，作業(yè)時(shí)刻表也可采用簡(jiǎn)化形式，如等間隔運(yùn)行的形式。

3.1.4 車輛識(shí)別號(hào)

運(yùn)輸作業(yè)的組織需要通過(guò)車輛識(shí)別號(hào)把作業(yè)計(jì)劃與具體的作業(yè)礦卡關(guān)聯(lián)起來(lái)。自動(dòng)駕駛礦卡的車輛識(shí)別號(hào)可由目的地號(hào)、車輛號(hào)和車次號(hào)這3個(gè)字段組成。目的地號(hào)規(guī)定了擔(dān)當(dāng)某一車次的礦卡需到達(dá)的最終地點(diǎn)，即當(dāng)前使用車次線的最終地點(diǎn)編號(hào)。車輛號(hào)是車輛實(shí)體的編號(hào)，每臺(tái)礦卡均有終生唯一的固定編號(hào)，該編號(hào)在制造廠制造完成時(shí)生成。車次號(hào)規(guī)定了該礦卡本次要執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)，不同類型礦卡的車次號(hào)范圍不相同。

對(duì)于礦卡需要非計(jì)劃移動(dòng)（例如加油）的情形，可人工輸入目的地編號(hào)，引導(dǎo)礦卡自動(dòng)向目的地行駛。

3.2 作業(yè)管理與監(jiān)控層

3.2.1 地圖管理

地圖管理是指AOZ的數(shù)字地圖管理。AOZ包含裝載區(qū)、道路（如單行道、雙車道、路口等）、卸載區(qū)（如排土場(chǎng)、破碎站）、加油區(qū)及停車場(chǎng)等區(qū)域。由于礦山作業(yè)區(qū)隨著作業(yè)的推進(jìn)而移動(dòng)，所以地圖管理應(yīng)包括地圖采集、地圖更新和地圖發(fā)布等內(nèi)容。

3.2.2 時(shí)刻表管理

時(shí)刻表管理模塊的主要功能有如下：

（1）導(dǎo)入和確定時(shí)刻表。OCC工作人員從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入、選擇和激活時(shí)刻表。一般情況下，時(shí)刻表由作業(yè)計(jì)劃層產(chǎn)生。

（2）修改作業(yè)時(shí)刻表。在某些特殊的情況下，OCC工作人員可修改時(shí)刻表。

3.2.3 生產(chǎn)調(diào)度管理

生產(chǎn)調(diào)度管理模塊的功能包括：

（1）導(dǎo)入和確定運(yùn)輸生產(chǎn)單元配置表。OCC工作人員從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入、選擇和激活運(yùn)輸生產(chǎn)單元配置表。

（2）修改運(yùn)輸生產(chǎn)單元配置表。在某些特殊的情況下，OCC工作人員可修改運(yùn)輸生產(chǎn)單元配置表。

（3）根據(jù)作業(yè)時(shí)刻表或工作人員的命令自動(dòng)給礦卡旅程（包括起點(diǎn)、中途停車點(diǎn)、終點(diǎn)站、時(shí)間等）編派車次。

（4）對(duì)于GOA4系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)時(shí)刻表或工作人員的命令自動(dòng)喚醒指定車輛號(hào)的礦卡。

3.2.4 車次管理

本功能模塊根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度管理模塊所確定的單元配置表、時(shí)刻表和礦卡的位置及狀態(tài)，為礦卡指派車次號(hào)（將車次代表的一趟作業(yè)任務(wù)下達(dá)給特定的礦卡）；或者在礦卡執(zhí)行完一個(gè)車次號(hào)任務(wù)之后為其指派新的車次號(hào)；在特殊情況下，也可在礦卡正在執(zhí)行一個(gè)車次號(hào)任務(wù)的過(guò)程中，為該礦卡指派一個(gè)新的車次號(hào)。礦卡將按照車次號(hào)的要求執(zhí)行作業(yè)（如上線、裝載、運(yùn)輸、卸載、下線及休眠等）。通常，一輛礦卡在一天的運(yùn)行中要依次擔(dān)當(dāng)多個(gè)車次任務(wù)。對(duì)于GOA4和GOA3系統(tǒng)，當(dāng)一輛礦卡的所有車次任務(wù)都已經(jīng)指派完畢之后，該礦卡將自動(dòng)進(jìn)入待命狀態(tài)，此時(shí)礦卡停車，等待發(fā)車指令（如發(fā)車時(shí)間或調(diào)度員確認(rèn)等）。

