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端对端平行无人矿山系统及其关键技术

已有 1361 次阅读 2019-12-26 10:54 |个人分类:智能科学与技术学报|系统分类:论文交流

 端对端行无矿山系及其键技术

 

杨超,高 云峰 陈龙 飞跃

 

【摘 】针对矿山无人化的切需求与研究现状,提出了基于 ACP 方法的端对端平行无人矿山系统解决方案。 首先分析了无人矿山运输系统的研究现状设计了平行无人矿山的基本框架提出了平行无人矿山运输系统的主 要模块包括无人矿山管控中心无人矿卡运输平台半自主挖掘/铲运平台和远程接管平台 4 部分并探讨了实现平行无人矿山系统的 7 关键技术即虚拟端平行矿山构建矿山环境感知与定位矿山设备的单机无人控 多设备之间的协同作业平行矿山管控平行接管决策以及矿山网络通信平行无人矿山系统的实施与部署将有效提高矿山企业运作效率及安全生产水平,推进绿色矿山建设,对实现可持续发展具有重要意义。

 

【关键】平行无人矿山;管控中心;接管决策;协同作业;无人矿卡;半自主挖/铲运

 

引用格式 杨超, 高玉, 艾云峰, 田滨,陈龙, 王健, 王飞跃. 端对端平行无人矿山系统及其关键技术. 智能科学与技术学报[J], 2019, 1(3): 228-240

 

End-to-end parallel autonomous mining systems and key technologies

 

 

YANG Chao, GAO Yu, AI Yunfeng, TIAN Bin, CHEN Long, WANG Jian, WANG Fei-Yue

   

Abstract In view of the current research situation and the urgent demand for unmanned mines, the end-to-end parallel autonomous mining solution was proposed based on the ACP method in this paper. The research status of unmanned mining transportation system was analyzed. The basic framework of parallel autonomous mining was designed. The par- allel autonomous mining are mainly composed of four parts: the management and control center for autonomous mining, the autonomous transportation platform of truck, the autonomous mining/shovel platform and the remote take-over plat- form. The 7 key technologies for realizing parallel autonomous mining system were discussed, namely, the virtual paral- lel mine construction, environment perception and localization, unmanned control for single equipment, collaborative work between multi-equipment, management and control for all the equipment, decision for parallel taking over, and mine network communication. The implementation and deployment of parallel autonomous mining systems will effec- tively improve the operational efficiency and the level of safe production of mining enterprises, and will promote the construction of green mines, which is of great significance for achieving sustainable development.

 

Key words parallel autonomous mining, management and control center, take-over decision, collaborative work, au- tonomous truck, autonomous mining/shovel

 

Citation YANG Chao. End-to-end parallel autonomous mining systems and key technologies. Chinese Journal of Intelligent Science and Technology[J], 2019, 1(3): 228-240 
   

1    引言

 

作为术不 仅是转战大互联网共道路开临诸交通 标志知的稳定 的硬设备人车走向市道 。因中低车将 是无并商 山系驾驶 相关之一。


矿山系统是一个典型的复杂系统,它包括生产(开采)子系统、调度子系统、供水供电子系统、 运输子系统、设备及人员管理子系统、安全子系统 等各个方面。要实现矿山系统的无人化,生产、运 输、调度、安全等子系统是关键[1]


然而受矿山地理位置偏僻、生活环境较为 影响步及 人们天矿日益 凸显招聘 难度煤矿上的 其他方面带来 的安质上安全 风险矿区高, 对矿商开 发和矿山美国 卡特公司实现 了无自动俄罗 斯的维克出了无人使自动占比例还程机公司 合作方案的是卡特彼勒公公司


在矿卡需求方面,目前全球矿卡每年销售总量(不包括管理系统)在 1 000 台左右,总采购成本大约为 20 亿美元。预计到 2020 年,澳洲、欧洲和美洲的主要矿业公司中 50%将使用无人化产品,部分 矿山已经决定全部采用无人矿卡。但目前无人矿卡 的占比仅不到 5%,主要由卡特彼勒公司和小松公司两家矿卡生产商集中供应。


