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

 

　　采礦業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎(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 。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，而礦卡的自動駕駛應(yīng)用可以減少剝離、裝卸、運輸、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)。

 

　

 

　　隨著測試和試商用的逐漸展開，國內(nèi)智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛的應(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)促進自動駕駛應(yīng)用落地的特征。

 

　　礦區(qū)自動駕駛應(yīng)用目前主要存在三種商業(yè)模式：

 

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

 

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

 

　　③ 智慧礦區(qū)解決方案商面向采礦企業(yè)提供包自動駕駛應(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，用以改造或新購礦卡、建設(shè)礦區(qū)“云平臺、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)省的礦卡司機人工成本、能耗成本等逐步收回成本，并提升效益。

 

 

　　礦山自動駕駛商業(yè)模式

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛依然遵循“鉆、爆、采、運、排”的基本生產(chǎn)作業(yè)流程，并不會對露天礦山的開采工藝做顛覆性的重構(gòu)處理。依據(jù)“采、運、排”作業(yè)流程，可以將自動駕駛作業(yè)場景劃分為裝載、運輸和卸載三個作業(yè)場景。此外，為保障作業(yè)順利進行，還存在作業(yè)保障(換電充電、維修保養(yǎng)等)場景。而從智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用的角度出發(fā)，為實現(xiàn)上述作業(yè)流程，提高自動駕駛的效率和安全性，則需要礦卡遠程遙控駕駛、礦卡與其他工程機械之間作業(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)及實現(xiàn)邏輯完全是將乘用車遷移到商用車的路徑。礦卡電動化是新能源在商用車（礦卡）細分領(lǐng)域的一次重大突破。無論是在環(huán)境、安全、效率、碳達峰等經(jīng)濟上行指標(biāo)的影響下，還是在技術(shù)革新的國際外部壓力下。礦卡電動化是實現(xiàn)礦卡自動駕駛產(chǎn)品化的基石，也是實現(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)混合動力礦卡、插電式混合動力礦卡、純電動礦卡、燃料電池礦卡。

 

　　愛智運（玖智科技）基于新能源自動駕駛軟件系統(tǒng)打造的新一代純電無人礦卡。它搭載華為MDC計算平臺，由寧德時代動力電池提供動力支持。在理想工況下，該礦卡最高可節(jié)省90%左右的人力、運營成本，實現(xiàn)礦山運輸車輛的無人化和電動化。愛智運（玖智科技）自研了一套多傳感器融合感知算法，可以實現(xiàn)礦卡周邊物體全覆蓋識別。即便是雷達被灰塵覆蓋了，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，采取了激光雷達和GPS的融合定位方案，即使在信號離線的情況下，仍能實現(xiàn)厘米級的精準(zhǔn)定位。

 

　　基于此，愛智運純電自動駕駛礦卡在作業(yè)面到破碎站往返全自動駕駛作業(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行檢測，進而做出規(guī)避決策。

 

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

 

　　4、智能調(diào)度。經(jīng)過測算，優(yōu)化改造后的自動礦卡可以獲得更長的運營時間，相比有人礦卡，平均每臺無人礦卡一年可以增加700小時運營時間，生產(chǎn)效率提高30%。而且它還能回收能量。

 

　　3.1 裝載作業(yè)場景

 

　　場景概述

 

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

 

　　預(yù)期效果

 

　　該場景下，礦區(qū)的高精地圖隨作業(yè)在不斷發(fā)生變化，裝載機應(yīng)當(dāng)通過V2X技術(shù)實現(xiàn)地圖的在線更新。自動駕駛礦卡與裝載設(shè)備之間的流程協(xié)作交互和故障報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)。同時通過智能預(yù)測算法進行包含了風(fēng)險評估的行為決策與軌跡規(guī)劃，完成一個包含感知、預(yù)測和決策規(guī)劃的多任務(wù)耦合實現(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。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，需要由云平臺遠程接管礦卡。應(yīng)用場景如圖3-2所示：

 

　　3.2 運輸作業(yè)場景

 

　　場景概述

 

