劉偉芳，吳 迪

（1.三一智礦科技有限公司，北京102202；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

面對(duì)日益增長(zhǎng)的能源資源的需求，熟練技工短缺造成的高昂人工成本，以及更嚴(yán)峻的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)壓力，礦業(yè)公司或集團(tuán)正積極探索開(kāi)發(fā)礦山的智能化建設(shè)，來(lái)面對(duì)更復(fù)雜、偏遠(yuǎn)的礦區(qū)開(kāi)發(fā)，避免礦山開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)娜藛T安全健康問(wèn)題，提高礦區(qū)的生產(chǎn)率，減少人力成本，以及智能化帶來(lái)的節(jié)能環(huán)保等。在2014 年，SAE international（國(guó)際汽車(chē)工程協(xié)會(huì)）就無(wú)人駕駛制訂了1 套自動(dòng)駕駛汽車(chē)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將其分為L(zhǎng)0～L56 個(gè)等級(jí)。行業(yè)專(zhuān)家認(rèn)為SAE 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)缺少應(yīng)用場(chǎng)景的劃分，增加了另一維度“地理圍欄”的概念，地理圍欄劃分了Geo1～Geo5的簡(jiǎn)單等級(jí)劃分，從Geo1無(wú)人、低速、車(chē)流少的場(chǎng)景，如停車(chē)場(chǎng)、礦山等逐漸過(guò)渡至Geo5人多、雜亂的交通環(huán)境，如城鄉(xiāng)結(jié)合部的道路。

由于礦山工作環(huán)境非常惡劣，且需要全天候運(yùn)行，礦山運(yùn)輸無(wú)人駕駛技術(shù)成為推進(jìn)了智能礦山建設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)。作為智能礦山重要組成部分之一，礦山運(yùn)輸無(wú)人化可以從根本上解決駕駛?cè)藛T的安全問(wèn)題，降低人力成本，并能極大地提高礦山生產(chǎn)效率。近幾年國(guó)內(nèi)外礦區(qū)無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一方面得益于政府支持，另一方面是人工智能技術(shù)的興起和發(fā)展。

1 智能礦山運(yùn)輸系統(tǒng)

目前，礦山智能化系統(tǒng)已經(jīng)在全球少數(shù)礦山企業(yè)進(jìn)行測(cè)試或?qū)崿F(xiàn)部分系統(tǒng)功能。Eduardo Nebot[1]認(rèn)為淺層次的智能/自動(dòng)化系統(tǒng)是指作為操作人員或駕駛員的輔助系統(tǒng)，如同輔助工具，例如提供位置信息、碰撞警告或駕駛員增強(qiáng)功能。中層次的自動(dòng)化是指用于運(yùn)輸、挖掘和裝載的自動(dòng)化機(jī)器，實(shí)現(xiàn)礦山某一系統(tǒng)或功能半自動(dòng)化；完全的智能/自動(dòng)化是指在一個(gè)完整的地上或地下系統(tǒng)內(nèi)，將機(jī)械設(shè)備的GPS位置、運(yùn)行狀態(tài)信息融合成1 幅全景動(dòng)態(tài)圖像，然后利用它來(lái)發(fā)揮總體集群的協(xié)調(diào)作用。Accenture company[2]定義的智能礦山內(nèi)的機(jī)械設(shè)備是不需要人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作或遠(yuǎn)程控制的，智能化礦山運(yùn)行只需要少量的人通過(guò)集成系統(tǒng)或平臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)或指揮。

智能礦山特點(diǎn)為礦山生產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)了從遠(yuǎn)程化、遙控化到自動(dòng)化乃至無(wú)人化的過(guò)渡，采礦工藝實(shí)現(xiàn)了鉆孔、爆破、鏟、裝、運(yùn)智能化，選礦過(guò)程實(shí)現(xiàn)了智能化，生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫化。

智能礦山運(yùn)輸系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳遞信息，通過(guò)中央控制室的集成信息系統(tǒng)，由少量人員遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)指揮相關(guān)設(shè)備挖掘機(jī)、裝載機(jī)、卡車(chē)進(jìn)行挖掘、裝載、運(yùn)輸和卸載等運(yùn)輸作業(yè)流程，智能礦山運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]如圖1。

圖1 智能礦山運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

無(wú)人運(yùn)輸?shù)V用卡車(chē)?yán)玫V區(qū)數(shù)字地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，在運(yùn)行過(guò)程中依靠車(chē)載攝像頭、自動(dòng)定位模塊、傳感器、自身運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)自主駕駛、智能避障、車(chē)隊(duì)協(xié)同控制、緊急停車(chē)等生產(chǎn)作業(yè)需求。在礦區(qū)調(diào)度管理室，調(diào)度員可進(jìn)行統(tǒng)籌監(jiān)控和管理，在必要時(shí)對(duì)車(chē)隊(duì)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，以滿(mǎn)足礦區(qū)生產(chǎn)需求。

