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礦業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，但面臨安全隱患大、勞動(dòng)力短缺、管理難度高等行業(yè)困境。無(wú)人化運(yùn)輸能夠有效解決上述行業(yè)問(wèn)題，是推動(dòng)礦產(chǎn)開(kāi)采方式變革的重要抓手，也是國(guó)內(nèi)外礦山企業(yè)重點(diǎn)布局的技術(shù)高地。近年來(lái)，無(wú)人駕駛技術(shù)雖已在國(guó)內(nèi)外礦山得到初步應(yīng)用，但在礦區(qū)復(fù)雜場(chǎng)景下仍面臨安全員下車(chē)難和運(yùn)輸效率低的問(wèn)題，其關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是如何提升內(nèi)外部復(fù)合擾動(dòng)下自動(dòng)駕駛系統(tǒng)感知、規(guī)劃和交管的可靠性。
圍繞上述技術(shù)挑戰(zhàn)，由上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院王亞飛副教授領(lǐng)銜的交大多學(xué)科技術(shù)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深入礦山一線，聯(lián)合水泥礦山行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)海螺集團(tuán)，攻克了惡劣環(huán)境下可靠感知、車(chē)鏟協(xié)作高精度規(guī)控、混編運(yùn)輸安全高效等技術(shù)難題，研發(fā)出一整套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的礦車(chē)無(wú)人駕駛軟硬件系統(tǒng)，并在露天水泥礦山行業(yè)首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)安全員常態(tài)化運(yùn)營(yíng)。
多尺度魯棒目標(biāo)檢測(cè)，攻克復(fù)雜惡劣場(chǎng)景下的環(huán)境感知難題
露天礦山場(chǎng)景復(fù)雜且環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)傳感器失效問(wèn)題。現(xiàn)有感知系統(tǒng)配置固定，失效后缺乏自維持能力，進(jìn)而造成運(yùn)輸中斷。同時(shí)，傳統(tǒng)感知算法較難處理?yè)P(yáng)塵或雨霧干擾，且較難同時(shí)完成小碎石和大礦車(chē)等全尺度障礙物可靠感知。
針對(duì)上述問(wèn)題，王亞飛團(tuán)隊(duì)面向異構(gòu)傳感器融合架構(gòu)，構(gòu)建了“自搜索-自識(shí)別-自標(biāo)定”的即插即用組網(wǎng)模型，該模型能夠在傳感器失效的條件下完成多傳感器動(dòng)態(tài)再組網(wǎng)，同時(shí)團(tuán)隊(duì)針對(duì)礦山典型揚(yáng)塵場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了變密度去噪算法，有效提升了感知系統(tǒng)的魯棒性。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)還以多尺度障礙物在礦山多場(chǎng)景下的目標(biāo)特征為對(duì)象，構(gòu)建了覆蓋全生產(chǎn)場(chǎng)景的目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)集，并針對(duì)揚(yáng)塵等惡劣場(chǎng)景進(jìn)行了數(shù)據(jù)增廣，研發(fā)了具備全尺度和多場(chǎng)景適應(yīng)性的輕量化目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)采用該技術(shù)建立了滿(mǎn)足復(fù)雜礦山場(chǎng)景應(yīng)用的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提升了礦山復(fù)雜場(chǎng)景目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的效率。提出的檢測(cè)算法可同時(shí)濾除動(dòng)態(tài)揚(yáng)塵干擾、識(shí)別石塊和百?lài)嵓?jí)礦卡等各類(lèi)目標(biāo)，識(shí)別障礙物尺寸覆蓋0.3m~11m，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜惡劣礦山場(chǎng)景下的多尺度目標(biāo)穩(wěn)定檢測(cè)與跟蹤。
高精度交互式路徑規(guī)劃，助推鏟裝作業(yè)效率最大化
礦山生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)景具有時(shí)空混合動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，一方面挖機(jī)鏟位頻繁變化，另一方面采掘區(qū)地形地貌緩慢動(dòng)態(tài)變化。傳統(tǒng)高精度地圖制作流程復(fù)雜、更新成本高，較難準(zhǔn)確描述礦山環(huán)境，導(dǎo)致礦車(chē)路徑難以規(guī)劃、安全性難以保障，無(wú)法滿(mǎn)足鏟裝協(xié)作生產(chǎn)對(duì)精度的要求。