　　運輸作業(yè)場景，是指自動駕駛礦卡在礦區(qū)道路上按照云平臺規(guī)劃的路徑，結(jié)合環(huán)境感知信息自動行駛的作業(yè)場景。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、 云平臺進行信息交互，實現(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，需要由云平臺遠程接管礦卡。

 

　　預(yù)期效果

 

　　在實際礦區(qū)運輸作業(yè)場景中，自動駕駛礦卡在運輸過程中應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)針對于不斷動態(tài)更新的地圖路徑規(guī)劃算法，考慮多種工況的動態(tài)軌跡規(guī)劃與適合多場景多工況的及考慮風(fēng)險的軌跡優(yōu)化任務(wù)。實現(xiàn)動態(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)備進行信息交互。如遇到遮掩及惡劣環(huán)境，基于車輛感知及動態(tài)預(yù)測結(jié)果參與車輛當(dāng)前的風(fēng)險評估及預(yù)警，完成一個包含感知、預(yù)測和決策規(guī)劃的多任務(wù)耦合實現(xiàn)安全作業(yè)。在云平臺的統(tǒng)一調(diào)度下，所有車輛高效有序地運行，提高整體運輸效率，延長有效運輸時間。 

 

　　3.3 卸載作業(yè)場景

 

　　場景概述

 

　　卸載作業(yè)場景，是指滿載的自動駕駛礦卡依次行駛至卸載作業(yè)點并將物料卸載，然后由卸載設(shè)備(如推土機、裝載機等)整理物料，礦卡駛離進入下一次“采、運、排”作業(yè)循環(huán)。在該場景下，礦卡、卸載設(shè)備、云平臺需要溝通明確整個卸載協(xié)作流程(包括協(xié)同入場、卸載、出場等步驟)。礦卡可以根據(jù)路徑規(guī)劃和對周圍環(huán)境的感知，自動行駛至卸載區(qū)，同時明確自身的作業(yè)任務(wù)，并將自車的實時狀態(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，需由云平臺遠程接管礦卡。

 

　　場景概述

 

　　該場景下，自動駕駛礦卡與卸載設(shè)備之間的流程協(xié)作交互和故障報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械發(fā)生事故的風(fēng)險。

 

　　場景概述

 

　　作業(yè)保障場景，是指自動駕駛礦卡行駛至特定區(qū)域進行換電充電、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卡實時檢測到電量不足或自身故障時，需與云平臺協(xié)調(diào)，及時規(guī)劃加油補水任務(wù)。礦卡根據(jù)云平臺規(guī)劃的路徑，結(jié)合環(huán)境感知信息，自動行駛至相應(yīng)的作業(yè)保障區(qū)域。相關(guān)配套設(shè)施根據(jù)云平臺的指令，及時配合礦卡的作業(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，需由云平臺遠程接管礦卡。

 

　　預(yù)期效果

 

　　該場景下，自動駕駛礦卡的流程調(diào)度可以 有效對礦卡進行作業(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

 

　　遠程遙控駕駛，是指自動駕駛礦卡在遇到特特殊路段或緊急情況時，通過遠程接管處理方式。使車輛能夠繼續(xù)行駛或移動到安全位置。遠程接 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，向平臺 發(fā)送遠程接管請求，平臺接到請求后立刻開始遠 程接管；緊急接管是指遙控駕駛平臺接收車端實時上傳的狀態(tài)信息，主動發(fā)現(xiàn)車輛異常并發(fā)出報警信號提醒人工接管。遠程駕駛中心通過5G大帶 寬通信實時獲取車載和路側(cè)成像設(shè)備高清視頻， 并將基于5G網(wǎng)絡(luò)低時延的特性將控制信號下發(fā)到 車端，實現(xiàn)對車輛的遠程接管。應(yīng)用場景如圖3-6所示：

 

　　預(yù)期效果

 