2 國(guó)內(nèi)露天礦山無(wú)人駕駛現(xiàn)狀

2018 年9 月包鋼集團(tuán)、踏歌智行、北方股份、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)移動(dòng)、華為合作簽約，共同推進(jìn)世界最大的稀土露天礦山白云鄂博礦無(wú)人駕駛項(xiàng)目，實(shí)施“5G 網(wǎng)絡(luò)條件下無(wú)人駕駛及操作的智慧礦山技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”。2018 年11 月踏歌智行在白云鄂博礦區(qū)完成了MT3600B、NTE150t 2 臺(tái)大型礦卡和1 臺(tái)同力90 t 寬體車(chē)的無(wú)人化升級(jí)改造和礦車(chē)無(wú)人駕駛管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，憑借國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的感知、控制、執(zhí)行和智慧礦山運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同廠家、不同噸位車(chē)型混合編組測(cè)試運(yùn)營(yíng)的重大進(jìn)展。白云鄂博礦區(qū)計(jì)劃在2019 年底運(yùn)行30 臺(tái)自動(dòng)駕駛礦車(chē)，2020 年計(jì)劃在3 個(gè)礦區(qū)全部實(shí)現(xiàn)礦用車(chē)的無(wú)人化運(yùn)行。

洛鉬集團(tuán)三道莊礦，早在2017 年就已經(jīng)在國(guó)內(nèi)率先運(yùn)用無(wú)人采礦設(shè)備，但是之前采用的是4G 通訊，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較長(zhǎng)，遠(yuǎn)程操作畫(huà)面較實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)滯后較多，不能發(fā)揮遠(yuǎn)程遙控的優(yōu)勢(shì)。在2019 年3 月，三道莊礦業(yè)采用華為5G 通訊，在施工區(qū)域安裝了9個(gè)5G 通訊基站，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，是?guó)內(nèi)首個(gè)無(wú)人采礦技術(shù)的真正應(yīng)用。

由江銅集團(tuán)、中國(guó)移動(dòng)、華為、航天重工和山推股份聯(lián)合打造出的國(guó)內(nèi)首個(gè)有色礦山車(chē)聯(lián)網(wǎng)。在江西首批5G 基站落戶(hù)城門(mén)山銅礦后，積極開(kāi)展5G 與礦業(yè)的融合，不斷優(yōu)化礦用車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能駕駛系統(tǒng)，利用5G 網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高速率、高可靠性的特點(diǎn)，積極推進(jìn)采礦設(shè)備智能化基礎(chǔ)改造，實(shí)現(xiàn)控制精度達(dá)到厘米級(jí)的無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)[4-5]。城門(mén)山銅礦是我國(guó)首家使用無(wú)人駕駛礦用車(chē)的有色露天礦山。礦車(chē)具有無(wú)人行駛、智能避障等功能，并實(shí)現(xiàn)與全球首臺(tái)大馬力5G 遠(yuǎn)程遙控推土機(jī)的聯(lián)合作業(yè)。

2019 年11 月，河南能源焦煤公司與中國(guó)移動(dòng)簽訂了5G 戰(zhàn)略合作協(xié)議，這意味著河南省第1 個(gè)基于“5G＋”的無(wú)人礦山項(xiàng)目正式落戶(hù)。該項(xiàng)目計(jì)劃使10 臺(tái)鉆機(jī)、13 臺(tái)挖掘機(jī)和60 臺(tái)礦卡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或者無(wú)人駕駛，將使露天礦區(qū)鏟、裝、運(yùn)工序全部無(wú)人化，極大地提高生產(chǎn)效率和安全性，達(dá)到智慧礦山的要求[6]。按照項(xiàng)目實(shí)施后1 300 萬(wàn)t/a 的生產(chǎn)量，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約人工成本1 000 萬(wàn)元，節(jié)省材料成本1 800 萬(wàn)元。

扎哈淖爾煤礦為我國(guó)自行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、建設(shè)的第1 座露天煤礦，目前扎哈淖爾煤業(yè)公司5G 基站已安裝7 座5G 基站實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)全覆蓋。運(yùn)輸車(chē)輛安裝的4 個(gè)攝像頭利用環(huán)視模塊的圖像拼接，實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)藛T對(duì)車(chē)輛周?chē)鸁o(wú)盲區(qū)的觀察，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)秒傳至安全監(jiān)控中心，不僅消除了監(jiān)管盲區(qū)，又提高了生產(chǎn)監(jiān)管效率和效益[7]。

