一种露天矿山无人矿用卡车远程接管系统及其方法与流程

1.本发明涉及一种露天矿山无人矿用卡车远程接管系统及其方法，属于工程机械辅助驾驶技术领域。


背景技术：

2.随着无人驾驶技术在工程机械行业的应用，无人矿用卡车故障后或流程中断的场景中如何通过远程接管，快速恢复中断的流程或接管无人车辆返回维护是当前研究的热点。重点在于提高远程接管智能化和远程接管效率以及确保矿用卡车远程接管后的安全。
3.图1为露天矿山无人矿用卡车工作的现场图。调度系统8根据无人矿用卡车的状态通过通信基站6进行模式管理、任务分配。正常作业流程为无人矿用卡车在调度系统8和装载设备2的调度下进入装载区1进行装载作业，装载完成后经过结构化道路3进入卸载区4进行卸载作业，卸载完成后返回装载区1进行装载。调度系统8会进行一系列的调度管理。矿卡从交换区9切换无人，进行无人运输作业。卸料如果卸在平地或挡墙内，则通过推土机5把料清理.露天矿山路况比较复杂，装载区、卸载区以及道路两侧往往是悬崖或山体，无人运输区域内往往有很多台无人车辆作业。车辆出现故障或流程中断时，如何快速解决问题是保证整个系统效率的关键。远程接管过程中如何保证接管车辆的安全是系统安全运营的根基。
4.现有的远程接管方法未明确需要接管的故障分类，全靠远程接管人员判断是否应该接管，这种方法不仅对远程接管人员有很高的要求还导致接管效率比较低。针对远程接管后车辆的安全防护措施，现有的远程接管方案基本上是靠远程接管人员保障，安全保障的手段比较单一，有的远程接管方案增加了抬头显示功能，对实时掌握无人车辆的信息有帮助。由于车辆体积较大存在的盲区比较多，摄像头无法全方位覆盖且通信也有延迟，所以接管过程中车辆仍然具有较大的安全隐患。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种露天矿山无人矿用卡车远程接管系统及其方法，解决了现有技术中无人矿用卡车故障后或流程中断后，远程接管效率低，方法可靠性差、安全保障单一的问题。
6.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种露天矿山无人矿用卡车远程接管系统，包括车载系统、调度系统和远程接管系统，车载系统向调度系统反馈信息，信息包括车辆本体信息、车辆故障信息、车辆视频信息、车辆模式、车辆可接管状态；调度系统根据车载系统上传的信息自动生成相应的处理建议，或根据远程接管系统的申请授权远程接管指令，向车载系统下发调度信息，调度信息包括模式切换信息、急停
控制指令；远程接管系统在远程接管过程中向调度系统反馈自身状态信息，并根据接管建议主动向调度系统发出接管申请，状态信息包括远程接管系统的故障状态，通信状态，接管状态；远程接管系统在远程接管模式下时接收车载系统上传的碰撞信息、警示信息，并向车载系统下发相应的急停指令，车辆远程接管控制指令。
7.进一步地，前述车载系统包括主动防碰撞模块、故障监控和处理模块、通信安全监控模块以及控制指令仲裁模块，主动防碰撞模块包括感知模块和安全判断模块，能够实时监控车辆前后障碍物距离，并在障碍物距离车辆在安全距离内时实现主动安全停车；故障监控和处理模块能够监控车辆发生的故障，根据故障类型和等级生成相应故障码；通信安全监控模块实时监控通信过程中的网络通信安全；控制指令仲裁模块转发远程接管控制指令，控制车辆实现相应的限速、安全停车动作。
8.进一步地，前述调度系统包括模式管理模块、调度管理模块、边界防碰撞模块、远程接管授权和切换模块、故障管理模块，模式管理模块可以控制无人车辆的模式切换，切换模式包括有人模式、无人模式、远程接管模式，其中无人模式和远程接管模式下又包括暂停态和安全态；调度管理模块统一调度无人车辆和远程接管车辆，并警示远程接管人员注意避让无人车辆；边界防碰撞模块实时计算车辆位置与地图边界的距离；远程接管切换和授权模块发起远程接管建议和确认、审核；故障管理模块根据故障等级和故障类型，自动生成故障处理建议。
