世界首个无人矿卡驶向极寒矿山:告别“人受罪”、“车罢工”


随着5G、大数据、人工智能、物联网等技术逐渐进入工业领域,无人驾驶的春风从城市吹到了呼伦贝尔草原的矿山上。

9月15日,国家能源集团雁宝能源联合航天重型工程装备有限公司、青岛慧拓智能机器有限公司共同研制的极寒型复杂气候环境露天煤矿无人驾驶矿卡项目,顺利通过中国煤炭工业协会组织的工业性示范运行安全评审、科技成果鉴定及国家能源集团组织的项目验收。这一天,安全员全部下车,5台矿卡彻底实现了无人模式。

世界首个无人矿卡驶向极寒矿山:告别“人受罪”、“车罢工”

国家能源集团雁宝能源宝日希勒露天煤矿副矿长徐煦在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时提到,“该项目在5G独立组网应用、双控双驾改造、深度融合感知、防车辙均衡碾压、路径规划、自适应控制、地图自动采集、无人运输仿真等10余项关键技术方面实现了重大突破,为无人矿卡安全、高效、稳定运行提供了可靠保障。”

国家能源集团宝日希勒露天煤矿位于内蒙古呼伦贝尔草原中部,冬季最低气温可达零下50摄氏度,极寒天气限制着矿区的生产作业,不仅“人受罪”,车也经常“罢工”。

目前,该矿卡编组及有关控制系统已经受住去年零下42℃的低温考验。截至今年8月,该项目无人驾驶矿卡累计编组运行5万余公里,土方运输量60余万立方米,最高运行速度可达每小时40千米,赶超有人驾驶规定的每小时30千米。

技术突破

2020年2月,国家能源局联合国家发展改革委、应急部等8部门印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,文件明确了煤矿智能化的发展目标和具体任务,提出到2021年建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿,到2025年大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化。今年,国家能源局、国家矿山安全监察局又联合发布了《煤矿智能化建设指南(2021年版)》,对煤矿的操作系统等重要技术能力提出了明确判断和重点发展需求。

“这是我们智能化矿山建设的一个先期示范性项目”,徐煦表示,这也是世界首个在极寒(零下40摄氏度以下)环境下实现大型矿用自卸卡车无人驾驶编组运行项目。

对于如何保证温度极低的情况下矿卡能够正常运转?

徐煦解释,通过研究温控系统以及采用耐低温元件相结合方式,保障无人驾驶卡车在零下50℃的极寒天气能够可靠安全运行。在激光雷达、毫米波雷达、控制器等主要设备上加入温度控制系统,并通过云端实时监控管理温控系统调节设备工作温度,从而使系统运行在合理的温度范围内,保障系统稳定运行。

除了极寒天气下的专项技术突破,该项目在5G、无人驾驶方面的发展为全球矿山智能化升级提供了借鉴方案。

通过与中国移动的合作,该项目攻克了露天矿网络传输速度慢、5G网络部署难的问题;通过开发道路均衡碾压技术,无人驾驶车辆可进行安全可控范围内的横向自移动,从而攻克无人矿卡行驶路线单一、反复碾压造成的车辙问题;通过融合感知技术,精准把握矿区的复杂环境,及时更新地图……

无人化改造

依托5G网络建设,该项目搭建了一套完整的无人驾驶控制系统,同时对5台220吨矿卡进行无人驾驶改造,实现矿用自卸车“装、运、卸”典型作业过程的完全无人自主运行。

世界首个无人矿卡驶向极寒矿山:告别“人受罪”、“车罢工”

徐煦解释,这里的无人化技术改造包含两部分,分别是线控系统改造和无人驾驶系统安装部署。线控系统改造采用双控双驾线控技术,包含驱动系统、制动系统、故障诊断系统、无人驾驶行车警示系统、冗余安全控制系统、自动温控系统等。

无人驾驶系统安装部署采用了平行驾驶技术,分为硬件系统层和软件系统层。硬件系统改造主要是在车辆上加装一系列传感器,包括激光雷达、毫米波雷达、V2X通信设备等,实现车辆感知与定位数据的获取、无人驾驶算法数据处理;软件系统是整个车端自动自动驾驶系统的核心技术所在,既包含用于实现业务功能的车载作业模块,还包括感知与定位、决策与规划、控制模块、人机交互GUI等,各模块分工合作,通过信息交互实现矿卡的自动驾驶功能。

整套无人驾驶系统可分为设备端、传输端、中心端,设备端主要包括无人矿卡系统、协同作业系统(电铲、推土机、辅助车辆等)、路侧协同感知系统;传输端是连接云端调度与车端通信的管道,支持4G/5G/V2X/Mesh等多种通信方式,且可以通过多种通信方式实现高精度差分定位信号的传输;中心端包含云端智能调度管理系统、无人运输仿真系统、远程应急接管系统,三大层级七大系统互相协作构成整个智能无人驾驶系统。

无人矿卡技术落地后,徐煦为我们算了一笔账,之前5台矿卡四班三倒通常需要20个人,现在只需要4个人。叠加作业效率的提高、无人技术发展提升配件寿命,如提高轮胎寿命、优化燃油效率等将释放更多的降本价值。

智能化仍需砥砺深耕

徐煦认为,一方面,我们肯定无人矿卡的发展成果和未来趋势,但另一方面,行业也要看到无人矿卡还有亟待提高的地方。

世界首个无人矿卡驶向极寒矿山:告别“人受罪”、“车罢工”

首先,在矿山环境复杂、道路条件不好、矿卡作业场景狭小等背景下,要求无人矿卡具备极高的灵活度。

在矿区,随着开采进度的变化,无人矿卡所处的道路、5G基站、作业面都处在变化当中,涉及道路重新规划、地图更新、5G基站迁移等诸多问题,因而,未来仍需深入发展这一特殊场景下无人矿卡的灵活应用程度,以期其实现“因地制宜”。

其次,进一步发展无人矿卡装载区域及其在卸载区域与电铲、推土机的深度融合技术。

露天煤矿的开采原理是把煤层上面的砂岩剥离开,使用矿卡运输至排土场排弃,原煤露出后再使用矿卡运输到破碎站破碎、分离,然后传送至储煤仓,这一过程需要推土机、电铲等作业车辆联合完成。徐煦表示,在智能作业管理与监控系统统一调度管理下,无人矿卡可与各类辅助作业车辆实现协同混编作业,但如何进一步提高无人矿卡装载和卸载机的效率仍值得探索。

再者,全开放环境下的无人驾驶技术短期内较难实现,从目前的单独作业面到未来的多道路、多设备联合混编作业需要更多技术和场景突破。

国家能源集团雁宝能源宝日希勒露天煤矿无人矿卡项目是矿山智能化发展的一个标杆,也是行业智能化转型的一个缩影,其看到的问题也是整个行业未来需要攻克的难题。矿山智能化发展是一项系统工程,需要政策激励、装备投入、技术创新等多个环节支撑,需要与不同行业联结,共谋升级转型路径,进而凝练出一条可复制的智能化发展模式、技术、管理经验等,实现向其他矿井的推广应用。