露天礦山無人駕駛運(yùn)輸效率評(píng)估方法

李 博，欒博鈺，何玉東

（1.華為技術(shù)有限公司，北京 100080；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.北京易控智駕科技有限公司，北京 100083）

露天礦山運(yùn)輸系統(tǒng)的主要工作是將生產(chǎn)設(shè)備中的礦石運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)礦場(chǎng)、破碎站或選礦廠，將土方或巖石運(yùn)往排土廠或破碎站的位置。

露天礦山運(yùn)輸系統(tǒng)中無人駕駛卡車運(yùn)輸在越來越多的露天礦山中開展常態(tài)化運(yùn)營(yíng)部署[1-2]。無人駕駛系統(tǒng)在完成這些動(dòng)態(tài)工作任務(wù)的過程中，系統(tǒng)性能評(píng)估會(huì)涉及多種假設(shè)和評(píng)測(cè)參數(shù)，行業(yè)中目前關(guān)于無人駕駛系統(tǒng)的評(píng)估方式存在不統(tǒng)一的現(xiàn)象。在礦山業(yè)主進(jìn)行有關(guān)無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)規(guī)劃，以及進(jìn)行供應(yīng)商性能評(píng)估比較過程中，可能會(huì)面對(duì)使用不同假設(shè)和評(píng)估方式的工作效率比較；如果各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)使用不同的關(guān)鍵指標(biāo)或評(píng)估方法進(jìn)行比較，則無法橫向進(jìn)行行業(yè)對(duì)比。因此，統(tǒng)一的露天礦山無人駕駛生產(chǎn)運(yùn)輸效率評(píng)估方式尤為重要。

為了合理地開展具備行業(yè)普適性的性能評(píng)估方法，首先需要明確有人駕駛卡車生產(chǎn)關(guān)鍵指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)無人駕駛卡車的關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)和評(píng)測(cè)方法進(jìn)行討論。

1 傳統(tǒng)有人駕駛卡車的生產(chǎn)作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)

在露天礦山傳統(tǒng)人工駕駛單斗-卡車工藝與間斷工藝方面，其效率優(yōu)化提升是行業(yè)中持續(xù)研究的課題[3-5]。其中傳統(tǒng)人工生產(chǎn)效率優(yōu)化的主要考慮在車鏟配比，勺容配比等多種因素之間進(jìn)行調(diào)整和適配，以此來達(dá)到挖掘機(jī)和卡車編組的在臺(tái)班時(shí)間內(nèi)的土方挖掘總量的最優(yōu)性能。露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)中通常通過班次，及當(dāng)天產(chǎn)量匯總統(tǒng)計(jì)每日生產(chǎn)情況。從此可以看出挖掘總量是評(píng)估傳統(tǒng)有人駕駛生產(chǎn)作業(yè)的1 個(gè)關(guān)鍵因素。

同時(shí)，露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)ν跈C(jī)和車輛運(yùn)行時(shí)間的精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)[6]，來進(jìn)行卡車運(yùn)行時(shí)間消耗結(jié)構(gòu)的分析。露天礦生產(chǎn)作業(yè)流程中時(shí)間維度的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）[7]，包括：日歷時(shí)間（CT）、調(diào)度時(shí)間（ST）、可用時(shí)間（AT）、運(yùn)營(yíng)時(shí)間（OT）、工作時(shí)間（WT）、生產(chǎn)時(shí)間（PT）。通過以上不同作業(yè)流程中對(duì)于不同生產(chǎn)行為的定義，可以很好地統(tǒng)一對(duì)于生產(chǎn)中有效作業(yè)時(shí)間的理解。

從生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的統(tǒng)計(jì)的角度來看，工作時(shí)間（WT）可以綜合地反映出設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)所占的時(shí)間長(zhǎng)度，雖然其中包括非有效運(yùn)營(yíng)時(shí)間（NP），但是工程機(jī)械依然處于正常狀態(tài)可以隨時(shí)進(jìn)行工作。因此，在時(shí)間維度的關(guān)鍵性能指標(biāo)中，研究主要使用工作時(shí)間（WT）進(jìn)行參考。露天礦山中時(shí)間分類模型如圖1。

圖1 露天礦山中時(shí)間分類模型

總結(jié)以上分析，傳統(tǒng)有人駕駛的關(guān)鍵指標(biāo)主要依賴2 個(gè)維度：①規(guī)定工作時(shí)間內(nèi)的土方/礦石運(yùn)輸量（規(guī)定工作時(shí)間可以分為臺(tái)班時(shí)間和日生產(chǎn)時(shí)間）；②設(shè)備的有效工作時(shí)間，來進(jìn)行設(shè)備的生產(chǎn)效率進(jìn)行評(píng)估。