　　基于5G通信的遠程緊急遙控接管可以有效保證在特殊情況下的自動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，并同時保證整體生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)平穩(wěn)進行。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　作業(yè)協(xié)同，是指自動駕駛礦卡與挖機、推土機等其他工程機械設(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，挖掘機和推土機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、推土機可以將設(shè)備運行數(shù)據(jù)上傳至云平臺，利用云平臺的運輸智能調(diào)度功能，實現(xiàn)與礦卡的作業(yè)流程協(xié)同。同時，挖機或推土機車載終端安裝協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)，通過在挖機或推土機上部署傳感器實現(xiàn)對設(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，實現(xiàn)裝載模式設(shè)置、裝載點設(shè)定，從而實現(xiàn)引導(dǎo)礦卡就位、裝載/卸載完成后引導(dǎo)礦卡出場，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)合云平臺的作業(yè)指令，自動駕駛礦卡和其他機械設(shè)備對裝載/卸載作業(yè)流程實現(xiàn)協(xié)同管理，使礦卡能夠高效、準(zhǔn)確、安全地完成入場、裝載/卸載與離場等工作。

 

　　業(yè)務(wù)描述

 

　　路徑規(guī)劃，是指云平臺基于地圖信息、車輛實時狀態(tài)、綜合感知信息等，集群調(diào)度決策算法計算自動駕駛礦卡行駛路徑，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)開展會不定期的進行變化，尤其是采掘面和排土場的變化頻率很大，需要進行全局路徑規(guī)劃；同時考慮到特定情況下導(dǎo)致不能循跡行駛的情況，需要進行局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃，由云平臺依據(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)全局路徑文件進行循跡行；局部路徑規(guī)劃，在特定情況下無法循跡行駛時，由礦卡依據(jù)自身環(huán)境感知數(shù)據(jù)及決策控制算法實時生成路徑進行避障繞行、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，是指云平臺基于地圖信息、車輛實時狀態(tài)、綜合感知信息及預(yù)測信息等，集群調(diào)度決策算法計算自動駕駛礦卡行駛路徑，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)開展會不定期的進行變化，尤其是采掘面和排土場的變化頻率很大，需要進行全局路徑規(guī)劃；同時考慮多工況的動態(tài)軌跡規(guī)劃及惡劣遮掩環(huán)境下的多場景導(dǎo)致不能循跡行駛的情況，需要進行局部路徑規(guī)劃。

 

　　全局路徑規(guī)劃，由云平臺依據(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)全局路徑文件進行循跡行。

 

　　局部路徑規(guī)劃，在多工況的動態(tài)軌跡規(guī)劃及惡劣遮掩環(huán)境下無法循跡行駛時，由礦卡依據(jù)自身環(huán)境感知數(shù)據(jù)及決策控制算法實時生成路徑進行避障繞行、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。礦 卡與正前方車輛通過LTE-V2X直連通信的方式實時交互位置、方向角、速度、加速度等信息。當(dāng)存在碰撞危險時，礦卡可以依據(jù)前車信息及時做出決 策，避免碰撞事故發(fā)生，提高自動駕駛安全性。應(yīng)用場景如圖3-7所示：

 

　　預(yù)期效果

 

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

 

　　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)實時上傳至云平臺，由云平臺 進行智能分析，平臺再將道路事件信息實時發(fā) 送給可能受影響的自動駕駛礦卡；或者通過路 側(cè)部署的邊緣計算平臺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/邊緣計算平臺的配合，向周圍自動駕駛礦卡發(fā)送道路危險狀況信息，使礦卡間接獲取前方道路事件的具體信息，擴展了礦卡對周邊環(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)行時間，提高安全性。

 

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

 

　　智慧礦山網(wǎng)聯(lián)自動駕駛應(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”三個層面以及相應(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)實現(xiàn)通訊傳輸，云平臺協(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駕駛應(yīng)用安全可靠地運行。

 

　　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的指令。礦山場景的以下特點為通信、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，風(fēng)沙、揚塵導(dǎo)致部分感 知設(shè)備失效；

 

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

 

　?、?對于作業(yè)區(qū)域比較低洼或山體遮擋嚴(yán)重的工況，定位信號強度容易受到干擾針對以上礦山場景的特殊性，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)云平臺規(guī)劃的任務(wù)和路徑明確當(dāng)前任務(wù)，同時接收到傳感器和通信終端的環(huán)境信息之后，對當(dāng)前環(huán)境作出分析，然后對控制單元下達指令。決策與規(guī)劃子系統(tǒng)基本可分為以下四個部分：