一旦為一輛礦卡指派了一個(gè)車次，將創(chuàng)建一個(gè)唯一的車輛識(shí)別號(hào)關(guān)聯(lián)該特定車次。當(dāng)?shù)V卡退出本次作業(yè)活動(dòng)時(shí)，將刪除該礦卡的車輛識(shí)別號(hào)。對(duì)于GOA2和GOA1系統(tǒng)，也可由駕駛員通過(guò)車載終端輸入車輛識(shí)別號(hào)，并通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)將該識(shí)別號(hào)發(fā)送到OCC。

3.2.5 路徑/軌跡規(guī)劃

路徑規(guī)劃是指為礦卡搜索并確定從當(dāng)前位置到目的地的最佳運(yùn)行路線。路徑規(guī)劃是基于AOZ數(shù)字地圖、結(jié)合各種車輛對(duì)道路資源的動(dòng)態(tài)占用狀態(tài)而制定的，可選擇采用事先采集并確定的參考路徑。

路徑規(guī)劃的典型場(chǎng)景主要有沿道路行駛、駛?cè)胙b載點(diǎn)、駛?cè)肱磐咙c(diǎn)、駛?cè)肫扑檎尽⒃谥付ㄍ＼囄徊窜嚨?，其要解決最佳行駛路線搜索、最優(yōu)曲率規(guī)劃、倒車及以最佳位姿停車入位等與場(chǎng)景相關(guān)的具體問(wèn)題。

根據(jù)AOZ內(nèi)實(shí)際道路和協(xié)同作業(yè)區(qū)域的具體情況以及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的性能，把一條已確定的路徑劃分為若干段，形成行車軌跡。軌跡的長(zhǎng)度范圍不能超過(guò)其移動(dòng)授權(quán)限制點(diǎn)。軌跡由若干個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，包含每一點(diǎn)的位置坐標(biāo)、前進(jìn)/倒車等屬性信息，以便礦卡按照軌跡要求行駛，即循跡行駛。

3.2.6 速度規(guī)劃

速度規(guī)劃以當(dāng)日的作業(yè)時(shí)刻表為依據(jù)。速度規(guī)劃存在以下幾種方式：

（1）為礦卡規(guī)劃從起點(diǎn)到終點(diǎn)軌跡上的每一點(diǎn)的速度，形成一條以行駛距離為自變量、速度為函數(shù)的二維曲線，即礦卡自動(dòng)駕駛速度模式曲線，簡(jiǎn)稱ATO（automatic truck operation）模式曲線，如圖3所示[11]；

圖3 ATO模式曲線示例Fig. 3 An example of automatic truck operation profile

（2）僅給出運(yùn)行等級(jí)，例如低速等級(jí)、中速等級(jí)、快速等級(jí)等，不同的運(yùn)行等級(jí)代表不同的ATO模式曲線；

（3）僅給出時(shí)間限制，如僅給出從當(dāng)前位置到達(dá)指定位置（一般為軌跡終點(diǎn)）計(jì)劃行駛的時(shí)間等。

速度規(guī)劃對(duì)礦山運(yùn)輸生產(chǎn)節(jié)能降耗具有重要意義。速度規(guī)劃的核心任務(wù)是根據(jù)礦卡的運(yùn)動(dòng)方程、初值條件、終值條件、道路（包括坡道、彎道）、車輛（包括牽引/制動(dòng)特性、速度/加速度/沖動(dòng)限制）以及作業(yè)周期時(shí)間限制等約束條件，尋找使目標(biāo)函數(shù)（即牽引能耗）取最小值的最優(yōu)控制變量a(t)和速度曲線v(t)。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)槠碌篮拖匏俣际桥c位置s相關(guān)的分段常數(shù)函數(shù)，為了求解方便，可以將時(shí)間域的最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為位置域模型，即以位置s為自變量，相應(yīng)地，控制變量轉(zhuǎn)換為a(s)，狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為時(shí)間t(s)和速度v(s)。