因此在無人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)輸效率的評(píng)估方面，需要采用與傳統(tǒng)有人駕駛的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行相同維度的比較，來綜合進(jìn)行無人駕駛系統(tǒng)的效率分析。

2 無人駕駛運(yùn)輸效率評(píng)估關(guān)鍵指標(biāo)和評(píng)估方法

隨著露天礦山無人駕駛從試驗(yàn)驗(yàn)證向生產(chǎn)作業(yè)的普及，無人駕駛卡車運(yùn)輸系統(tǒng)在考慮系統(tǒng)安全體系設(shè)計(jì)[8]要求并保證安全生產(chǎn)的同時(shí)，必須服務(wù)于露天礦山正常生產(chǎn)作業(yè)要求，需要具備多車編組作業(yè)能力，常態(tài)化晝夜作業(yè)能力，以及穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)能力。

在以上常態(tài)化生產(chǎn)要求之下，無人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)輸效率評(píng)估可以定義為一定數(shù)規(guī)模的無人駕駛車輛在測(cè)試周期內(nèi)，在安全完成完整動(dòng)態(tài)生產(chǎn)任務(wù)的前提下，與相同條件運(yùn)行的傳統(tǒng)人工駕駛車輛的關(guān)鍵指標(biāo)（工作用時(shí)，工作量）比值。無人駕駛運(yùn)輸效率計(jì)算公式為：

式中：AoE 為無人駕駛系統(tǒng)運(yùn)輸效率；AoS 為無人駕駛系統(tǒng)單車關(guān)鍵指標(biāo)；HDS 為有人駕駛系統(tǒng)單車關(guān)鍵指標(biāo)；k 為測(cè)試車輛數(shù)量；n 為測(cè)試車輛總數(shù)。

2.1 測(cè)試車輛規(guī)模

考慮到露天礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，參與測(cè)試的車輛數(shù)量需要與生產(chǎn)條件下單臺(tái)挖機(jī)所匹配的卡車數(shù)量進(jìn)行匹配。以單編組車輛數(shù)量作為最小評(píng)估單位，而無需進(jìn)行單臺(tái)無人駕駛礦車的生產(chǎn)效率評(píng)估。如果考慮更復(fù)雜場(chǎng)景，可以使用多編組車輛進(jìn)行效率評(píng)估，但是其測(cè)試和評(píng)估復(fù)雜性將大大提高。因此在目前階段，使用單編組車輛數(shù)量進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試是比較典型的場(chǎng)景。

2.2 測(cè)試周期

測(cè)試周期是指測(cè)試活動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)度，不同的測(cè)試周期會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率評(píng)估的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。不同的測(cè)試周期分別反映了系統(tǒng)不同方面的能力，同時(shí)也對(duì)測(cè)試資源和時(shí)間提出不同的要求。

2.2.1 峰值工作效率（短周期測(cè)試）

短周期測(cè)試通常用于評(píng)估無人駕駛礦車系統(tǒng)的峰值工作能力，通常在5 個(gè)作業(yè)循環(huán)內(nèi)，可以對(duì)工作流程中的所有分支流程進(jìn)行耗時(shí)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。例如包括：車鏟對(duì)位環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、排土對(duì)位環(huán)節(jié)用時(shí)。用來比較和人工駕駛系統(tǒng)在靈活度和特定場(chǎng)景上的處理能力。

短周期測(cè)試可能會(huì)忽略一些可靠性和穩(wěn)定性方面的潛在問題，因?yàn)闇y(cè)試時(shí)間太短，無法覆蓋所有的測(cè)試場(chǎng)景。無人駕駛運(yùn)峰值工作效率公式為：

式中：AoEP為無人駕駛系統(tǒng)峰值運(yùn)輸效率；AoS WT為無人駕駛系統(tǒng)總工作時(shí)間；HDSWT為有人駕駛系統(tǒng)總工作時(shí)間；xtime為車輛運(yùn)輸時(shí)間的總和；time為單車土方運(yùn)輸時(shí)間；k 為測(cè)試車輛序號(hào)；n 為測(cè)試車輛總數(shù)；l 為測(cè)試作業(yè)循環(huán)序號(hào)；m 為測(cè)試作業(yè)循環(huán)總數(shù)。