 

　?、?信息決策模塊

 

　　車輛行駛過程中需要時刻感知外界信息，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、毫米波雷達及視覺等)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，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)劃模塊進行局部路徑規(guī)劃。

 

　?、?路徑規(guī)劃模塊

 

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

 

　?、?任務(wù)決策模塊

 

　　根據(jù)“采、運、排”作業(yè)業(yè)務(wù)流程，智能網(wǎng)聯(lián)礦卡會劃分不同的任務(wù)狀態(tài)，并需要細化不同任務(wù)狀態(tài)時需執(zhí)行的控車操作。在“采”、“排”場景下，根據(jù)高精地圖及環(huán)境信息進行局部路徑規(guī)劃、依據(jù)生成路徑行駛、與其他工程機械車輛進行協(xié)同交互作業(yè)等。在主干道路進行行駛過程中，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、請求遠程接管等)。

 

　?、?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，同時對自動駕駛相關(guān)各模塊進行實時狀態(tài)監(jiān)測， 出現(xiàn)異常事件時根據(jù)其對自動駕駛的影響程度進行停車等待人工排查、請求平臺調(diào)度至維修區(qū)進行維修或者進行其他可保證自動駕駛穩(wěn)定可靠運行的操作。

 

　　4.4 控制

 

　　1、線控化控制

 

　　整車功能線控化是智能網(wǎng)聯(lián)礦卡實現(xiàn)自動 駕駛的重要技術(shù)路徑之一，主要由車輛的控制 系統(tǒng)通過電信號實現(xiàn)包括線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動、 線控制動、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)與車載自動駕駛規(guī)劃與決策系 統(tǒng)對接，實現(xiàn)車載規(guī)劃與決策系統(tǒng)對整車的控 制。而車輛的運行數(shù)據(jù)，如車速、載重、胎壓、 水溫、電機功率、系統(tǒng)電壓、故障報警等，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)對接，再經(jīng)過通信設(shè)備與外界交互。車載線控需要實現(xiàn)以下控制功能：

 

　　① 線控轉(zhuǎn)向，通過電信號控制轉(zhuǎn)向油缸動作并實時反饋轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)前軸轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。

 

　?、?線控驅(qū)動，通過電信號控制驅(qū)動檔位和油門實現(xiàn)驅(qū)動功能的線控化。

 

　?、?線控制動，礦用卡車制動功能一般包 含行車制動、駐車制動、緊急制動、裝載制動 等，均通過電信號實現(xiàn)控制。

 

　　④ 線控貨箱升降，通過電信號控制貨箱升 降系統(tǒng)的電比例閥組實現(xiàn)舉升、迫降、鎖止、浮動四個檔位的線控功能。

 

　　2、基于駕駛機器人的線控化控制

 

　　對于無法直接通過車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對接線控控制系統(tǒng)的存量車輛，可以進行基于駕駛機器人的線控化控制，使之達到滿足自動駕駛應(yīng)用的條件?；隈{駛機器人的線控化控制主要是通過外部執(zhí)行機構(gòu)和整車控制器 (VCU ) 設(shè)計開發(fā)，在自動駕駛模式下替代原有有人操作產(chǎn)生的信號實現(xiàn)車輛的線控化控制，從而實現(xiàn)車輛的自動駕駛。基于機器人的線控化控制包括：

 

　?、?轉(zhuǎn)向機器人，通過VCU電信號控制轉(zhuǎn)向機器人動作并實時反饋轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)前軸轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。

 

　?、?緊急制動機器人，通過VCU電信號控制緊急制動機器人動作并實時反饋踏板開度，實現(xiàn)緊急制動的閉環(huán)控制。

 

　?、?貨箱升降機器人，通過VCU電信號控制貨箱升降機器人動作實現(xiàn)舉升、迫降、鎖止、浮動四個檔位的控制功能。

 

　　④ 油門行車制動控制，通過VCU D/A輸出信號控制油門制動實現(xiàn)油門和行車制動的控制功能。

 

　?、?通過VCU 線控驅(qū)動實現(xiàn)檔位、駐車制動和裝載制動的控制功能。

 

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

 

