国内外露天矿山无人驾驶技术发展现状

2020-09-02刘伟芳

露天采矿技术 2020年4期

刘伟芳，吴迪

（1.三一智矿科技有限公司，北京102202；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083）

面对日益增长的能源资源的需求，熟练技工短缺造成的高昂人工成本，以及更严峻的国际竞争压力，矿业公司或集团正积极探索开发矿山的智能化建设，来面对更复杂、偏远的矿区开发，避免矿山开采、运输的人员安全健康问题，提高矿区的生产率，减少人力成本，以及智能化带来的节能环保等。在2014 年，SAE international（国际汽车工程协会）就无人驾驶制订了1 套自动驾驶汽车分级标准，将其分为L0～L56 个等级。行业专家认为SAE 分级标准缺少应用场景的划分，增加了另一维度“地理围栏”的概念，地理围栏划分了Geo1～Geo5的简单等级划分，从Geo1无人、低速、车流少的场景，如停车场、矿山等逐渐过渡至Geo5人多、杂乱的交通环境，如城乡结合部的道路。

由于矿山工作环境非常恶劣，且需要全天候运行，矿山运输无人驾驶技术成为推进了智能矿山建设关键点。作为智能矿山重要组成部分之一，矿山运输无人化可以从根本上解决驾驶人员的安全问题，降低人力成本，并能极大地提高矿山生产效率。近几年国内外矿区无人驾驶技术的发展突飞猛进，一方面得益于政府支持，另一方面是人工智能技术的兴起和发展。

1 智能矿山运输系统

目前，矿山智能化系统已经在全球少数矿山企业进行测试或实现部分系统功能。Eduardo Nebot[1]认为浅层次的智能/自动化系统是指作为操作人员或驾驶员的辅助系统，如同辅助工具，例如提供位置信息、碰撞警告或驾驶员增强功能。中层次的自动化是指用于运输、挖掘和装载的自动化机器，实现矿山某一系统或功能半自动化；完全的智能/自动化是指在一个完整的地上或地下系统内，将机械设备的GPS位置、运行状态信息融合成1 幅全景动态图像，然后利用它来发挥总体集群的协调作用。Accenture company[2]定义的智能矿山内的机械设备是不需要人员进行现场操作或远程控制的，智能化矿山运行只需要少量的人通过集成系统或平台进行调节或指挥。

智能矿山特点为矿山生产管理实现了从远程化、遥控化到自动化乃至无人化的过渡，采矿工艺实现了钻孔、爆破、铲、装、运智能化，选矿过程实现了智能化，生产调度管理系统实现了无缝化。

智能矿山运输系统是利用物联网平台传递信息，通过中央控制室的集成信息系统，由少量人员远程协调指挥相关设备挖掘机、装载机、卡车进行挖掘、装载、运输和卸载等运输作业流程，智能矿山运输网络系统[3]如图1。

图1 智能矿山运输网络系统

无人运输矿用卡车利用矿区数字地图进行路径规划，在运行过程中依靠车载摄像头、自动定位模块、传感器、自身运行状态监控等功能，实现自主驾驶、智能避障、车队协同控制、紧急停车等生产作业需求。在矿区调度管理室，调度员可进行统筹监控和管理，在必要时对车队的运行状态进行干预，以满足矿区生产需求。

2 国内露天矿山无人驾驶现状

2018 年9 月包钢集团、踏歌智行、北方股份、北京航空航天大学、中国移动、华为合作签约，共同推进世界最大的稀土露天矿山白云鄂博矿无人驾驶项目，实施“5G 网络条件下无人驾驶及操作的智慧矿山技术的开发及应用”。2018 年11 月踏歌智行在白云鄂博矿区完成了MT3600B、NTE150t 2 台大型矿卡和1 台同力90 t 宽体车的无人化升级改造和矿车无人驾驶管理系统开发，凭借国内领先的感知、控制、执行和智慧矿山运营管理系统等核心技术，实现了不同厂家、不同吨位车型混合编组测试运营的重大进展。白云鄂博矿区计划在2019 年底运行30 台自动驾驶矿车，2020 年计划在3 个矿区全部实现矿用车的无人化运行。

