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        大國競爭靠工業(yè)，工業(yè)競爭在智能。在國家相繼出臺(tái)“中國制造2025”“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃”等一系列政策措施推進(jìn)我國工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的背景下，礦業(yè)作為關(guān)系我國經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，智能化是其發(fā)展的必由之路，可從本質(zhì)上提升礦山企業(yè)的核心競爭力，從而推動(dòng)我國礦業(yè)向安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色與可持續(xù)的目標(biāo)發(fā)展，在日益激烈的市場競爭中脫穎而出。

        國外礦山無人駕駛技術(shù)研發(fā)起步早，目前已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。放眼全球，美國的卡特彼勒、日本的小松把控著全球主要的無人駕駛礦卡市場，其中的澳大利亞成為無人礦卡的“試驗(yàn)田”，并在首次引入無人礦卡之后一步步深入與卡特彼勒和小松的合作。

        采礦行業(yè)作為我國發(fā)展歷史最久，經(jīng)歷了機(jī)械化、規(guī)?；闹卮髿v史變革，成為整個(gè)規(guī)模最大、技術(shù)水平最成熟的國家支柱行業(yè)。近年來煤炭行業(yè)與其他制造業(yè)一樣呈現(xiàn)出三大特征：一是生產(chǎn)效率增長逐漸放緩甚至趨于停滯，二是在勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺，成本也迅攀升，三是高污染高耗能的問題日益嚴(yán)重，資源環(huán)境壓力使成本優(yōu)勢逐漸喪失，所有的粗放式發(fā)展方式難以為繼。各企業(yè)積極探索基于信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)變革，在精益管理、降本增效等方面取得一定的成效。

        隨著國內(nèi)礦主的投入意愿逐漸增強(qiáng)，且逐漸意識(shí)到礦用無人駕駛是礦業(yè)的剛性需求；無人駕駛公司技術(shù)能力逐步提高、數(shù)據(jù)逐漸積累；主機(jī)廠車身可靠性和智能化程度逐步提高；5G商用在國內(nèi)對比國外的巨大優(yōu)勢；國外有商業(yè)樣板作為經(jīng)驗(yàn)參考；資本市場逐漸向細(xì)分可落地場景布局傾斜等等結(jié)合在一起，形成了礦用無人駕駛在國內(nèi)落地的基礎(chǔ)。

        2019年被稱為礦區(qū)無人化元年，2020年八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，鼓勵(lì)智慧礦山與礦區(qū)無人化發(fā)展。為了突破國外技術(shù)和硬件壟斷，國內(nèi)多家企業(yè)已開展自動(dòng)駕駛礦用卡車、遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)等相關(guān)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范，目前都處于試驗(yàn)與試商用階段。

        截至2021年1月底，國家能源集團(tuán)16個(gè)智能化煤礦示范工程已開工建設(shè)；智能化采煤工作面已建成25個(gè)，計(jì)劃年底建成65個(gè)；智能化掘進(jìn)工作面已建成10個(gè)，計(jì)劃年底建成43個(gè)；智能化選煤廠已建成5個(gè)，計(jì)劃年底建成19個(gè)；5個(gè)露天煤礦已開展無人駕駛礦用卡車現(xiàn)場測試，1個(gè)露天煤礦已實(shí)現(xiàn)5臺(tái)220噸無人駕駛礦用卡車編組重載運(yùn)行；已研發(fā)應(yīng)用5類21種煤礦機(jī)器人。

5G+無人駕駛系統(tǒng)圖

 

        在上灣煤礦建成世界首套8.8米超大采高智能工作面，在錦界煤礦建成國內(nèi)首個(gè)數(shù)字礦山示范礦井，在大柳塔煤礦建成世界首座智能煤礦地面集中控制中心。寶日希勒煤礦實(shí)現(xiàn)世界首個(gè)極寒工況“5G+無人駕駛”卡車編組重載運(yùn)行。黑岱溝及哈爾烏素露天煤礦率先在爆破作業(yè)中上線北斗定位和智能布孔系統(tǒng)，依靠安全保障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警和智能剎車等主動(dòng)安全駕駛功能。通過數(shù)字化實(shí)現(xiàn)無人化、少人化，有效提升礦山安全生產(chǎn)水平。