　　1、網(wǎng)聯(lián)框架

 

　　面向礦區(qū)自動駕駛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，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、多接入邊緣計算平臺MEC作為本地數(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)，實現(xiàn)多礦區(qū)綜合管理。針對5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬優(yōu)勢而言，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)控數(shù)據(jù)上傳到本地控制中心，實現(xiàn)控制中心對遠程遙控的接管。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；與此同時， 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。該MEC平臺直接與礦區(qū)的遠程遙控中心相連，視頻數(shù)據(jù)直接本地分流至遠程遙控中心，無需傳至核心網(wǎng)，降低傳輸時延。根據(jù)這些視頻感知信息，借助5G系統(tǒng)低時延高可靠的通信能力，遠程遙控中心發(fā)出控制指令，實時遠程遙控自動駕駛礦卡。

 

　　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，實現(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之間地高速、可靠、低時延的信息交互，支撐實現(xiàn)遠程駕駛等應(yīng)用。(如表4-6所示)

 

 

　　2、網(wǎng)絡(luò)部署建議

 

　　礦區(qū)自動駕駛系統(tǒng)對效率與安全有很高的要求，需要實現(xiàn)設(shè)備隨時隨地在線，對礦區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、可靠性、延遲、帶寬提出很高的要求。基于當(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：

 

　　① 4G網(wǎng)絡(luò)宏站覆蓋方案

 

　　4G移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前覆蓋最全面的網(wǎng)絡(luò)， 通過數(shù)個4G宏站就可實現(xiàn)對礦坑(約3-5平方公里)完全覆蓋。目前4G移動蜂窩網(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帶寬和時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 蓋解決熱點地區(qū)業(yè)務(wù)量大、時延要求高的業(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 較大的場景。5G的大規(guī)模陣列天線可實現(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)。對于工作面有大型設(shè)備遮擋，少數(shù)需要補盲的場景，可以使用拖車移動基站+微波傳輸實現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)補盲。

 

　?、?4G/5G混合組網(wǎng)部署

 

　　利用4G宏站覆蓋面積的優(yōu)勢，可以在熱點地區(qū)部署5G基站作為4G網(wǎng)絡(luò)的補充，時延要求較高 的業(yè)務(wù)終端可通過搭載5G模組，實現(xiàn)與5G基站之 間超低時延的數(shù)據(jù)交互。對已經(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)，可實現(xiàn)4G與5G的無縫切換，以及4G+5G上行 鏈路聚合增強。礦區(qū)的自動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機制可實現(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)，保證自動駕駛業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級，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,對礦區(qū)自動駕駛車輛的安全行駛，以及與有人車輛共存提供了保障。對于礦區(qū)作業(yè)的車輛包括挖掘機、推土機、運輸車等，車上均裝載支持 LTE-V2X PC5直連通信的OBU。同時，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進行通信。(如圖4-7所示)

 

　　經(jīng)測算，每1km道路配置4個RSU節(jié)點可以實現(xiàn) 信號全覆蓋，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入采坑開始作業(yè)的全過程都能和至少一個RSU進行PC5 直連通信。(如圖4-8所示)

 

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

 

　　1、平臺總體框架

 

　　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)融合和智能計算，自動駕駛云平臺支持實現(xiàn)礦山作業(yè)的數(shù)字化、智能化的管理。云平臺架構(gòu)包括以下幾個層面：

 

　　① 基礎(chǔ)資源層為數(shù)據(jù)的存儲管理、計算分析提供基礎(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、氣象感知)、礦區(qū)作業(yè)區(qū)域的高精度地圖。另外，云平臺具備可擴展性，可與第三方平臺對接獲取外部數(shù)據(jù)。

 

　?、?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，并動態(tài)地基于實時數(shù)據(jù)對模型進行調(diào)整。

 

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

 

　?、?用戶層為礦區(qū)業(yè)主單位、運營商、平臺開發(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、平臺功能需求

 

　　云平臺承載著智慧礦區(qū)的運營管理和服務(wù)提供能力，針對礦區(qū)“采、運、排”業(yè)務(wù)場景，云平臺需要滿足的主要功能包括：

 

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

 