9.进一步地，前述远程接管系统包括急停模块、远程接管申请模块以及远程操作模块，急停模块用于和远程接管的车辆配对，控制车辆紧急停止，包括远程接管系统急停模块和调度系统急停模块；远程接管申请模块能够根据远程接管建议主动发起远程接管请求，退出时主动申请退出远程接管；远程操作模块能够远程控制车辆行驶和作业。
10.一种露天矿山无人矿用卡车远程接管方法，包括如下步骤：车载系统实时上传故障和接管标志；调度系统根据无人矿用卡车上传故障自动生成处理建议；远程接管系统根据调度系统接管建议发出接管请求；调度人员授权接管并通知接管人员；接管人员远程接管无人车辆；退出远程接管。
11.进一步地，前述车载系统实时上传故障和接管标志的步骤包括：故障监控和处理模块根据无人矿用卡车发生的故障事件进行分级，分级包括：无
故障运行、地形导致的流程中断、故障等级。其中故障等级分为n级、n 1级、n 2级；故障监控和处理模块根据故障等级向调度系统上传是否可接管标志：当发生的故障事件状态为无故障运行、地形导致的流程中断、故障等级n级、故障等级n 1级中的一种时，使能可接管标志，当发生的故障事件为最高故障等级n 2时，上传不可接管标志，并进入安全态。
12.进一步地，前述故障等级为n 2的故障主要包括：车辆本体影响行驶故障、无人系统程序异常终止故障、感知系统故障、定位系统故障；故障等级为n 1的故障包括：横纵向控制精度较低、行为异常故障、车辆本体不影响行驶故障、程序运行平台异常故障；故障等级n对应的异常包括：程序运行超时、本车系统警告类故障、装载和卸载时状态异常、货箱卡料。
13.进一步地，前述调度系统根据无人矿用卡车上传故障自动生成处理建议的步骤如下：当故障等级为n 2时，建议人工检查；当故障等级为n 1级、地形导致的流程中断、无故障运行中的一种时，建议远程接管；有人模式和无人模式下出现故障等级为n的故障时，会生成远程接管和等待故障恢复两种建议。
14.进一步地，前述远程接管系统根据调度系统接管建议发出接管请求的方法包括：远程接管系统中的远程接管申请模块根据故障管理模块的接管建议发出接管请求，远程接管申请模块接收到可接管标志时，根据其自身系统的状态向调度系统发出接管请求：若远程接管系统的状态达不到工作要求，则发送远程接管系统状态不达标无法接管的警示至调度系统的故障管理模块，故障管理模块升级故障处理建议为人工检查；若接管系统的状态达到要求，远程接管申请模块发送接管请求至调度系统。
15.进一步地，前述调度人员授权接管并通知接管人员的步骤包括：调度人员通过调度系统中的远程接管授权和切换模块授权远程接管请求，并在授权完成后通知远程接管人员；无人矿用卡车通过调度系统的模式管理模块切换为远程接管模式，且远程接管系统中急停模块和该接管的无人矿用卡车进行配对，若配对不成功，则调度人员拒绝远程接管请求。
16.进一步地，前述接管人员远程接管无人车辆的步骤包括：远程接管过程中，车载系统的故障监控和处理模块会实时监控车辆行为异常、车辆本体影响行驶故障，通信安全监控模块实时监控网络通信；若远程接管过程中出现行为异常或车辆本体影响行驶的故障后，车载系统的控制指令仲裁模块主动停止车辆并进入安全态，并进行故障处理升级，调度人员根据调度系统处理建议退出远程接管，通知相关人员进行故障排查；若远程接管过程中出现网络通信故障，则执行相应措施；若远程接管后系统正常工作，调度系统的调度管理模块根据车辆的位置信息参与
车辆调度，车载系统的主动防碰撞模块实时提供车辆位置信息，当远程接管车辆和无人车辆将要会车时，提示远程接管车辆避让无人车辆；调度系统的边界防碰撞模块根据车辆的位置信息实时计算车辆与地图边界的距离，当车辆与地图边界距离小于阈值时，故障管理模块下发紧急控制停车指令。
17.进一步地，前述主动防碰撞模块提示远程接管车辆避让无人车辆的具体方法包括：车辆前进时，当障碍物距离在r2~r3范围内时主动防碰撞模块发送警示信息提示远程接管人员提高注意力；当障碍物距离在r1~r2范围内时警示远程接管人员要采取减速或规避措施；当障碍物距离小于r1时，不管远程接管人员是否有停车指令，主动防碰撞模块下发紧急停车指令至控制指令仲裁模块，控制指令仲裁模块控制车辆安全停车，其中r1《r2《r3；车辆后退时，控制指令仲裁模块限制其最高速度不高于5km/h，当障碍物距离在r4~r5范围内时，主动防碰撞模块发送警示信息警示远程接管人员挺高注意力；当障碍物距离小于r4时，主动防碰撞模块发送紧急停车指令，其中r4《r5。