3.2.7 路權(quán)管理

路權(quán)管理主要負(fù)責(zé)道路（特別是路口、單行道）、協(xié)同作業(yè)區(qū)域等涉及共享道路資源（即路權(quán)）的協(xié)調(diào)管理，在規(guī)劃層面避免各車輛對(duì)共享資源的占用發(fā)生沖突，減少停車和不必要的制動(dòng)減速，避免自動(dòng)駕駛礦卡迎面相撞或側(cè)面相撞。為此，引入“接近區(qū)域”和“接近車輛”的概念。接近區(qū)域是距離資源沖突區(qū)前方足夠遠(yuǎn)的一段區(qū)域（大于車輛的行車制動(dòng)距離）；接近車輛是進(jìn)入接近區(qū)域的車輛。對(duì)于采用GOA4和GOA3系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛礦卡，在進(jìn)入接近區(qū)域時(shí)，由路權(quán)管理模塊通過(guò)互斥聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)接近車輛在時(shí)間上和空間上錯(cuò)開(kāi)，有序占用和釋放共享資源。對(duì)于采用GOA2和GOA1系統(tǒng)的人工駕駛車輛，可通過(guò)車輛的人機(jī)界面獲得路權(quán)管理模塊發(fā)出的指令和相關(guān)信息，有序通過(guò)路口；必要時(shí)，可通過(guò)OCC人工干預(yù)或制訂相關(guān)的作業(yè)規(guī)程。

3.2.8 軌跡防護(hù)

除了上述路權(quán)管理在規(guī)劃層面避免各車輛對(duì)共享資源的占用發(fā)生沖突之外，還需對(duì)礦卡的運(yùn)行軌跡進(jìn)行安全防護(hù)，以避免追尾或側(cè)面相撞。為此，首先定義車輛安全寬度。車輛安全寬度是指在車輛實(shí)際寬度的基礎(chǔ)上，加上車輛定位偏差、車輛橫向控制誤差、橫向安全裕量后得出的寬度。在此基礎(chǔ)上定義軌跡防護(hù)區(qū)。軌跡防護(hù)區(qū)是車輛從軌跡起點(diǎn)沿著當(dāng)前軌跡運(yùn)行至軌跡終點(diǎn)，車輛安全寬度掃過(guò)的范圍，其示意圖如圖4所示。

圖4 軌跡防護(hù)區(qū)示意Fig. 4 Schematic diagram of trajectory protection zone

為保證自動(dòng)駕駛礦卡的運(yùn)行安全，在確定其軌跡時(shí)，應(yīng)確保礦卡的軌跡防護(hù)區(qū)不越過(guò)地圖邊界，不與不可通行區(qū)域、障礙物安全包絡(luò)線及其他車輛安全包絡(luò)線發(fā)生重疊；任何兩輛礦卡的軌跡防護(hù)區(qū)不發(fā)生重疊（當(dāng)某礦卡的安全制動(dòng)距離大于軌跡防護(hù)區(qū)的長(zhǎng)度時(shí)，如移動(dòng)授權(quán)回撤情形，應(yīng)采用該礦卡的安全制動(dòng)距離作為判斷是否重疊的依據(jù)）。

3.2.9 運(yùn)輸生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控

運(yùn)輸生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控主要是指OCC工作人員對(duì)車隊(duì)、單個(gè)車輛和路側(cè)環(huán)境的監(jiān)控。