对于矿山企业,实现矿山无人化具备以下优势:增减少降低劳动安全外; 降低受极少; 便于


具备 给用带来成本 、环相应地,辆及的盈利,无人;在常规无人矿卡整套方案监控与调 系统。除上,无人矿促进修等后市 收入的进一步提高。


2    无人矿山研究现状

 

早在 20 90 数字就已经出采矿式上不断这种矿山作业境安基础上实矿山持续性安全远距 离测仿等技地质 勘测和矿以及相关据的 记录实现 科学可靠[2]


为实小松自动 系统(AHS)用于矿山队的运营和管理[3] 此系都配高精 度定系统线 车队定运根据 接收的自 动运人卡人员和车2018 10 公司 宣布 AHS (包人卡 车)已实 20 亿矿石运输[4]


工程机械巨头卡特彼勒公司亦是矿卡自动化领域,它 2004 展出了矿MineGEM[5]使操作人员危险之外或者程控采矿设性的管理 系统彼勒公山之星(Cat MineStar), Fleet、地形(Terrain、检测(Detect)与指令Command)套件。性能套件为全集成,所有信 息可于优安全 提升机器的利用率及工作时间卡特彼勒公司 称其综合性采矿作备管理系统已实 10 亿 矿石输。


山特维克也是世界上较早开发自动化采矿技术的运机下矿山应 20 年零。为证明地上巷道中对进行


2016  年秋天,沃尔沃的无人驾驶卡车在瑞 北部矿区 Boliden 地下 1 320 m 进行测试, 并真使自动环境 中的输环


我国 20 已经取得存在体现在 5 息化繁多的系交叉一个能搭开放件投入及统之融合分析无法顺利开展,产生大量信息孤岛;管理系统护成[6]


综上所述,国外企业像卡特彼勒公司、小松公司、日立、沃尔沃等均已实现了不同程度的矿山无人化运作,我国在无人矿山的进程方面也在不断加快步伐,整体上已经具备在单台矿用卡车上做无人驾驶的能力,但在设备间的协同作业以及集群化运营方面,还需要更多的研究,以实现对无人矿山 安全和效率的提升。更重要的是,我国无人化矿山技术缺乏足够的理论支撑,在知识产权等方面 受限于国外。


为此实矿应的 动态人工系统(即平行矿山系统,利用这个人工系统实时线模拟 计算演化有助于实精准工生、人社会以及计算实等研 奠定础。本文利 用现网技术、云术、 线通信技术等,采集矿山的各个关键系统的实 数据中心以上 数据相对并通过对工系实现对现系统 估、山的理。


3    平行无人矿山整体框架

3.1   ACP 简介

2004 统的思想真实 系统统,理、优化和 引导[7]统的方法 ACP 方法其中 A 人工社会机理 一致C 是计人工 系统效、稳健的学习等方来对同复杂问进行 分析P 用人实系 统,升人系统[8-9]


    1.png


平行系统 ACP 的基本框架如 1 在人真实 系统够准获得 虚拟制和能对真实系统 方式 来描在平 行执升的[10]


计算实验是在虚拟系统和真实系统两个维度中同来越体来说实验前的数据能够行的知识计算为通过预学习习来获取来的 过的使系统[11-12]


平行平行包括虚间的模型流流向通过大学习识,用以是真系统的描能够整个系统对虚行引导和修改[13-15]


3.2    化运分析

ACP 方法的平行无人矿山框架如 2 它是平行系统在矿山领域的一个切实应用平行无人 矿山中主要包 6 个重要的部件(地,分别是采 矿点A、卸矿点(B、传输带卸矿点C、货 火车站D、管控中心(E)以及虚拟平行矿山系F。其 ABC D 可以看作真实系统的组成 部分, E F 以看作虚拟系的组成部分。


在平研究和解 4 方面 的问是在 A 主挖 掘作作业第二个是 A 点到 B 卡运矿卡中加实现 无人第三个是 C D 重型卡相车的 运行的,可自动输、自动卸载(径的划、 避障平行所有 设备控中与调 ,同通信制。 四大够实的无 人化的安率。