18.进一步地，前述障碍物距离r1、r2、r3、r4、r5是动态变化的，其值是根据车辆速度、车辆制动能力动态计算得到。
19.进一步地，前述若远程接管过程中出现网络通信故障，则执行相应措施的具体步骤包括：网络通信故障包括：通信延迟、心跳丢失、通信数据异常；若出现通信延迟故障后，主动警示远程接管人员；若出现心跳丢失后，控制指令仲裁模块主动控制停车并上报停车原因，当故障恢复后可正常继续远程接管行驶；若出现通信数据异常时，控制指令仲裁模块主动控制停车并进入安全态，故障管理模块进行故障处理升级，不允许继续远程接管，需要人工排查故障。
20.进一步地，前述接管人员远程接管无人车辆的步骤还包括：通信安全监控模块实时检查急停模块是否在线的网络通信状态，当急停模块离线时故障监控和处理模块发送紧急停指令至控制指令仲裁模块，控制指令仲裁模块控制紧急停车并进入暂停态；当急停装置恢复在线时才可继续接管行驶。
21.进一步地，前述退出远程接管的步骤如下：远程接管人员通过远程接管申请模块发出退出接管申请，调度系统确认并授权，模式管理模块控制退出远程接管模式并进入有人模式。
22.本发明所达到的有益效果：1、通过远程接管切换和授权模块、主动防碰撞模块、远程接管指令和安全指令仲裁模块、通信安全监控模块、故障监控和处理模块、急停模块实现了远程接管过程中的多重安全保护，可有效解决一般远程接管方法的可靠性差、安全保障单一的问题。
23.2、简化了人工介入事项，系统直接弹出故障处理建议，远程接管人员和调度人员只需要按照提示操作即可。
24.3、调度人员和远程接管人员都可通过急停模块急停远程接管的无人矿用卡车，实现了车辆安全急停的双重保护，避免因为远程接管人员注意力不集中引起的安全隐患。
附图说明
25.图1是露天矿山无人矿用卡车工作的现场图；图2是本发明系统组成图；图3是本发明方法流程图；图4是本发明无人矿用卡车的可接管状态和车辆故障关系图；图5是本发明主动防碰撞模块工作图。
26.图中附图标记的含义：1-装载区；2-装载设备；3-结构化道路；4-卸载区；5-推土机；6-通信基站；7-远程接管系统；8-调度系统；9-交换区。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
28.本实施例公开了一种露天矿山无人矿用卡车远程接管系统及其方法。
29.图2是露天矿山无人矿用卡车远程接管系统组成图，包括：车载系统、调度系统和远程接管系统。
30.车载系统包括：主动防碰撞模块、故障监控和处理模块、通信安全监控模块以及控制指令仲裁模块。主动防碰撞模块包括：感知模块和安全判断模块，能够实时监控车辆前后障碍物距离，并在障碍物距离车辆在安全距离内时实现主动安全停车；故障监控和处理模块能够监控车辆发生的故障，包括无人矿卡系统中各模块之间的通信故障、行为异常、软硬件异常等，根据故障类型和等级生成相应故障码；通信安全监控模块实时监控通信过程中的网络通信安全，包括通信连接性监控、通信延时监控、通信数据的有效性监控、通信数据的更新频率监控；控制指令仲裁模块转发远程接管控制指令，控制车辆实现相应的限速、安全停车等动作。
31.调度系统包括：模式管理模块、调度管理模块、边界防碰撞模块、远程接管授权和切换模块以及故障管理模块。模式管理模块可以控制无人车辆的模式切换，切换模式包括有人模式、无人模式、远程接管模式，其中无人模式和远程接管模式下又包括暂停态和安全态，车辆进入安全态后，禁止进行模式切换，禁止继续远程接管，必须人工介入处理；调度管理模块统一调度无人车辆和远程接管车辆，并警示远程接管人员注意避让无人车辆；边界防碰撞模块实时计算车辆位置与地图边界的距离；远程接管切换和授权模块发起远程接管建议和确认、审核；故障管理模块根据故障等级和故障类型，自动生成故障处理建议。