（1）對(duì)車隊(duì)的監(jiān)控。對(duì)車隊(duì)的監(jiān)控包括對(duì)車隊(duì)執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃過(guò)程和狀態(tài)的監(jiān)控，如通過(guò)顯示界面顯示出運(yùn)輸作業(yè)實(shí)際執(zhí)行情況和計(jì)劃情況的對(duì)比、完成度和運(yùn)輸量等關(guān)鍵指標(biāo)。

（2）對(duì)車輛的監(jiān)控。本功能模塊提供車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，在地圖畫(huà)面上顯示車輛類型、識(shí)別號(hào)、車輛位置、姿態(tài)、軌跡、目的地及車輛整體狀態(tài)等信息；在車輛狀態(tài)監(jiān)視界面，顯示每一輛車的詳細(xì)信息、報(bào)警和視頻信息等。必要時(shí)，OCC工作人員可對(duì)礦卡（GOA3及以上等級(jí)）進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

（3）對(duì)路側(cè)環(huán)境的監(jiān)控。通過(guò)在路口、彎道、困難區(qū)段、協(xié)同作業(yè)區(qū)段配置路側(cè)感知單元，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交叉路口的行人、車輛等物體，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括行人、車輛、路面物體、路面濕滑狀態(tài)以及異常情況。路側(cè)感知單元采用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及攝像頭等多種雷達(dá)融合感知技術(shù)，當(dāng)識(shí)別到異常情況時(shí)，將向OCC報(bào)警；OCC可根據(jù)異常事件的嚴(yán)重程度自動(dòng)設(shè)置防護(hù)區(qū)。OCC工作人員可調(diào)閱攝像頭進(jìn)行觀察，并進(jìn)行人工干預(yù)。

3.2.10 人機(jī)交互接口管理

人機(jī)交互（human-machine interface, HMI）接口主要包括OCC中央大屏、OCC系統(tǒng)管理終端人機(jī)交互界面、OCC地圖管理終端人機(jī)交互界面、OCC調(diào)度長(zhǎng)終端人機(jī)交互界面、OCC調(diào)度員終端人機(jī)交互界面、OCC遠(yuǎn)程接管操縱臺(tái)、電鏟協(xié)同終端人機(jī)交互界面、推土機(jī)協(xié)同終端人機(jī)交互界面、加油車協(xié)同終端人機(jī)交互界面和其他自營(yíng)車協(xié)同終端人機(jī)交互界面。

3.2.11 維修支持

本功能模塊向維護(hù)系統(tǒng)提供設(shè)施/設(shè)備的狀態(tài)、故障或功能失效信息，以支持維修；并從維修系統(tǒng)獲取維修反饋信息，以支持設(shè)備的健康管理、OCC的調(diào)度決策。

3.2.12 車輛、設(shè)備和工作人員管理

管理員通過(guò)本模塊可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）車輛管理，即對(duì)車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；（2）車隊(duì)管理，即對(duì)車隊(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改和刪除操作；（3）人員管理，即對(duì)地面系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，既可對(duì)在線用戶進(jìn)行統(tǒng)一的登錄狀態(tài)監(jiān)控，還可以對(duì)駕駛員（如有）和其他工作人員數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；（4）路側(cè)感知管理，即對(duì)路側(cè)感知設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行添加和修改和刪除操作。

3.3 車輛作業(yè)層

3.3.1 自主定位

車輛自主定位是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)。本模塊的主要功能是測(cè)量車體固定點(diǎn)的經(jīng)緯度、高度和高斯克呂格大地投影坐標(biāo)等位置參數(shù)，以及車體的橫擺角和航向角等姿態(tài)參數(shù)，從而確定車輛在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的位姿以及相對(duì)于擬循跡行駛軌跡的位姿。各車輛將把自身位姿數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到上一層（即作業(yè)管理與監(jiān)控層）。