3 國(guó)外露天礦山無(wú)人駕駛現(xiàn)狀

早在2005 年，智利國(guó)有銅業(yè)公司（Codelco）旗下最大的分公司北方銅礦公司（CodelcoNorte）已試運(yùn)行小松公司的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)。該公司旗下最大的銅礦丘基卡馬塔（Chuquicamata）銅礦為露天轉(zhuǎn)井下礦山，該公司在露天開(kāi)采收尾階段由于運(yùn)距太大，試運(yùn)行礦卡的無(wú)人駕駛技術(shù)。該礦區(qū)于2018 年開(kāi)始進(jìn)行地下開(kāi)采后，與羅克韋爾自動(dòng)化公司通力協(xié)作，促使這座已有百年歷史、規(guī)模居世界前列的露天銅礦實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，成為采用礦塊崩落開(kāi)采法的“超級(jí)崩落型”銅礦。這項(xiàng)先進(jìn)開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用預(yù)計(jì)可將銅礦的服務(wù)年限延長(zhǎng)40 年以上，提高生產(chǎn)效率從而實(shí)現(xiàn)更高的資產(chǎn)利用率。

森科爾能源公司（Suncor Energy）是加拿大第1家引進(jìn)自動(dòng)卡車(chē)的油砂公司，2013 年起，森科爾在其油類(lèi)和采礦業(yè)務(wù)中測(cè)試“自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)”，以確定GPS 輔助的卡車(chē)是否可以全年在油井工作。目前在阿爾伯塔省的North Steepbank 項(xiàng)目擁有9 輛自動(dòng)卡車(chē)運(yùn)輸材料，每個(gè)礦場(chǎng)都有自己的控制中心來(lái)管理車(chē)輛，這些車(chē)輛已經(jīng)按照油砂采礦等獨(dú)有的條件運(yùn)行。該公司計(jì)劃從2019 年起將以North Steepbank 礦山為試點(diǎn)，在公司運(yùn)營(yíng)的礦山上分階段實(shí)施自主運(yùn)輸系統(tǒng)（AHS），計(jì)劃部署超過(guò)150 輛無(wú)人駕駛卡車(chē)，預(yù)計(jì)未來(lái)6 年內(nèi)將減少約400 個(gè)重型設(shè)備操作員職位。

2013 年澳大利亞Fortescue Metals Group（FMG）與卡特彼勒（CAT） 公司合作，在索羅門(mén)鐵礦區(qū)（Solomon Hub 礦區(qū)）簽訂了全自動(dòng)793F 礦用卡車(chē)協(xié)議，無(wú)人駕駛礦卡粉量從開(kāi)始投入使用的8 臺(tái)發(fā)展到目前的54 臺(tái)。無(wú)人駕駛礦卡使礦區(qū)的運(yùn)行效率提高了20%。

Brockman4 礦區(qū)是力拓集團(tuán)2010 年投產(chǎn)的鐵礦山，并成為附近礦山高技術(shù)操作的示范基地。它是皮爾巴拉擴(kuò)建計(jì)劃中的重要組成部分。Brockman4 目前的礦坑設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)能夠生產(chǎn)6 億t 高端鐵礦石（品位大于60%）和4.5 億t 低品位礦石（品位50%~60%）。力拓Brockman 4 號(hào)礦區(qū)目前運(yùn)行的29 輛830E 標(biāo)準(zhǔn)型自卸卡車(chē)上已安裝小松公司的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)加裝套件。

澳大利亞西部皮爾巴拉（Pilbara）鐵礦區(qū)有16個(gè)鐵礦場(chǎng)，4 個(gè)獨(dú)立港口碼頭，1 700 km 的鐵路網(wǎng)絡(luò)。目前皮爾巴拉礦區(qū)擁有全球最大的無(wú)人駕駛卡車(chē)車(chē)隊(duì)。這些在皮爾巴拉鐵礦區(qū)運(yùn)行的無(wú)人駕駛，是由距離1 500 km 外的佩斯市的操作運(yùn)營(yíng)中心遠(yuǎn)程控制。目前礦區(qū)超過(guò)130 臺(tái)。截至2018 年2 月，自動(dòng)運(yùn)輸卡車(chē)已運(yùn)輸超10 億t 礦石。

4 礦山無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)外的礦山都朝著智慧礦山的方向進(jìn)行建設(shè)，并且有的礦山已企業(yè)嘗試進(jìn)行礦區(qū)無(wú)人駕駛技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用，從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，主要存在以下幾方面的問(wèn)題：