3.3    优势

我国在矿山智能化和无人化的建设方面仍然存在巨大的系行理 ACP 将为矿山良好方案[16]利用平行论和 ACP 法建山系统是个高智能化系,其包括备的人力成本本、设路面矿山系统操作管控能力群管协同效率减少损坏导致

 

3.png

 

平行子系一个 与之将现统映入虚,通网、 调度解决 各子调度


将平山系为驱动互动组织 及机山系验对 各类度、协理、制、等问题标是下矿山系矿山水平 与智度。


利用 ACP 行矿基本 思想系统如平行矿卡、平机、平行管理、平信等子系身局统优 化相行子系统优的统。


平行测难 的矿复杂功能为单拆分 子系山系分;同时验和将在 虚拟界中的预测与理策 实矿使系统工作场景

 

4   平行无人矿山系统及功能设计

 

平行山管 控中运输/平台 以及无人责对 无人控与所建立的的实化, 保障安全运输平台挖掘/平台设备 实现装载卸载 一体台负的生 产运台或挖掘/平台主或在由平无人中心的综决策令,远程实现对多设备 管。 3


2.png


4.1   

平行无人矿山管控中心是矿山体系的神经中枢, ACP 契合与控制中管理,实现调度与维护全生产、营。


平行矿山管控中心包括虚拟矿山系统与矿 计算系统 进行三维仿立虚拟矿统,与虚实化、平行执的预优化 无人控中 心平仿备、工控机监控 台、图器、备等。 项设相对发生 危险系统其他 系统员安中心 将做的大监测 矿山与控

 

4.2    

无人括短(无人宽自卸长途运输辆(。所搭载的主要传感器包括激光雷达、毫米 雷达系统相机V2X(车 网)设备、工机、无线网试仪、车远程监控等无人矿卡由控制中心管理控制 为每辆车指定运输路线车辆通过接收无线指令 以合适的速度按照目标路线运根据行驶路线 自身息自载、 运输环。


无人动驾换、 状态理与等模 块。人矿台的感知系统 、毫达、工机感息, 同惯位信的决策规统提信子 系统通与管控心、程接管台的无线通信 实现管控中心的远程监控,以及与运输平台和挖掘/ 铲运据管矿卡 的运便数人机界面过车呈现无人卡的 车辆口,全。考虑到 矿山台还 包括式切检测 子系康状系统 综合控中台的 数据在人式间选择换。


4.3   挖掘/平台

半自/挖掘机等 通过压力达、惯性毫米可实现在与铲运输 平台业。


在挖掘机所在置实区域内矿行驶 规划行驶行装 各类对目 标矿动卸过程 机手可根 360 景影 姿化辅掘过 程进要时既保 证了进行了驾 驶员


而在业中机移 动更便控中目标位置责矿按照 规划至矿后向矿卡物。


4.4    

全性人工可实现对人矿卡运输平台和半自主挖 /铲运平台在特的远其他紧急无人平台发送 工接管请求,切换到人工模[17],远程控制无 矿卡运输平台和半自主挖/铲运平台远程接 障等处理方式 换与策略。一 台可卡或者挖 /装载机的接管操控并且可以通过平行无人的监远程接管协同全与作业同时远程接管也保障了驾驶员的人身安 并提高了工作效率。


5    平行无人矿山的关键技术

 

技术建、、矿山设控制作业、平平行络通信,体说明如下。


5.1    构建

构建平行矿山系统的关键是利用信息技术 各个性进行数现代个采集点 数字视化技术 现实将各采集 导入使统成为与 应的统中利用 、优作业进行 并将,从而实 的优矿山系统 构如 4 所示。


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在图 4 过程据被 传输信息据融合手段山运行系预测矿 3 件定统, 可以矿山[18]。这样, 一方虚拟山生产作行、在线、实仿方面 通过与真互, 完成评估