3.3.2 循跡行駛

本模塊的功能是控制礦卡，使其從當(dāng)前位置沿軌跡移動(dòng)到終點(diǎn)。循跡行駛控制包括橫向控制和縱向控制。

橫向控制主要通過(guò)控制方向盤(pán)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)，根據(jù)軌跡的要求和自車位姿、速度等信息計(jì)算礦卡期望的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，并將控制指令發(fā)送至轉(zhuǎn)向控制器執(zhí)行。由于方向盤(pán)轉(zhuǎn)角一般與前輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)，因此，橫向控制應(yīng)考慮前進(jìn)與倒車的差別。

縱向控制的核心是速度跟蹤控制。速度跟蹤控制以上一層（即作業(yè)管理與監(jiān)控層）的速度規(guī)劃模塊給出的速度或運(yùn)行等級(jí)或時(shí)間約束（最終體現(xiàn)為ATO模式曲線）為目標(biāo)，根據(jù)礦卡實(shí)際速度、質(zhì)量、動(dòng)力性能、位置、道路及運(yùn)動(dòng)性能等參數(shù)計(jì)算期望牽引力和制動(dòng)力，并將控制指令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)礦卡的實(shí)際速度與ATO模式曲線相一致。速度跟蹤控制應(yīng)充分利用道路坡道的信息并引入前饋控制環(huán)節(jié)。

3.3.3 主動(dòng)防撞

主動(dòng)防撞功能模塊用于探測(cè)軌跡內(nèi)是否存在障礙物并對(duì)所探測(cè)到的障礙物進(jìn)行處置。

障礙物探測(cè)一般采用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視頻設(shè)備及其融合等手段，以獲取障礙物的大小、位置、方向角和速度等信息。

本功能模塊根據(jù)礦卡自身的質(zhì)量、速度、位置、軌跡（包含道路坡道數(shù)據(jù)）、車輛動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)時(shí)計(jì)算礦卡安全制動(dòng)距離和安全防護(hù)模式曲線。安全制動(dòng)距離是指本模塊發(fā)出安全制動(dòng)命令后，礦卡在當(dāng)前最不利條件下繼續(xù)移動(dòng)直到停穩(wěn)所走行的距離。安全制動(dòng)距離應(yīng)被報(bào)告給上一層的軌跡防護(hù)模塊。礦卡安全防護(hù)(automatic truck protection，ATP)模式曲線，是指為確保礦卡能夠在安全停車點(diǎn)（一般為移動(dòng)授權(quán)限制點(diǎn)）停車，在當(dāng)前道路和車輛條件下，采取安全制動(dòng)而反推計(jì)算出來(lái)的速度（減速）曲線。在任何情況下，礦卡速度一旦觸及ATP模式曲線，將引發(fā)安全制動(dòng)，直至礦卡停車。為此，需引入安全制動(dòng)模型，如圖5所示[12]。

圖5 礦卡安全制動(dòng)模型示例Fig. 5 An example of truck safe braking module

ATO模式曲線應(yīng)在ATP模式曲線的防護(hù)之下。

障礙物分為2類：一類是指自動(dòng)駕駛系統(tǒng)之外的物體和人員，如路面的落石、超標(biāo)的凹坑、違規(guī)人員或違規(guī)車輛等，對(duì)于這類障礙物的防撞，通過(guò)上述障礙探測(cè)設(shè)備來(lái)探測(cè)和防護(hù)；另一類是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)之內(nèi)的車輛（包括自動(dòng)駕駛礦卡和人工駕駛車輛），這些車輛均有準(zhǔn)確的定位，并實(shí)時(shí)報(bào)告自身的位置，因此礦卡與這些車輛之間的安全間隔（即防撞）主要由上一層（即作業(yè)管理與監(jiān)控層）的軌跡防護(hù)功能模塊來(lái)保證。此外，通過(guò)障礙探測(cè)設(shè)備來(lái)探測(cè)和防護(hù)的措施也適用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)之內(nèi)的車輛。