針對(duì)這一行業(yè)共性難題，王亞飛團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種針對(duì)礦山混合動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的地圖實(shí)時(shí)更新方法，通過(guò)建立視覺(jué)、激光等多傳感器交互式信息采集處理機(jī)制和配準(zhǔn)策略，將礦山大地圖與單車(chē)小地圖進(jìn)行精準(zhǔn)融合拼接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山動(dòng)態(tài)采掘面的準(zhǔn)確表征。該技術(shù)有效替代了制作流程復(fù)雜、更新成本大的傳統(tǒng)高精度地圖，簡(jiǎn)化了對(duì)礦山動(dòng)態(tài)變化地形的場(chǎng)景重構(gòu)流程，增強(qiáng)了無(wú)人駕駛礦車(chē)裝載作業(yè)的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景適應(yīng)性，為鏟裝協(xié)同作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。
高效地鏟裝作業(yè)需要實(shí)現(xiàn)百?lài)嵓?jí)超大型礦車(chē)的精準(zhǔn)停位，面向這一需求，王亞飛團(tuán)隊(duì)提出了一種基于全局-局部耦合的泊車(chē)路徑規(guī)劃技術(shù)，通過(guò)建立挖機(jī)-礦車(chē)間交互式通信，提出了最優(yōu)裝載泊車(chē)位與挖機(jī)位姿的映射模型，設(shè)計(jì)了全局啟發(fā)式路徑搜索策略，有效解決了高動(dòng)態(tài)生產(chǎn)工況下所帶來(lái)的路徑規(guī)劃易失敗、泊車(chē)位置精度低的難題，確保了鏟裝作業(yè)效率。
多模態(tài)一體化云端調(diào)度，保障“人機(jī)混駕”作業(yè)安全
水泥生產(chǎn)需要配比不同碳酸鈣含量的礦石，而不同采礦點(diǎn)的礦石品位又存在差異，各環(huán)節(jié)生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致礦卡調(diào)度指令與實(shí)際生產(chǎn)需求難以及時(shí)匹配；此外，由于成本等各方面原因，有人駕駛礦車(chē)和其他輔助作業(yè)車(chē)輛難以一次性替代，需要與無(wú)人駕駛礦車(chē)同時(shí)運(yùn)輸作業(yè)，造成非信控道路上存在交通混流沖突風(fēng)險(xiǎn)。
面向高頻調(diào)度與人機(jī)混駕的需求，王亞飛團(tuán)隊(duì)聯(lián)合交大交通運(yùn)輸工程專(zhuān)業(yè)的陸林軍副教授和金建鋼教授團(tuán)隊(duì)，提出了基于干擾管理模型的多模態(tài)智能調(diào)度算法，該算法將規(guī)劃性調(diào)度與恢復(fù)性調(diào)度有機(jī)結(jié)合，解決了調(diào)度指令與實(shí)際需求在時(shí)空上存在滯后性的問(wèn)題。此外，構(gòu)建的基于車(chē)路云協(xié)同的沖突區(qū)域危險(xiǎn)評(píng)估模型，避免了大規(guī)模交通參與者混流沖突風(fēng)險(xiǎn)，保障了混合駕駛車(chē)隊(duì)的作業(yè)安全，將單車(chē)和礦卡車(chē)隊(duì)的交通通行效率分別提高了9.0%和9.8%。同時(shí)，研究成果也被推廣應(yīng)用于有人礦山的車(chē)隊(duì)管控，在多座露天礦山將單臺(tái)礦車(chē)時(shí)產(chǎn)量提高5%以上。
產(chǎn)學(xué)研深度融合，助力中國(guó)智慧化礦山建設(shè)
近三年來(lái)，王亞飛團(tuán)隊(duì)與安徽海螺集團(tuán)一直保持密切合作，成立了“上海交大-海螺集團(tuán)智能化裝備聯(lián)合研發(fā)中心”，集中力量在礦山一線聯(lián)合攻關(guān)。上海交大負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論、核心算法和關(guān)鍵模型的建立與優(yōu)化，海螺集團(tuán)負(fù)責(zé)工程化落地以及產(chǎn)品推廣應(yīng)用，真正做到深度合作，合作成果也得到了中央一套、中央二套和人民日?qǐng)?bào)等媒體的關(guān)注和報(bào)道。項(xiàng)目成果提供了全棧式露天礦山無(wú)人運(yùn)輸解決方案，已在海螺集團(tuán)下屬三座礦山、數(shù)十臺(tái)礦車(chē)落地應(yīng)用，近兩年創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益超10億元人民幣，為建設(shè)中國(guó)方案的智慧無(wú)人礦山奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
原文鏈接：上海交大王亞飛副教授團(tuán)隊(duì)：“露天礦山無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)”助力礦山無(wú)人駕駛的中國(guó)方案
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