实际杂多其建 立可矿山确控 实现的多的动景和实体域均的应用成前已虚拟安全统、车辆 统、三维地震视化分析系机远用系统[19]随着断进将在矿井风险评价安全 数据可化直观现以各类综应用分等方 提供更完善的决方。矿山字信息平行 统的建,可将杂的际采矿统转变与多平行子统相结的智系统,实际状进行踪和测,通过算实和优化为具体案的定提供靠的科依据平行系的建立以有 预估生过程的展方,并为同情况供优 解决方,大大减少事发生的能性,矿山 全作业具有重要的具有广阔的用前景。

 

5.2   定位

5.2.1  感知

环境(激米波 相机传感 主要及可动静 态障标识态监测等下,路况更杂,障种类 多,可括:空旷区域,路起伏、 簸,现较块、树木等,路面为陡峭的坡路等。矿山机械在进 作业合技进行 检测并在域内对障物进跟踪标进碰撞 预警


检测可行碍物等信导航对于路面可采传感器提保证机械 GPS 位失的情沿着可行区域目标点,通达、相机等传感测出对动 态障知信块, 从而避障能。


统的、行挡墙等。 包括深度学习其中有支持向量机SVMBoosting最近邻分类器等基于度学习的方法有神经网络卷积神经网CNN)、 全卷积神经网络FCNR-CNNFast R-CNN RPN 等。通过大量的样本特征对网络进行训练 得到网络参数。


5.2.2   定位

矿用设备的定位技术有航迹推算定位技术 线技术、视觉定推算确定一初备的传感器推体位线技术是指线的直线过测量固体的。无线电无线线系统和全 。地预先获得 图信过程中, 载的取设备周 信息地图信息 获取。视觉定 术是指过电耦合器件(CCD或其他视 周围对环境中设定 识别和 定标进而得到备的纵向位置信息。

 

矿山外环境缺和参线定; 路面路面够,无法使用光辆起比较 大等更高定位方式定位。


•    于矿山应点, 可采用基差分定性导航系RTK-INS 和激LIDAR-SLAM 部分RTK-INS 能够完级别 的定体和卫星 系统GNSS时动态real-time kinematic RTK,需 LIDAR-SLAM 进行辅 助定


对于地下定位,可采用激光站定位超宽UWB的定位方本可 10 cm 以内 [20]可以步定 建图SLAM方法行定位激光定统利激光器与目标间的 服控机构所转角度计算 的坐标,实现对地下采矿设的定位。采用 UWB 定位术研采矿设备确定两部分在巷节点,这类节点在定位系统中会预先设置好绝 坐标行定部分是系装在通过 无线定动过锚 节点动节信息交互出地备的精


5.3    控制

矿山设备(卸车车、 掘机等)不常规辆,它们本身的采用也存 在一山移大、 系统大、载等众点。此矿山 工地面条在大 量连面不无论 是整辆更 加复使制难制算 法具稳健性。


通过态检息, 单机望轨速度

的控和卸其子 系统系如 5 示。


    5.png

 
   

各部以下面。

•    横向 度组的设定的 理想驶轨跟踪控制法对 行控为全式差 速转一定此外, 矿山备定 算法跟踪 控制度。

基于控制[21]和基 地形场的转向[22-23]具有克服上述缺的先 优势可以的驾 驶经对支系统 的传转向 控制法在控制中具较好性和稳性。


矿山设备行走中的纵向控制相比常规乘 车辆动矿制动 踏板者在替发 挥作,因控制过程需要 进设由于/制动 力不,在下坡前必将速 ,否控,险。由于加 速和障碍须保 持足,才外,还有况的题。


挖掘和铲装过程主要是以规划、定位、 知子统的为基础,过数 法对行计 算和压缸相应 的执掘机通过 与运主装


卸载控制需结合车辆定位和环境感知子 过控路, 实现准确对货 箱内 尚未待或快卸 载剩回位 控制载时


5.4   

在实现矿物从地面到 输设备的转移过 掘机进行密切确迅以挖掘机作业装载区域 入场驶路径需不断进行规划。


装载同作如图 6 所示的路径规划、场、车、 载、程说


   6.png

 