3.3.4 聯(lián)合裝載

聯(lián)合裝載是指礦卡與電鏟配合應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)礦物或者渣土的裝載。目前電鏟普遍采用人工駕駛模式。本功能模塊通過(guò)與電鏟的報(bào)文通信，實(shí)現(xiàn)候車、裝載準(zhǔn)備、裝載確認(rèn)、裝載執(zhí)行、裝載結(jié)束各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合裝載，要求電鏟上具備協(xié)同操作人機(jī)界面（圖6），并具有定位和無(wú)線通信功能。

圖6 電鏟人機(jī)界面示例Fig. 6 An example of human machine interface of excavator

聯(lián)合裝載一般采用“車尋鏟”的方式，礦卡采用倒車行駛方式靠近電鏟。

3.3.5 聯(lián)合卸載

本功能模塊負(fù)責(zé)礦卡與卸載區(qū)域內(nèi)其他車輛（如推土機(jī)，目前一般為有人駕駛）或破碎站設(shè)備等的協(xié)同作業(yè)以完成進(jìn)車、卸載及出車任務(wù)。聯(lián)合卸載包括固定位置卸礦、排土場(chǎng)排土及覆蓋式排土等場(chǎng)景。聯(lián)合卸載功能模塊的原理與聯(lián)合裝載的相似。

在聯(lián)合卸載時(shí)，礦卡應(yīng)以倒車行駛方式靠近卸載點(diǎn)，并具有從礦卡尾端探測(cè)擋墻和懸崖的能力。

3.3.6 自動(dòng)泊車

本功能模塊根據(jù)車次號(hào)的要求，或者根據(jù)收到的OCC收車指令，控制礦卡循跡行駛至停車點(diǎn)，并按照要求的位姿駛?cè)胫付ǖ牟窜囄弧?/p>

3.3.7 休眠/喚醒

（1）休眠。停在泊車位的礦卡，若后續(xù)沒(méi)有其他作業(yè)計(jì)劃，應(yīng)在泊車位休眠。礦卡休眠可采取3種方式，即通過(guò)OCC自動(dòng)發(fā)出的命令遠(yuǎn)程休眠（OCC需判斷該礦卡是否具備休眠條件）、通過(guò)OCC人工發(fā)出的命令遠(yuǎn)程休眠和本地人工按壓休眠按鈕使礦卡休眠。

在接到休眠命令后，本功能模塊判斷（也可借助其他功能模塊或設(shè)備）車載設(shè)備是否具備安全斷電條件，按照次序（如強(qiáng)電、弱電的次序）依次將車載設(shè)備斷電（除喚醒礦卡所需的裝置外）。GOA4 的礦卡應(yīng)具有自動(dòng)休眠的功能，并能在休眠過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)車載蓄電池電壓。礦卡休眠后仍然維持與OCC之間的部分通信。

（2）喚醒。礦卡由上一層（即作業(yè)管理與監(jiān)控層）的生產(chǎn)調(diào)度管理模塊根據(jù)車輛號(hào)或根據(jù)OCC發(fā)出的命令自動(dòng)遠(yuǎn)程喚醒，也可由人工通過(guò)人機(jī)界面本地喚醒或上電。GOA4等級(jí)的礦卡應(yīng)具有自動(dòng)喚醒的功能。本功能模塊（也可借助其他功能模塊或設(shè)備）按順序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的上電、自檢、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，其中動(dòng)態(tài)測(cè)試可根據(jù)實(shí)際情況酌情進(jìn)行。礦卡喚醒成功/失敗結(jié)果將上報(bào)給OCC。