　?、?通過基于大數(shù)據(jù)、智能學(xué)習(xí)等技術(shù)手段進 行融合分析，打造能夠主動感知、預(yù)測、分析、并快速做出正確處理的業(yè)務(wù)模型，面向裝載/卸載、運輸、保障等應(yīng)用場景提供聯(lián)合決策和協(xié)同控制，實現(xiàn)對礦區(qū)作業(yè)車輛的自動駕駛、編隊行駛等業(yè)務(wù)、以及對業(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)證管理幫助平臺對礦區(qū)所有車輛、基礎(chǔ)設(shè)施進行登記認(rèn)證便于車隊管理和網(wǎng)絡(luò)管理，用戶則能夠通過身份標(biāo)識隨時查詢車輛的工作狀態(tài)。

 

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

 

　　3、平臺功能模塊

 

　　云平臺采集自動駕駛作業(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、攝像頭和雷達的路況感知數(shù)據(jù)、氣象傳感器數(shù)據(jù)等)，并對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲、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)自動駕駛應(yīng)用。云平臺分為基礎(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、智能運營和監(jiān)管模塊和遠程控制模塊，展示類主要包括平臺可視化模塊。

 

　　(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、編號等信息，在作業(yè)時間周期內(nèi)，車輛擁有唯一的身份識別ID，便于平臺的監(jiān)管、調(diào)度、查詢等操作；為礦區(qū)    業(yè)主、網(wǎng)絡(luò)運營商、平臺開發(fā)商等單位進行各自的權(quán)限認(rèn)證，比如礦區(qū)業(yè)主可以查詢當(dāng)前運營車輛數(shù)量、作業(yè)時長、開采量和運輸量等；網(wǎng)絡(luò)運營單位可以實時了解基站、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)時空對齊，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)，實現(xiàn)平臺對礦區(qū)作業(yè)區(qū)域的全局實時運行環(huán)境的管控。

 

　　(3) 智能運營和監(jiān)管模塊

 

　　智能網(wǎng)聯(lián)礦卡與其他工程機械車需要在云平臺的統(tǒng)一指揮下開展相關(guān)的生產(chǎn)作業(yè)。對于作業(yè)車輛，云平臺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統(tǒng)一的監(jiān)管和調(diào)配，并在行駛過程中對礦區(qū)作業(yè)場景突發(fā)事件對車輛進行臨時的調(diào)度等功能。對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和道路基礎(chǔ)設(shè)施，平臺需要監(jiān)測其工作狀態(tài)，如有工作異常需要及時反饋報警信息，對處于故障設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)的作業(yè)車輛發(fā)出報警信息避免危險發(fā)生。

 

　?。?) 遠程控制模塊

 

　　該功能主要是作為遇到特殊路段或其他緊急情況時的一種必要的補充功能。當(dāng)作業(yè)車輛遇到緊急情況時發(fā)起遠程控制請求，并將車輛的ID、實時位置、速度、方向等信息上報給后端的云控制中心，控制中心及時響應(yīng)并遠程接管該車輛的操控權(quán)，前進、倒車、制動、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，從而避免危險情況發(fā)生。為了保證業(yè)務(wù)的順利平穩(wěn)進行，要求平臺遠程接管的響應(yīng)時間要盡可能的短。

 

　　(5) 平臺可視化模塊

 

　　平臺展示界面能夠?qū)⒌V區(qū)全局的態(tài)勢信息直觀地呈獻給用戶，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)時長、行駛里程、開采量和運送量等；

 

　?、?網(wǎng)絡(luò)和道路設(shè)施：基站、RSU、攝像頭、雷達、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)自動駕駛安全防護體系

 

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

 

　　1、信息安全

 

　?、?平臺側(cè)安全

 