1）礦區(qū)無(wú)人駕駛配套技術(shù)、管理水平、基礎(chǔ)設(shè)施滯后。無(wú)人駕駛系統(tǒng)需與智能化開(kāi)采技術(shù)、先進(jìn)的礦區(qū)管理水平及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)施等進(jìn)行相匹配，從而保證其正常運(yùn)行。相比國(guó)外礦山，我國(guó)的自動(dòng)化、智能化開(kāi)采技術(shù)相對(duì)落后，先進(jìn)設(shè)備推廣力度不夠，礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控設(shè)施配套不全，這為我國(guó)智能開(kāi)采設(shè)備的推廣帶來(lái)一定的困難。

2）礦山對(duì)新技術(shù)的接受需要時(shí)間。由于種種條件的限制，礦山行業(yè)本身帶有一定的保守性，對(duì)無(wú)人駕駛等新興技術(shù)的接受需要一定時(shí)間。隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興科技已逐漸同傳統(tǒng)行業(yè)相融合，并呈現(xiàn)出嶄新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展面貌，國(guó)內(nèi)外以煤炭為主角的采礦業(yè)才開(kāi)始在業(yè)內(nèi)展露出對(duì)新思維、新理念的興趣。智慧礦山的應(yīng)用，有望改變這一現(xiàn)狀。

3）5G 通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)成本較高。無(wú)人駕駛技術(shù)需利用5G 低延時(shí)、高速率的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。2019 年是我國(guó)利用5G 進(jìn)行無(wú)人駕駛應(yīng)用的元年，但是目前5G 基站建設(shè)成本較高、覆蓋區(qū)域小，幾乎每100 m 就需要建設(shè)1 個(gè)5G 基站，這對(duì)于中小型礦區(qū)無(wú)疑是筆巨大的費(fèi)用。此外，礦區(qū)生產(chǎn)領(lǐng)域隨著采礦工作面的拓展及延深，需要通訊網(wǎng)絡(luò)及時(shí)覆蓋新的工作面，且不受爆破震動(dòng)、惡劣天氣等影響，這對(duì)礦區(qū)通訊建設(shè)及通訊技術(shù)的要求也較高。

4）無(wú)人駕駛核心技術(shù)突破的難度較大。無(wú)人駕駛是設(shè)備智能化的終極體現(xiàn)，它集中運(yùn)用了工程機(jī)械、通信技術(shù)、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)調(diào)度管理員應(yīng)盡可能減少干預(yù)無(wú)人駕駛設(shè)備的運(yùn)行。礦區(qū)無(wú)人駕駛的技術(shù)難點(diǎn)就是人工智能程序的編制，這對(duì)全球現(xiàn)有的人工智能技術(shù)是很大的考驗(yàn)。

5）各類(lèi)無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)資源分散不聚焦。目前，礦區(qū)無(wú)人駕駛發(fā)展的格局呈現(xiàn)出2 種趨勢(shì)，傳統(tǒng)工程機(jī)械生產(chǎn)廠家更傾向于漸進(jìn)式自動(dòng)化，以漸進(jìn)自動(dòng)駕駛的方式逐步提升施工作業(yè)體驗(yàn)，而新興高科技公司是以人工智能方式進(jìn)入完全自動(dòng)無(wú)人駕駛，是在傳統(tǒng)工程機(jī)械的基礎(chǔ)上直接跨越到以無(wú)人駕駛。前者依靠的是長(zhǎng)期積累的整車(chē)經(jīng)驗(yàn)和在自動(dòng)控制領(lǐng)域的核心優(yōu)勢(shì)，后者則是借由人工智能的大力發(fā)展整合傳感器、感知算法、計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展。在目前的發(fā)展技術(shù)水平下，2 種發(fā)展方式各有利弊，雙方有各自的營(yíng)銷(xiāo)方式但深入合作不夠。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)大型露天礦山開(kāi)始進(jìn)行礦區(qū)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的建設(shè)和試驗(yàn)，相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的無(wú)人駕駛技術(shù)起步晚，技術(shù)沉淀存在較大差距。智能礦山的核心技術(shù)為智能設(shè)備的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛的技術(shù)研發(fā)嶄露頭角，需要礦山企業(yè)、高科技公司、設(shè)備廠家、通訊公司等一起進(jìn)行深度合作，共同開(kāi)發(fā)礦山智能化系統(tǒng)。

隨著國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 通訊等現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的日新月異，為礦山無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇。相信在今后10 年內(nèi)，露天礦山的無(wú)人駕駛技術(shù)將會(huì)得到很好的發(fā)展與推廣。