為提高露天礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)工作效率和優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)度性能，行業(yè)中提出了多種調(diào)度協(xié)同和調(diào)度優(yōu)化方案[9-10]。通常峰值工作效率的測(cè)試，可以更好地適用于具體技術(shù)方案的快速優(yōu)化和測(cè)試，同時(shí)可以分環(huán)節(jié)對(duì)不同場(chǎng)景的作業(yè)效率進(jìn)行參考對(duì)比。

2.2.2 臺(tái)班工作效率（中周期測(cè)試）

中周期測(cè)試為在1 個(gè)臺(tái)班的指定調(diào)度時(shí)間內(nèi)，無人駕駛系統(tǒng)所有車輛所完成的裝載總量和運(yùn)營(yíng)時(shí)間與有人駕駛車輛的比較。

臺(tái)班工作時(shí)間是露天礦山生產(chǎn)作業(yè)中比較典型的時(shí)間長(zhǎng)度，可以為礦山業(yè)主提供比較典型的效率參考，可以驗(yàn)證生產(chǎn)作業(yè)流程中絕大部分工況場(chǎng)景的以及潛在的突發(fā)情況，但是無法覆蓋所有的可能影響生產(chǎn)環(huán)節(jié)的場(chǎng)景，例如：爆破、新的采掘面的初始化工作。無人駕駛運(yùn)中周期工作效率公式為：

式中：AoEA為無人駕駛系統(tǒng)中周期平均運(yùn)輸效率；AoSload為無人駕駛系統(tǒng)總挖掘量，m3；HDSload為有人駕駛系統(tǒng)總挖掘量，m3；load 為單車土方運(yùn)輸量，m3；xload為土方運(yùn)輸量的總和。

2.2.3 營(yíng)運(yùn)工作效率（長(zhǎng)周期測(cè)試）

長(zhǎng)周期測(cè)試的目的是盡可能地覆蓋無人駕駛設(shè)備在其設(shè)計(jì)運(yùn)行條件（ODC）下可能發(fā)生的所有生產(chǎn)作業(yè)全部場(chǎng)景帶來的影響。

長(zhǎng)周期測(cè)試通?？紤]連續(xù)7～30 d 的連續(xù)調(diào)度作業(yè)時(shí)期，并將此階段內(nèi)的無人駕駛系統(tǒng)所完成的裝載總量和運(yùn)營(yíng)時(shí)間與有人駕駛車輛的比較。根據(jù)礦山規(guī)模的不同以及場(chǎng)景復(fù)雜性程度，對(duì)于大型露天礦建議14～30 d 的測(cè)試周期，對(duì)于中型露天礦建議考慮10～21 d 的測(cè)試周期，對(duì)于小型露天礦山建議考慮7～14 d 的測(cè)試周期。無人駕駛運(yùn)長(zhǎng)周期工作效率公式為：

式中：AOEO為露天礦無人駕駛系統(tǒng)長(zhǎng)周期平均運(yùn)輸效率。

長(zhǎng)周期運(yùn)營(yíng)工作效率測(cè)試可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加全面的測(cè)試和驗(yàn)證，能夠更好地反映無人駕駛系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。同時(shí)由于長(zhǎng)周期運(yùn)營(yíng)中，無論無人駕駛系統(tǒng)和有人駕駛系統(tǒng)的測(cè)試總時(shí)間均為相同的日歷時(shí)間（CT），工作時(shí)間的實(shí)際結(jié)果體現(xiàn)在最終的運(yùn)輸土方數(shù)量。營(yíng)運(yùn)工作效率的評(píng)估方式在臺(tái)班工作效率的評(píng)估方法之上無需進(jìn)一步考慮時(shí)間因素的影像，因此使用式（4）進(jìn)行評(píng)估。

長(zhǎng)周期測(cè)試更多的適用于生產(chǎn)過程中的運(yùn)營(yíng)效率評(píng)估，需要更多的時(shí)間和資源，在項(xiàng)目交付的過程中可能會(huì)延遲項(xiàng)目的驗(yàn)收時(shí)間。

2.3 運(yùn)輸效率測(cè)試條件要求

露天礦山無人駕駛運(yùn)輸效率的測(cè)試條件是影響測(cè)試結(jié)果的主要因素之一，尤其在中周期和長(zhǎng)周期工作效率評(píng)估的過程中。有人駕駛與無人駕駛測(cè)試場(chǎng)景需要盡可能地保證使用一致的生產(chǎn)設(shè)備，輔助設(shè)備，和一致的生產(chǎn)環(huán)境因素，例如：裝卸運(yùn)距，卡車載重，挖機(jī)斗容，輔助設(shè)備條件，生產(chǎn)環(huán)境，以及相同的生產(chǎn)階段和測(cè)試時(shí)間。