　　在智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛系統(tǒng)安全防護體系 中，云安全平臺安全防護平臺端自身系統(tǒng)安全和 業(yè)務(wù)安全，包括部署防火墻、入侵檢測等網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)以及部署安全審計等業(yè)務(wù)安全系統(tǒng)。云平臺自 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 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)等層面進行綜合防護；其次， 在管理方面，應(yīng)覆蓋云平臺、云服務(wù)、云數(shù)據(jù)的 全生命周期，對平臺安全維護、安全事件、安全 風(fēng)險、業(yè)務(wù)連續(xù)性等方面進行管理。在技術(shù)層面 基于安全域的劃分，可采用合理的手段進行全面 的安全防護。對于DDoS攻擊，可以采用高性能硬 件設(shè)備防護南北向攻擊，采用虛擬化異常流量監(jiān)測設(shè)備對東西向DDoS攻擊進行監(jiān)測，并與云平臺協(xié)同進行安全防護。采用物理/虛擬化防火墻進行 不同粒度的邊界隔離和防護，通過入侵檢測設(shè)備 進行網(wǎng)絡(luò)異常檢測，采用漏洞掃描設(shè)備進行云平 臺、虛機的安全評估。管理層面為有效保障安全 訪問，可以采用堡壘機進行安全控制和防護。同步可以在WEB主機上部署網(wǎng)頁防篡改系統(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 臺進行統(tǒng)一管理，并提供用戶訪問界面。

 

　?、?終端安全

 

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

 

　　在硬件設(shè)計及封裝方面，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)試手段提升對關(guān)鍵硬件接口、通訊過程、對象的惡意分析調(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。

 

　　對關(guān)鍵操作系統(tǒng)、中間件及軟件程序進行系統(tǒng)加固及安全部署管理，通過密碼模塊對操作系統(tǒng)、中間件及軟件程序做啟動、更新和安裝驗證，同時利用可靠的代碼簽名技術(shù)和流程，保障系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運行安全。在不影響功能安全的基礎(chǔ)上，實施系統(tǒng)及軟件安全加固防護：對系統(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；對公開漏洞及高風(fēng)險漏洞及時修補；通過軟件保護技術(shù)提升惡 意攻擊者對關(guān)鍵算法、系統(tǒng)應(yīng)用的分析難度。

 

　　在與其它自動駕駛系統(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)實現(xiàn)數(shù)字證書終端安全管理， 確保身份根存儲安全，對關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)加密存儲、 傳遞。同時，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)測終端安全 狀態(tài)，對不正常終端及失控終端做到及時預(yù)警。

 

　?、?通信安全

 

　　在智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛系統(tǒng)安全防護體系 中，通信安全防護內(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)施與云端自動駕駛平臺之間基 于Uu接口的蜂窩通信安全。

 

　　(1)基于蜂窩通信的安全防護機制

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛的車、路與自動駕駛 平臺之間基于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?。車、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機制

 

　　智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛過程中，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?？山⒒赑KI 的通信安全身份認(rèn)證保障體系，實現(xiàn)對通信實體的安全證書管理，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)施包括建立對智慧礦區(qū)自動駕駛系統(tǒng)中相關(guān)實體身份全生命周期管理的機制和系統(tǒng)，為每個實體建立業(yè)務(wù)所需的身份標(biāo)識；建立公鑰密碼設(shè)施，為每個實體簽發(fā)數(shù)字證書，實現(xiàn)數(shù)字證書管理的各項功能，通過數(shù)字證書的管理實現(xiàn)身份的管理，為實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，對智慧礦區(qū)自動駕駛系統(tǒng)中相關(guān) 實體的密鑰進行管理，包括密鑰的產(chǎn)生、激活、存儲、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，實現(xiàn)雙方身份鑒別認(rèn)證；同時，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)險分析

 

　　智能網(wǎng)聯(lián)礦卡實際應(yīng)用中存在的風(fēng)險進行危 害分析和風(fēng)險評估，如表4-14所示。

 

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

 

　　3、功能安全實施

 

　　智能網(wǎng)聯(lián)礦卡自動駕駛系統(tǒng)功能的安全實 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 主要安全活動如圖4-15所示。

 

　?、?概念階段過程

 

　　概念階段的設(shè)計工作首先需要明確智能網(wǎng)聯(lián)礦卡自動駕駛系統(tǒng)的定義，確定自動駕駛系統(tǒng)的初步技術(shù)架構(gòu)。然后對自動駕駛系統(tǒng)進行危害分析和風(fēng)險評估，識別出所有危害，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)項定義、危害分析和風(fēng)險評估報告、安全目標(biāo)、功能安全要求、功能安全概念等。