32.远程接管系统包括：急停模块、远程接管申请模块以及远程操作模块。 急停模块用于和远程接管的车辆配对，控制车辆紧急停止，包括远程接管系统急停模块和调度系统急停模块；远程接管申请模块能够根据远程接管建议主动发起远程接管请求，退出时主动申请退出远程接管；远程操作模块能够远程控制车辆行驶和作业。
33.图2中a01为车载系统反馈给调度系统的信息，包括：车辆本体信息（车辆位置、车速、档位、油门、制动等）、车辆故障信息、车辆视频信息、车辆模式、车辆可接管状态。图2中a02为调度系统下发给车载系统的调度信息，包括：模式切换信息、急停控制指令。
34.图2中a03为远程接管系统的状态信息反馈。反馈的状态信息包括：远程接管系统的故障状态，通信状态，接管状态。图2中a04为调度系统授权远程接管系统的远程接管指
令。
35.图2中a05为远程接管模式时车载系统上传远程接管系统的碰撞信息、警示信息。图2中a06为远程接管模式时的急停指令，车辆远程接管控制指令（档位、油门、制动、转角、货箱指令）。
36.本发明还涉及一种露天矿山无人矿用卡车远程接管方法，其步骤如图3所示：s101，车载系统实时上传故障和可接管标志：车载系统的故障监控和处理模块实时上传故障码和是否可接管标志至调度系统。故障监控和处理模块根据无人矿用卡车发生的故障等级使能可接管标志，故障等级与可接管标志的关系如图4所示。
37.无人矿用卡车的整体故障事件状态分为：无故障运行、地形导致的流程中断、故障等级。其中故障等级分为n级、n 1级、n 2级。
38.当发生的故障事件状态为无故障运行、地形导致的流程中断、故障等级n级、故障等级n 1级中的一种时，使能可接管标志。当发生的故障事件为最高故障等级n 2时，上传不可接管标志，并进入安全态。其中故障等级为n 2的故障主要包括：车辆本体影响行驶故障、无人系统程序异常终止故障、感知系统故障、定位系统故障。其中可接管的故障n 1级包括：横纵向控制精度较低、行为异常故障、车辆本体不影响行驶故障、程序运行平台异常故障。故障等级n对应的异常主要包括：程序运行超时、本车系统警告类故障（油位过低、油温过高等）、装载和卸载时状态异常、货箱卡料等。
39.s102，调度系统根据无人矿用卡车上传故障自动生成处理建议：调度系统中的故障管理模块根据车载系统上传的故障信息自动生成故障处理建议，其中故障管理模块是根据故障的分类和故障等级生成故障处理建议，处理建议包括：当故障等级为n 2时，建议人工检查；当故障等级为n 1级、地形导致的流程中断、无故障运行中的一种时，建议远程接管；有人模式和无人模式下出现故障等级为n的故障时，会生成远程接管和等待故障恢复两种建议，供调度人员选择。
40.s103，远程接管系统根据调度系统接管建议发出接管请求：远程接管系统中的远程接管申请模块根据故障管理模块的接管建议发出接管请求。其中，远程接管申请模块接收到可接管标志时，根据其自身系统的状态向调度系统发出接管请求。如果远程接管系统的状态达不到工作要求，则发送远程接管系统状态不达标无法接管的警示至调度系统的故障管理模块；如果接管系统的状态达到要求，远程接管申请模块发送接管请求至调度系统。在接管系统状态不达标无法接管时，调度系统的故障管理模块会进行故障处理升级，升级故障处理建议为人工检查。
41.s104，调度人员授权接管并通知接管人员：调度人员通过调度系统中的远程接管授权和切换模块授权远程接管请求，并在授权完成后通知远程接管人员，远程接管系统提示：接管请求已授权，可以正常远程接管操作。调度系统授权后，无人矿用卡车通过调度系统的模式管理模块切换为远程接管模式，此时远程接管系统中急停模块和该接管的无人矿用卡车进行配对。如果出现异常情况（无人矿卡周围有障碍物、急停模块和无人矿用卡车配对不成功），则调度人员拒绝远程接管请求，确保无人矿用卡车接管过程的安全性。
