2. 矿山场景与需求分析
无人矿卡自动驾驶系统的设计起点，不是算法，而是矿山场景本身。露天矿与井工矿在空间形态、作业组织、运输对象和安全约束上存在根本差异，直接决定了感知方案、定位方式、通信架构和调度策略的不同。本节从场景差异出发，梳理作业流程、运输循环、安全要求与无人化需求，为后续系统设计建立需求基线。
一、露天矿与井工矿的场景差异
露天矿是开放式台阶式开采，矿卡在宽阔的台阶工作面与破碎站、排土场之间往返，空间开阔、GNSS 信号可用、视野良好，主要挑战在于粉尘、雨雪、扬尘遮挡和重载长下坡的制动热管理。井工矿则处于地下受限巷道，断面狭窄、弯道多、无 GNSS 信号，需依赖 UWB、激光 SLAM 或巷道标识定位，同时面临通风、瓦斯、顶板与行人混行的复合风险。
| 对比维度 | 露天矿 | 井工矿 |
|---|---|---|
| 空间形态 | 开放台阶、坡道、宽阔平盘 | 受限巷道、硐室、窄断面 |
| 定位方式 | GNSS+RTK 为主，惯导辅助 | UWB/激光 SLAM/巷道标识 |
| 感知重点 | 远距离障碍、边坡、扬尘 | 近距巷道壁、行人、管线 |
| 通信条件 | 4G/5G 公网或专网覆盖较好 | 漏缆、Wi-Fi、5G 井下专网 |
| 主要风险 | 滑坡、盲区、制动失效 | 瓦斯、顶板、通风、视线遮挡 |
| 无人化难点 | 动态会车、装卸精准对位 | 无 GNSS、窄道避让、通信时延 |
二、典型作业流程与运输循环
无论露天还是井工，矿卡运输都遵循“空载去程—装载—重载回程—卸载”的循环逻辑，但节点动作差异明显。露天矿的循环通常为：调度派车 → 空载驶向电铲/装载机 → 排队等待 → 精准对位装料 → 重载驶向破碎站或排土场 → 排队卸料 → 空载返回。井工矿则增加井口/巷道口交接、井下会车让行、通风门通过等环节。
三、安全要求与无人化需求
矿山安全规程对有人驾驶矿卡提出了明确要求，无人化并非降低标准，而是将安全责任转移到系统层面。核心安全要求包括：车辆必须保持安全车距与限速，坡道行驶需具备失效制动能力，装卸区域需设置人员隔离，井下必须满足瓦斯与通风监测联动。无人化需求则进一步提出：
- 全时感知冗余：激光雷达、毫米波雷达、摄像头多源融合，覆盖扬尘、逆光、夜间与井下低照度。
- 定位连续性：露天依赖 GNSS+RTK+惯导，井工依赖 UWB/激光 SLAM，需在信号丢失时保持短时航位推算。
- 通信低时延高可靠：调度指令、远程接管、紧急停车需在百毫秒级完成，井下需解决多径与遮挡。
- 装卸精准控制：对位误差通常要求控制在厘米级，避免碰撞电铲、溜井或破碎站。
- 故障安全导向：任何感知、定位、通信或制动故障，车辆应自动降速并停靠至安全区域。
需求基线示例：某露天矿无人矿卡关键指标——定位误差 ≤ 0.2 m，障碍物检测距离 ≥ 80 m，通信时延 ≤ 100 ms，装卸对位误差 ≤ 0.1 m，紧急制动响应 ≤ 0.5 s。
四、案例与常见误区复盘
以北方某露天煤矿为例，初期直接套用城市自动驾驶方案，结果在扬尘天气下激光雷达点云衰减严重，GNSS 多路径导致定位跳变，重载下坡时制动热衰退引发险情。复盘后采取三项改进：一是增加毫米波雷达与热成像作为扬尘冗余；二是引入惯导与轮速融合，在 GNSS 失锁 30 s 内保持定位；三是将下坡限速与制动温度联动，超温自动降速。改造后运输循环效率提升约 12%，接管率下降明显。
常见误区：把露天矿方案直接搬到井工矿。井工矿无 GNSS、巷道狭窄、通信遮挡严重，必须重新设计定位与通信架构；同时井下瓦斯环境要求车辆具备防爆认证，电气与传感器选型与露天完全不同。
综上，矿山场景与需求分析的核心结论是：露天矿与井工矿必须分别建立场景模型与需求基线，运输循环的每个节点都要明确安全约束与无人化指标，才能为后续感知、定位、调度与车辆控制设计提供可验证的输入。