在短周期測(cè)試和中周期測(cè)試過程中，有人駕駛與無人駕駛測(cè)試應(yīng)最好使用相同采-卸場(chǎng)地和同一運(yùn)輸路線進(jìn)行測(cè)試，以便能夠最大限度地降低作業(yè)環(huán)境對(duì)生產(chǎn)效率結(jié)果的影響，和更準(zhǔn)確地反映實(shí)際運(yùn)輸效率的比較。

在長(zhǎng)期測(cè)試的過程中，由于重用相同采-卸場(chǎng)地會(huì)造成測(cè)試時(shí)間的成倍增長(zhǎng)，可以考慮使用具備類似的生產(chǎn)環(huán)境因素的場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試，但其他測(cè)試因素需要保持一致。同時(shí)在測(cè)試結(jié)束后，需根據(jù)有人駕駛和無人駕駛測(cè)試場(chǎng)地的差異（裝卸運(yùn)距，卡車載重，挖機(jī)斗容）的影響，進(jìn)行運(yùn)輸效率上的折算。

西北地區(qū)某露天煤礦人駕駛項(xiàng)目中，在2023 年5 月和10 月2 次無人駕駛項(xiàng)目驗(yàn)收中規(guī)定，無人駕駛系統(tǒng)需要支持多編組完成全流程礦用寬體車無人駕駛作業(yè)，在連續(xù)生產(chǎn)24 h 不間斷作業(yè)的前提下，分2 次開展為期30 d 和為期7 d 的連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)驗(yàn)收，通過營(yíng)運(yùn)工作效率（長(zhǎng)周期測(cè)試）測(cè)試方法進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和驗(yàn)收。在驗(yàn)收中為了便于驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)挖掘量（AoSload、HDSload）依據(jù)車型承載能力和車輛運(yùn)行趟數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于礦山無人駕駛系統(tǒng)中分別使用同力95 系列車型和同力65 系列車型進(jìn)行多編組運(yùn)行，其土方運(yùn)輸量需要根據(jù)車型承載能力分別進(jìn)行計(jì)算。

通常在運(yùn)輸效率的測(cè)試期間，無人駕駛系統(tǒng)同時(shí)還需驗(yàn)證多個(gè)模塊的功能驗(yàn)證（執(zhí)行器測(cè)試、環(huán)境感知測(cè)試、車輛控制測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試）和故障統(tǒng)計(jì)以便更完善的開展系統(tǒng)驗(yàn)證[11]。

3 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)露天礦山無人駕駛系統(tǒng)的推廣，需要行業(yè)形成統(tǒng)一和明確的露天礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率評(píng)估方法。露天礦山無人駕駛系統(tǒng)首先需要在安全完成采掘、運(yùn)輸、排土各環(huán)節(jié)相互協(xié)同作業(yè)。在安全生產(chǎn)的前提下，開展無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)效率的評(píng)估工作。

關(guān)于短期、中期、長(zhǎng)期3 種測(cè)試周期可以分別反映出無人駕駛系統(tǒng)不同側(cè)重情況下的表現(xiàn)情況。短期測(cè)試可以更好地體現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)輸效率，中期測(cè)試可以綜合反映絕大部分場(chǎng)景下的生產(chǎn)運(yùn)輸效率，長(zhǎng)期測(cè)試可以反映最貼近實(shí)際生產(chǎn)條件的生產(chǎn)運(yùn)輸效率。建議露天礦山無人駕駛生產(chǎn)企業(yè)可以在理想情況下，同時(shí)提供3 種測(cè)試周期下的生產(chǎn)效率結(jié)論，以便全面評(píng)估露天礦山無人駕駛性能。

根據(jù)礦山測(cè)試環(huán)境和驗(yàn)收時(shí)間因素，長(zhǎng)周期（運(yùn)營(yíng)工作效率）測(cè)試條件下的生產(chǎn)運(yùn)輸效率在實(shí)際驗(yàn)收中具備更接近實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證效果和參考價(jià)值，不能同時(shí)提供3 種測(cè)試結(jié)果的情況下，此測(cè)試方法可以綜合的反映最基本的無人駕駛系統(tǒng)和傳統(tǒng)有人駕駛系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)輸比較情況。此外，應(yīng)在無人駕駛運(yùn)輸效率的統(tǒng)計(jì)同時(shí)，同時(shí)開展功能和系統(tǒng)故障相關(guān)的統(tǒng)計(jì)工作。