42.s105，接管人员远程接管无人车辆：远程接管行驶过程中，车载系统的故障监控和处理模块会实时监控车辆行为异常、车辆本体影响行驶故障、各模块异常；通信安全监控模块实时监控网络通信。其中车辆行为异常包括：档位异常、转向角度跟随异常、货箱异常、制
动异常、打滑异常、速度异常。车辆本体影响行驶故障包括：转向传感器故障、胎压和胎温不合理、油温异常、油位异常。网络通信故障主要包括：通信延迟、心跳丢失、通信数据异常。实施案例中对接收和发送的信息都进行模块的运行状态校验、通信实时性校验、数据有效性校验。
43.远程接管过程中出现行为异常或车辆本体影响行驶的故障后，车载系统的控制指令仲裁模块主动停止车辆并进入安全态，并进行故障处理升级，调度人员根据调度系统处理建议退出远程接管，通知相关人员进行故障排查。
44.当车载系统各子模块本身出现异常后，控制指令仲裁模块主动停车并进入安全状态，禁止继续进行远程接管行驶。调度系统中的故障管理模块提示该车辆不具备远程接管条件需要人工排查，并退出远程接管。
45.远程接管过程中出现网络通信延迟故障后，主动警示远程接管人员。出现心跳丢失后，控制指令仲裁模块主动控制停车并上报停车原因，当故障恢复后可正常继续远程接管行驶。出现通信数据异常时，控制指令仲裁模块主动控制停车并进入安全态，故障管理模块进行故障处理升级，不允许继续远程接管，需要人工排查故障。
46.当远程接管后系统正常工作时，车载系统的主动防碰撞模块实时提供车辆位置信息。调度系统的调度管理模块根据车辆的位置信息参与车辆调度，当远程接管车辆和无人车辆将要会车时，提示远程接管车辆避让无人车辆；调度系统的边界防碰撞模块根据车辆的位置信息实时计算车辆与地图边界的距离，其中地图边界是高精度定位车辆采集的实际路沿边界，车辆位置与地图边界的距离阈值是动态的，根据车辆速度和车辆制动性能计算得到的，当车辆与地图边界距离小于阈值时，故障管理模块下发紧急控制停车指令。
47.接管过程中主动防碰撞工作原理如图5所示。车辆前进时，当障碍物距离在r2~r3范围内时主动防碰撞模块发送警示信息提示远程接管人员提高注意力。当障碍物距离在r1~r2范围内时警示远程接管人员要采取减速或规避措施。当障碍物距离小于r1时，不管远程接管人员是否有停车指令，主动防碰撞模块下发紧急停车指令至控制指令仲裁模块，控制指令仲裁模块控制车辆安全停车。车辆后退时，控制指令仲裁模块限制其最高速度不高于5km/h，当障碍物距离在r4~r5范围内时，主动防碰撞模块发送警示信息警示远程接管人员挺高注意力；当障碍物距离小于r4时，主动防碰撞模块发送紧急停车指令。障碍物距离r1、r2、r3、r4、r5是动态变化的，其值是根据车辆速度、车辆制动能力动态计算得到。其中r1《r2《r3，r4《r5。
48.特别的，远程接管系统、调度系统都装有急停模块，出现异常情况时，远程接管人员和调度人员都可通过急停模块停止无人矿用卡车。实施案例中，通信安全监控模块实时检查急停模块是否在线的网络通信状态，当急停模块离线时故障监控和处理模块发送紧急停指令至控制指令仲裁模块，控制指令仲裁模块控制紧急停车并进入暂停态，只有急停模块恢复在线时才可继续接管行驶。
49.s106，退出远程接管：远程接管人员通过远程接管申请模块发出退出接管申请，调度系统确认并授权，模式管理模块控制退出远程接管模式并进入有人模式。
50.当无人矿用卡车因为地形原因导致流程中断或调度人员要求某辆无人矿用卡车远程接管时的工作原理为：调度人员通过调度系统暂停无人矿用卡车，模式管理模块切换远程接管模式，远程接管系统发送接管申请，调度人员确认并授权。无人矿用卡车跳转远程
接管模式，远程接管中心急停装置和该无人矿用卡车配对。
51.实施案例中，远程接管后的安全措施和故障后远程接管中的安全措施一致。主动防碰撞模块实时上传车辆位置，边界防碰撞模块实时计算与边界位置，根据位置关系实现与路沿的主动防碰撞，同时根据车辆位置提示接管人员主动避让无人车辆。故障监控和处理模块进行异常监控和处理，控制指令仲裁模块进行指令的仲裁。
52.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。