        小松：構(gòu)建AHS的商業(yè)優(yōu)勢

        上世紀(jì)末，隨著技術(shù)的不斷變革，小松研發(fā)的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)——AHS便有了雛形，小松也成為全球較早嘗到自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)甜頭的企業(yè)之一。截至2020年底，小松共有221輛裝備了AHS的車輛在全球部署。

        所謂AHS，即小松的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)，是一個(gè)綜合性的礦山車隊(duì)管理系統(tǒng)，2008年首次在智利銅礦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化部署。小松全球業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Brian Yureskes曾經(jīng)表示，自動(dòng)化系統(tǒng)中有一系列技術(shù)和設(shè)備，包括有人駕駛車輛、計(jì)算機(jī)輔助有人駕駛車輛、遠(yuǎn)程控制車輛，以及完全由人工智能操控的車輛。

        AHS由裝備了高精度定位能力GPS系統(tǒng)的車隊(duì)監(jiān)測中心管理，為每輛車指定運(yùn)輸目的地，車輛通過接收無線指令以合適的速度按照目標(biāo)路線運(yùn)行，卡車由GPS、控制中心無線指令(信息)和其它導(dǎo)引裝置來確定車輛在礦山的準(zhǔn)確坐標(biāo)以及周圍的情況，使得自卸車能在無人操作的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的裝載、運(yùn)輸和卸載循環(huán)的自動(dòng)運(yùn)行。

        AHS具備有人駕駛卡車和自動(dòng)化卡車協(xié)同工作的能力，依靠FrontRunner和Dispatch兩大系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其中，F(xiàn)rontRunner負(fù)責(zé)車輛操作和導(dǎo)航，Dispatch負(fù)責(zé)車隊(duì)管理、位置跟蹤和生產(chǎn)力優(yōu)化，二者相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)效益的最大化，被喻為左腦和右腦。

        使用FrontRunner實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化需要在卡車駕駛室座椅后方安裝一個(gè)控制箱，還有用于Wi-Fi和LTE連接的無線天線、GPS定位的一組陀螺儀、雷達(dá)、激光器。使用FrontRunner進(jìn)行卡車操作和交通控制，常常會(huì)遇到以下幾個(gè)場景：自動(dòng)卡車交互、有人駕駛車輛交互、防撞探測系統(tǒng)(CDS)、障礙探測系統(tǒng)(ODS)、緊急停車按鈕(ESB)。簡言之，F(xiàn)rontRunner能夠安全地操作每一輛自動(dòng)化卡車，同時(shí)還要跟蹤它們以及該區(qū)域內(nèi)全部有人駕駛車輛的位置，避免發(fā)生碰撞等事故。

        以有人駕駛車輛交互為例，一輛無人駕駛車輛和有人駕駛車輛交互時(shí)，F(xiàn)rontRunner對這兩種車輛進(jìn)行跟蹤、并掌握它們的行駛、會(huì)車和停車等運(yùn)行狀況，系統(tǒng)根據(jù)此信息和有人駕駛車輛的位置進(jìn)行自動(dòng)操作和交互管理。

        而Dispatch通過使用定制的硬件和軟件，可優(yōu)化卡車在裝載點(diǎn)和卸載點(diǎn)的任務(wù)分配，能生成操作員報(bào)告。同時(shí)，在AHS的運(yùn)營中，中央控制中心通常有2名操作人員，監(jiān)測著幾個(gè)顯示屏并不斷同采坑內(nèi)人員通信聯(lián)絡(luò)。據(jù)悉，當(dāng)一座礦山卸載點(diǎn)和開采位置在AHS系統(tǒng)中全部建立并完成定位后，一名訓(xùn)練有素的操作人員通?？梢赃\(yùn)行最多達(dá)30輛卡車。

        這種經(jīng)過精密計(jì)算的系統(tǒng)，不僅有效的提高了運(yùn)營效率，同時(shí)也可延長工作時(shí)間、減少人工成本。另一方面，優(yōu)化的自動(dòng)控制系統(tǒng)減少了車輛的突然加速或緊急轉(zhuǎn)向，使得輪胎使用壽命同比提高40%。業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式相比，自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)可降低15%以上的裝卸成本。