洛钼集团三道庄矿，早在2017 年就已经在国内率先运用无人采矿设备，但是之前采用的是4G 通讯，网络延时较长，远程操作画面较实际生产作业滞后较多，不能发挥远程遥控的优势。在2019 年3 月，三道庄矿业采用华为5G 通讯，在施工区域安装了9个5G 通讯基站，极大地提高了网络传输的效率，是国内首个无人采矿技术的真正应用。

由江铜集团、中国移动、华为、航天重工和山推股份联合打造出的国内首个有色矿山车联网。在江西首批5G 基站落户城门山铜矿后，积极开展5G 与矿业的融合，不断优化矿用车联网平台的智能驾驶系统，利用5G 网络低时延、高速率、高可靠性的特点，积极推进采矿设备智能化基础改造，实现控制精度达到厘米级的无人驾驶矿用卡车[4-5]。城门山铜矿是我国首家使用无人驾驶矿用车的有色露天矿山。矿车具有无人行驶、智能避障等功能，并实现与全球首台大马力5G 远程遥控推土机的联合作业。

2019 年11 月，河南能源焦煤公司与中国移动签订了5G 战略合作协议，这意味着河南省第1 个基于“5G＋”的无人矿山项目正式落户。该项目计划使10 台钻机、13 台挖掘机和60 台矿卡实现远程控制或者无人驾驶，将使露天矿区铲、装、运工序全部无人化，极大地提高生产效率和安全性，达到智慧矿山的要求[6]。按照项目实施后1 300 万t/a 的生产量，预计每年可节约人工成本1 000 万元，节省材料成本1 800 万元。

扎哈淖尔煤矿为我国自行设计、开发、建设的第1 座露天煤矿，目前扎哈淖尔煤业公司5G 基站已安装7 座5G 基站实现生产现场信号全覆盖。运输车辆安装的4 个摄像头利用环视模块的图像拼接，实现驾驶人员对车辆周围无盲区的观察，并通过5G网络秒传至安全监控中心，不仅消除了监管盲区，又提高了生产监管效率和效益[7]。

3 国外露天矿山无人驾驶现状

早在2005 年，智利国有铜业公司（Codelco）旗下最大的分公司北方铜矿公司（CodelcoNorte）已试运行小松公司的自动运输系统。该公司旗下最大的铜矿丘基卡马塔（Chuquicamata）铜矿为露天转井下矿山，该公司在露天开采收尾阶段由于运距太大，试运行矿卡的无人驾驶技术。该矿区于2018 年开始进行地下开采后，与罗克韦尔自动化公司通力协作，促使这座已有百年历史、规模居世界前列的露天铜矿实现技术升级，成为采用矿块崩落开采法的“超级崩落型”铜矿。这项先进开采技术的应用预计可将铜矿的服务年限延长40 年以上，提高生产效率从而实现更高的资产利用率。

森科尔能源公司（Suncor Energy）是加拿大第1家引进自动卡车的油砂公司，2013 年起，森科尔在其油类和采矿业务中测试“自动运输系统”，以确定GPS 辅助的卡车是否可以全年在油井工作。目前在阿尔伯塔省的North Steepbank 项目拥有9 辆自动卡车运输材料，每个矿场都有自己的控制中心来管理车辆，这些车辆已经按照油砂采矿等独有的条件运行。该公司计划从2019 年起将以North Steepbank 矿山为试点，在公司运营的矿山上分阶段实施自主运输系统（AHS），计划部署超过150 辆无人驾驶卡车，预计未来6 年内将减少约400 个重型设备操作员职位。