3.3.8 異常情況的檢查與處置

異常情況是指因系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障或因外部突發(fā)事件而引起的作業(yè)偏離計(jì)劃或產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)的非正常場(chǎng)景。本功能模塊的設(shè)計(jì)需要詳盡而系統(tǒng)的場(chǎng)景描述文件作為依據(jù)（場(chǎng)景描述文件又以安全隱患分析、安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施文件為重要輸入），模塊的功能包括礦卡喚醒后發(fā)車前的檢查和運(yùn)行過(guò)程中的檢查、故障診斷以及異常情況的檢查、保護(hù)與處置。發(fā)車前的檢查分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，包括自動(dòng)駕駛系統(tǒng)自身，如傳感器、處理器、執(zhí)行器、通信系統(tǒng)等的自檢；也可進(jìn)一步通過(guò)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)礦卡的關(guān)鍵設(shè)備與功能進(jìn)行檢查，以防止礦卡“帶病”運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中的檢查包括對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)自身的故障診斷和外部事件的檢查，依照?qǐng)鼍懊枋鑫募?guī)定的預(yù)案進(jìn)行處置。根據(jù)異常情況的嚴(yán)重程度，模塊可采取多種方式以確保安全和盡量維持運(yùn)輸生產(chǎn)秩序，如：向OCC報(bào)警、降級(jí)運(yùn)行、采取故障導(dǎo)向安全措施、請(qǐng)求遠(yuǎn)程接管等措施。系統(tǒng)可通過(guò)場(chǎng)景描述文件對(duì)因系統(tǒng)內(nèi)部故障和因外部事件導(dǎo)致的異常場(chǎng)景的處置預(yù)案進(jìn)行詳細(xì)的描述。異常情況的檢查與處置是GOA4系統(tǒng)必備的功能。GOA4還應(yīng)具有系統(tǒng)健康管理、維修支持的相應(yīng)功能（與上一層的運(yùn)輸生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、維修支持模塊駁接）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理模型，其采用層次化理念，每一層次中各個(gè)模塊的功能需求的實(shí)現(xiàn)可以采用不同的技術(shù)路線以及不同的系統(tǒng)架構(gòu)。例如，可以采用偏重于“網(wǎng)聯(lián)化”、符合“云-管-端”技術(shù)特征、以地為中心的系統(tǒng)架構(gòu)，即主要的功能模塊被分配到地面執(zhí)行；也可以采用偏重于智能化、符合車輛自主運(yùn)行（以車為中心）的系統(tǒng)架構(gòu)，即主要的功能模塊被分配到車載端執(zhí)行。

本文根據(jù)礦山運(yùn)輸生產(chǎn)自動(dòng)化的特點(diǎn)提出了礦卡自動(dòng)化等級(jí)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)礦山企業(yè)實(shí)際的需求來(lái)選擇何種自動(dòng)化等級(jí)。顯然，從本文所描述的原理模型可以看出，自動(dòng)化等級(jí)越高，系統(tǒng)就更加龐大，取得的效果也更好。例如，若實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛，將最大限度地消除人工操作的不確定性和隨意性，有利于通過(guò)整個(gè)礦區(qū)車隊(duì)層面的作業(yè)計(jì)劃的尋優(yōu)、調(diào)度策略的尋優(yōu)以及單車層面車輛作業(yè)動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)尋優(yōu)，達(dá)到增效、節(jié)能和降本最佳的目標(biāo)。

依照本模型設(shè)計(jì)的符合“以地為中心”特征、自動(dòng)化等級(jí)達(dá)到GOA3（部分功能達(dá)到GOA4)的礦卡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已在礦山現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了約1年的單車試驗(yàn)和約5個(gè)月的編隊(duì)作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)的重點(diǎn)是車輛作業(yè)層的功能和作業(yè)管理與監(jiān)控層的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該原理模型與系統(tǒng)架構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)礦卡的自動(dòng)駕駛是可行的，可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

當(dāng)前的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證還主要聚焦于基本原理的可行性驗(yàn)證和基本功能的實(shí)現(xiàn)。受制于測(cè)試車隊(duì)規(guī)模，對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)增效、節(jié)能和降本方面性能指標(biāo)的驗(yàn)證還無(wú)法獲得全面且可靠的數(shù)據(jù)；但本自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理模型的全面推廣應(yīng)用，將有助于礦山運(yùn)輸生產(chǎn)與管理模式的變革，助力礦山運(yùn)輸生產(chǎn)方式進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。