        卡特彼勒：智能采礦科技助力安全、高效采礦

        在礦區(qū)無人駕駛方面，卡特彼勒旗下的CAT MineStar (礦山之星)系統(tǒng)可以通過車隊(duì)、地形、探測、健康和命令五大智能模塊，更好地幫助客戶管理從物料跟蹤到車隊(duì)、設(shè)備健康、無人駕駛等各方面。通過使用傳感器、車載激光雷達(dá)和雷達(dá)系統(tǒng)等技術(shù)，CAT 無人駕駛礦用卡車在礦山實(shí)現(xiàn)全天候無人駕駛。在2013年卡特彼勒部署了首批6輛商用無人駕駛卡車，現(xiàn)在已經(jīng)有超過150輛，幫助近十家礦業(yè)公司運(yùn)輸鐵礦石、銅和油砂。

        “CAT MineStar (礦山之星)的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)(CAT Command for Hauling)已證明了其對采礦客戶的價(jià)值。這體現(xiàn)在卡特彼勒無人駕駛車隊(duì)在實(shí)現(xiàn)10億噸運(yùn)輸量的速度上?？ㄜ嚿a(chǎn)效率和利用率的提升、穩(wěn)定的運(yùn)營和成本降低為礦業(yè)公司帶來極大好處，他們的車隊(duì)快速發(fā)展壯大、產(chǎn)量持續(xù)增加。”卡特彼勒技術(shù)研發(fā)有限公司產(chǎn)品經(jīng)理Sean McGinnis表示。

        而在今年，卡特彼勒宣布，使用智能采礦技術(shù)(CatMineStarCommand)的無人駕駛自卸車運(yùn)輸量增加了10億噸，實(shí)現(xiàn)累計(jì)運(yùn)輸超30億噸的里程碑。對于此次取得的突破，卡特彼勒MineStar解決方案總監(jiān)吉姆·霍金斯(Jim Hawkins)表示：“自從超過運(yùn)輸20億噸的里程碑，我們?yōu)楦嗟牡V山配備了無人駕駛自卸車，并建立了世界上第一個(gè)由該系統(tǒng)控制運(yùn)輸?shù)牡狞S金開采場。”

        如今，CAT® 無人駕駛車隊(duì)主要由CAT® 793F卡車組成，載重量為227噸?？ㄜ囆吞?hào)的范圍也正在擴(kuò)大，卡特彼勒已經(jīng)開發(fā)并正在部署無人駕駛CAT® 797F(363噸有效載荷)和CAT® 789D(181噸有效載荷)卡車。

        日立：深扎工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 構(gòu)建礦區(qū)無人駕駛壁壘

        日立集團(tuán)成立于1910年，其前身則是久源礦業(yè)日立礦山的電機(jī)修理廠，雖然業(yè)務(wù)領(lǐng)域始終不斷拓展，但日立在能源的淵源從未中斷。如今，在備受矚目的礦區(qū)無人駕駛領(lǐng)域，日立也逐步走上了商業(yè)化的路途。

        此前，日立與澳大利亞電力公司Stanwell Corporation Limited合作，在距澳大利亞東部布里斯班內(nèi)陸約100公里的Meandu煤礦建立了一個(gè)無人駕駛的試驗(yàn)場，以測試配有中央控制系統(tǒng)、傾卸卡車模擬器和三輛配置了混合仿真器的傾卸卡車。其中自卸卡車是EH5000AC-3型號(hào)，挖掘機(jī)是EX3500。2021年初，Kinetic Meshreg無線網(wǎng)絡(luò)的提供商Rajant Corporation和澳大利亞日立建機(jī)合作，通過在澳大利亞煤礦中使用自主運(yùn)輸系統(tǒng)來提高運(yùn)營安全性和生產(chǎn)率。Rajant首席執(zhí)行官羅伯特·謝納(Robert Schena)透露，“在我們與日立共同在澳大利亞的煤礦部署中，目前有6輛自動(dòng)拖運(yùn)卡車正在生產(chǎn)。”到2020年至2021年，Rajant將其規(guī)模擴(kuò)大到超過45輛。

        目前，日立建機(jī)集團(tuán)正在為自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)(AHS)進(jìn)行開發(fā)和測試，以實(shí)現(xiàn)礦用自卸車的無人駕駛、自主操作。而車隊(duì)管理系統(tǒng)(FMS)在世界各地的露天煤礦都有廣泛的安裝跟蹤記錄，系統(tǒng)功能已從單純的自卸卡車調(diào)度管理擴(kuò)展到支持礦山的各種操作任務(wù)，包括從優(yōu)化自卸卡車的維護(hù)到根據(jù)要生產(chǎn)的物料或礦石含量的百分比估算采礦質(zhì)量和產(chǎn)量。值得一提的是，車隊(duì)管理系統(tǒng)(FMS)在日立工程機(jī)械的自主運(yùn)輸系統(tǒng)(AHS)的基礎(chǔ)上扮演著重要角色。