2013 年澳大利亚Fortescue Metals Group（FMG）与卡特彼勒（CAT）公司合作，在索罗门铁矿区（Solomon Hub 矿区）签订了全自动793F 矿用卡车协议，无人驾驶矿卡粉量从开始投入使用的8 台发展到目前的54 台。无人驾驶矿卡使矿区的运行效率提高了20%。

Brockman4 矿区是力拓集团2010 年投产的铁矿山，并成为附近矿山高技术操作的示范基地。它是皮尔巴拉扩建计划中的重要组成部分。Brockman4 目前的矿坑设计预计能够生产6 亿t 高端铁矿石（品位大于60%）和4.5 亿t 低品位矿石（品位50%~60%）。力拓Brockman 4 号矿区目前运行的29 辆830E 标准型自卸卡车上已安装小松公司的自动运输系统加装套件。

澳大利亚西部皮尔巴拉（Pilbara）铁矿区有16个铁矿场，4 个独立港口码头，1 700 km 的铁路网络。目前皮尔巴拉矿区拥有全球最大的无人驾驶卡车车队。这些在皮尔巴拉铁矿区运行的无人驾驶，是由距离1 500 km 外的佩斯市的操作运营中心远程控制。目前矿区超过130 台。截至2018 年2 月，自动运输卡车已运输超10 亿t 矿石。

4 矿山无人驾驶技术发展面临的问题

目前国内外的矿山都朝着智慧矿山的方向进行建设，并且有的矿山已企业尝试进行矿区无人驾驶技术的试验和应用，从目前的发展现状来看，主要存在以下几方面的问题：

1）矿区无人驾驶配套技术、管理水平、基础设施滞后。无人驾驶系统需与智能化开采技术、先进的矿区管理水平及网络通讯设施等进行相匹配，从而保证其正常运行。相比国外矿山，我国的自动化、智能化开采技术相对落后，先进设备推广力度不够，矿区网络、监控设施配套不全，这为我国智能开采设备的推广带来一定的困难。

2）矿山对新技术的接受需要时间。由于种种条件的限制，矿山行业本身带有一定的保守性，对无人驾驶等新兴技术的接受需要一定时间。随着互联网、人工智能、大数据、区块链等新兴科技已逐渐同传统行业相融合，并呈现出崭新的产业发展面貌，国内外以煤炭为主角的采矿业才开始在业内展露出对新思维、新理念的兴趣。智慧矿山的应用，有望改变这一现状。

3）5G 通讯网络系统建设成本较高。无人驾驶技术需利用5G 低延时、高速率的优势进行远程操作控制。2019 年是我国利用5G 进行无人驾驶应用的元年，但是目前5G 基站建设成本较高、覆盖区域小，几乎每100 m 就需要建设1 个5G 基站，这对于中小型矿区无疑是笔巨大的费用。此外，矿区生产领域随着采矿工作面的拓展及延深，需要通讯网络及时覆盖新的工作面，且不受爆破震动、恶劣天气等影响，这对矿区通讯建设及通讯技术的要求也较高。

4）无人驾驶核心技术突破的难度较大。无人驾驶是设备智能化的终极体现，它集中运用了工程机械、通信技术、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。在整个生产过程中，生产调度管理员应尽可能减少干预无人驾驶设备的运行。矿区无人驾驶的技术难点就是人工智能程序的编制，这对全球现有的人工智能技术是很大的考验。

5）各类无人驾驶产业资源分散不聚焦。目前，矿区无人驾驶发展的格局呈现出2 种趋势，传统工程机械生产厂家更倾向于渐进式自动化，以渐进自动驾驶的方式逐步提升施工作业体验，而新兴高科技公司是以人工智能方式进入完全自动无人驾驶，是在传统工程机械的基础上直接跨越到以无人驾驶。前者依靠的是长期积累的整车经验和在自动控制领域的核心优势，后者则是借由人工智能的大力发展整合传感器、感知算法、计算平台等技术以实现跨越式的发展。在目前的发展技术水平下，2 种发展方式各有利弊，双方有各自的营销方式但深入合作不够。