 

　?、?nbsp; 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，并進行技術(shù)架構(gòu)設(shè)計，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)計規(guī)范、系統(tǒng)安全分析報告、軟硬件接口規(guī)范、集成測試規(guī)范和測試報告等。

 

　?、垓炞C過程

 

　　為確保自動駕駛系統(tǒng)的功能安全設(shè)計符合功能安全要求，必須對設(shè)計結(jié)果和開發(fā)成果進行驗證。在設(shè)計階段，驗證是對工作成果的評估，確保設(shè)計與要求的正確性、完整性和一致性。評估可通過評審、模擬或分析技術(shù)展開。功能安全的評估項目包括：所有的需求規(guī)范、 所有的架構(gòu)設(shè)計規(guī)范、軟硬件接口規(guī)范、硬件架構(gòu)度量、隨機硬件失效概率度量、安全分析等。在測試階段，驗證是對測試環(huán)境下工作成果的評估，確保成果滿足要求。功能安全的測試項目包括：硬件集成測試、軟件單元測試、 軟件集成測試、軟硬件集成測試、系統(tǒng)集成測試和整車集成測試等。

 

　　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)自動駕駛整體解決方案，在云平臺構(gòu)建礦區(qū)運輸作業(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)實現(xiàn)車輛與云平臺、其他車輛、路側(cè)的實時交互，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，進而提高自動駕駛的安全性、可用性、可靠性。（技術(shù)架構(gòu)如圖4-16）

 

　　歸納與預(yù)測

 

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

 

　　目前，通過主機廠商、自動駕駛解決方案商、智慧礦區(qū)解決方案商的合作，在礦區(qū)部署云平臺、網(wǎng)絡(luò)通信、智能車載終端一體化的解決方案，在測試和試應(yīng)用中實現(xiàn)了自主行駛、遠程遙控駕駛、作業(yè)協(xié)同等礦卡自動駕駛的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，逐步實現(xiàn)了露天礦區(qū)運輸作業(yè)的無人化。但是隨著礦區(qū)自動駕駛應(yīng)用的深入，場景復(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)模擴大，自動駕駛應(yīng)用規(guī)模將顯著提升，相應(yīng)場景復(fù)雜度也會明顯加大，將對平臺調(diào)度能力與車輛決策能力提出更高要求；

 

　　② 各種礦區(qū)不同的工況特點會給技術(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影響毫米波雷達的性能，高寒地區(qū)礦區(qū)的溫度會影響電氣電子設(shè)備的穩(wěn)定性；

 

　　③ 目前各礦區(qū)基本由單個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)模擴大帶來的不同廠商設(shè)備混用會導(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)對于網(wǎng)聯(lián)自動駕駛的安全性，包括信息安全和功能安全，必然會提出更明確的要求。

 

　　因此，需要產(chǎn)業(yè)各方進一步堅定信心、加強協(xié)同，共同推動智慧礦區(qū)網(wǎng)聯(lián)自動駕駛應(yīng)用的發(fā)展成熟。

 

　　一是專注主線賽道，堅定發(fā)展信心。主機廠商、自動駕駛解決方案商等企業(yè)應(yīng)專注礦區(qū)場景下自動駕駛應(yīng)用研發(fā)，堅定智能化和網(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，堅定產(chǎn)業(yè)各方信心。

 

　　二是加強標(biāo)準(zhǔn)供給，促進產(chǎn)品研發(fā)。相關(guān)行業(yè)組織應(yīng)加快推動對礦區(qū)自動駕駛應(yīng)用的細分場景、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，促進設(shè)備間、平臺間兼容，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)同測試評估，促進技術(shù)成熟。礦區(qū)自動駕駛解決方案涉及云、管、端多層次協(xié)同，需要加強體系化的互聯(lián)互通測試、設(shè)備功能性能評測、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。

 

　　四是加強行業(yè)監(jiān)管，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前礦區(qū)自動駕駛處于從技術(shù)測試、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)地開展測試應(yīng)用，保障行業(yè)健康有序發(fā)展。