        在礦區(qū)方面，日立的目標(biāo)是比肩卡特和小松，雖然在這方面日立并不占優(yōu)勢，起步時(shí)間也晚于兩者，但日立十分清楚自己的優(yōu)勢所在，大數(shù)據(jù)、AI以及混合模擬技術(shù)等才是自己進(jìn)軍礦區(qū)無人駕駛的著力點(diǎn)。只有在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域深扎，才能構(gòu)建礦區(qū)無人駕駛的壁壘。

        準(zhǔn)能集團(tuán)：鏈接上下游推動(dòng)礦用車輛無人駕駛

        準(zhǔn)能集團(tuán)“露天煤礦礦用自卸車無人駕駛系統(tǒng)”科技創(chuàng)新項(xiàng)目于2018年5月被國家能源集團(tuán)批立項(xiàng)。2019年，該公司與航天重工、株洲中車達(dá)成最終合作意向，由兩家公司無費(fèi)用各承擔(dān)一臺(tái)礦用卡車的無人駕駛系統(tǒng)研制，并在黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦開展工業(yè)性試驗(yàn)。

        該項(xiàng)目通過搭建一套包括地面控制中心系統(tǒng)、車地?zé)o線通信系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)等完整的無人駕駛控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦用自卸車“裝、運(yùn)、卸”典型作業(yè)過程的完全無人自主運(yùn)行，并能夠與鉆機(jī)、電鏟、推土機(jī)、平路機(jī)等露天煤礦作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備配合工作。

        從2020年6月18日起，由航天重工研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的無人駕駛系統(tǒng)開始在930E礦用卡車上實(shí)施現(xiàn)場改造，先后完成整車線控化改造、無人駕駛車載傳感器安裝、作業(yè)區(qū)域地圖采集與制作、無人駕駛循跡行駛測試、機(jī)群系統(tǒng)與無人礦卡協(xié)同作業(yè)調(diào)試等工作。目前，改造后的車輛已在全程3.6公里的測試區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、上下坡、裝載和卸載等無人駕駛功能。

        據(jù)航天重工自動(dòng)駕駛系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理丁國徐介紹，額定載重290噸的930E電動(dòng)輪自卸礦用卡車是目前全球最大的無人駕駛礦用卡車。針對該車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，現(xiàn)已完成自動(dòng)行駛功能，下一步研發(fā)團(tuán)隊(duì)將為它裝上“眼睛”和“大腦”，以精準(zhǔn)識(shí)別道路上的障礙物。

        而作為項(xiàng)目甲方，為了加快實(shí)施進(jìn)度，準(zhǔn)能集團(tuán)成立了項(xiàng)目管理小組，多家單位和部門共同參與、通力合作，分別負(fù)責(zé)項(xiàng)目全過程管理、安全管理、采礦方案制定、改造設(shè)備技術(shù)資料提供、礦用自卸車和裝載設(shè)備提供、維修人員和密閉場地提供、協(xié)調(diào)無人駕駛項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)接口等各項(xiàng)工作。同時(shí)，從2020年7月起，項(xiàng)目管理小組每周召開推進(jìn)會(huì)，協(xié)調(diào)解決項(xiàng)目一周實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題。

        據(jù)了解，黑岱溝與哈爾烏素兩個(gè)露天煤礦現(xiàn)有礦用自卸車200臺(tái)，司機(jī)配置800余人。近年來，露天礦運(yùn)輸作業(yè)存在招工難、效率低、運(yùn)營成本高等難題，人工智能的發(fā)展為此提供了全新的解決方案。

        礦用車輛無人駕駛技術(shù)能夠有效提升露天煤礦現(xiàn)有運(yùn)輸裝備工作效率，最大限度降低人員的參與，特別是在惡劣環(huán)境和天氣下，在降低人工成本、改善職工作業(yè)環(huán)境的同時(shí)，減少安全事故的發(fā)生，帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。