首先处的卡装 载时 L,之后过对的感 知情何特车起 始点 S标点 IO 为装和离 ISLO 的坐息, 结合感知载区域矿划。


为保效进要挖掘机需要以及管控进行在入场之待, I 点入场 S L 点停车等装运 L 点后成挖掘机将铲斗矿卡续装卡对自身况进结果通知动作的位置。中,传感器实检测货箱内矿物的装载状态通过快速三维重建 箱内导挖掘机矿物装载。完成矿物装载后, L 点开始离场,定道线要管控中控制 ISSLLO 3 条线路上至少各有一辆时各交互以防止发生碰撞。


5.5   

平行矿山的管控中心主要体现为 2 E 构建的虚 拟矿F 模拟导和 提升如图 7 心主要实三大一是矿卡挖掘调度障监权限 的远


7.png

 

在矿度过中心操作主要挖掘机与辆矿合作权多台与运输模员的就能实运输


整个系统的故障监测过程主要包括挖掘机故障管和卡的异常况报操作车的急停操作监管便操作来保稳定。


在远程遥控监管过程中有经验的驾驶员可以 出远程操控的请求通过中心处理器的识别和下发到特定的需要被控的车辆中从而利驾驶模拟器对远程车辆进行操控这样做的目主要是在车辆异常的情况下通过人的操作来证车辆的安全性从而提升整个智能矿山系统稳健性。


5.6    

远程接管平台用于在故障或者紧急情况下 无人统将 会涉驾驶 员也程接的设 备数监管保证设备监管成人员、成接管原则 说明下。


型进行决 设备个人备, 但只


个人设备 数量少。


当出现需要接管的设备过多而无法全部 管时管的车,

以保


•    度的接管余。


平行策流程如 8 示, 具体下。


 8.png

 

否发否出现控制偏过大的急情来判断否需要管;需要远程接管姿偏差信号故障车速 加速度参数计设备接管需指数;过比所有需接管车的需指数大,确定个设的接管先等级在所监控车的接管求及管等级定后,可对要被接控制的辆进接管对于最接管等的车pi =1直接 监控画和控制切换接管员行接管制; 此时还其他车同时求接管则首先要判 是否还有其他接管车辆的被接管等 pi 值小于或等于接管员总数 m,则将其监控画面和控 权分配其中的个接员控制否则,明没 剩余的员进行管,时必须接管等低的辆进行制动/停车控制,确保车辆安全。当有接管完成车接管而闲后即可对人员不而无 接管的车辆继续进,直到完成所有接


5.7    通信

矿山广计和选择信设方式,保信息全性靠性。遮挡、空气含水率、起的信线质量造成于传 Wi-Fi在网时, 用户UDP分组能达到数无线Mesh)网 随着加,分、时加,另外并需敛, 进而使的概加。


平行矿山的网络通信分为设备与中心之间的远程端管 9 所示协同Wi-Fi Mesh 通信侧、以实 到车(V2V信。客端(CPE通信设备 安装 4G 实现到服V2Server信。


Wi-Fi 链路中的策略:通过部署多通信系统、 链路预算冗余、加大频带和带宽的预算余量等,增强通信系统的可靠性,提高系统的抗干扰能力。结合各种通信协议的特点,根据实际场景和应用情况的不同,选取合适的网络传输协议。


异常处理机制:在网络通信中不可避免地会 存在通信异常情况,如用户数据报协议(SUDP)发生分组丢失、车辆与控制中心的通信断开等。设计完善的异常处理机制,可以有效降低网络异常造成的各种影响[24]。异常处理方式有:将分组丢失情况告知管理员,并记录事件和日志;在通信断开时,及时向控制中心告警以通知管理员,或直接停车以确保安全。


 9.png


 

6    结束语

 

在无外先制造商已山无虽然在无取得但与国外仍存待解决人化够的 理论方面此, 本文 ACP 了端山系统的基优势 进行无人详细论矿山 7 各个关键了说建设提供


在智化的实现使用误操作以动成增强车与能源率; 独创能随机等部件行,延寿,减降低保养的集幅提高矿率。

 

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