楊孝新,郭浩宇,楊志勇
(新疆天池能源有限責(zé)任公司,新疆 昌吉 831100)
隨著我國的經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展,煤炭行業(yè)的綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型已成必由之路。現(xiàn)階段,5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與礦山企業(yè)的融合逐步走向深水區(qū),礦山生產(chǎn)模式不斷發(fā)生變化,而礦山智能化建設(shè)已成為當(dāng)前礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新趨勢。作為智慧礦山建設(shè)的重要組成部分,礦區(qū)無人駕駛技術(shù)日趨成熟,不僅大大提高了礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)效率,降低了礦區(qū)運營管理成本,還進(jìn)一步增強(qiáng)了礦區(qū)智能化水平,促進(jìn)礦業(yè)安全、高效、綠色發(fā)展。
國外發(fā)達(dá)礦業(yè)國家自20 世紀(jì)90 年代就已開展礦山自動化、智能化研究,目前發(fā)達(dá)國家的露天礦卡車無人駕駛技術(shù)和系統(tǒng)已廣泛投入實際應(yīng)用。2013年,澳大利亞FMG(Fortescue Metals Group)在索羅門鐵礦區(qū)(Solomon Hub)運行卡特“礦山之星”(Mine Star)系統(tǒng),實現(xiàn)了卡車無人駕駛和礦山車輛管理、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、安全避讓、設(shè)備診斷、調(diào)度協(xié)同指揮等功能,大幅減少了現(xiàn)場人員,使礦區(qū)的卡車運行效率提高了20%以上。巴西淡水河谷公司利用計算機(jī)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)和人工智能技術(shù),實現(xiàn)卡車在開采區(qū)、卸料區(qū)之間的自動高效往返運輸,截止目前已在布魯庫圖礦區(qū)運輸超過1 億t 礦石,累計行駛180 萬km,從未發(fā)生過1 起因自動駕駛卡車導(dǎo)致的安全事故。
國內(nèi)礦用卡車無人駕駛技術(shù)起步較晚,近年來通過積極儲備人才、技術(shù)資源,高起點建設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,礦山無人駕駛卡車的技術(shù)才有了較快發(fā)展。目前國內(nèi)各大露天煤礦均在探索礦卡無人駕駛技術(shù),主要基于現(xiàn)有采運設(shè)備進(jìn)行改造,實現(xiàn)少量礦山卡車無人化運行,尚未完全實現(xiàn)露天礦生產(chǎn)現(xiàn)場無人化采掘、運輸、排土[1-3]。國家能源集團(tuán)準(zhǔn)東露天煤礦2020年投入1 臺挖掘機(jī)、6 輛礦車進(jìn)行了“5G+無人駕駛”現(xiàn)場試驗,目前已累計運行17.4 萬km。黑岱溝露天煤礦完成了國內(nèi)首臺載重290 t 930E 無人駕駛礦用卡車改造,實現(xiàn)了10 臺930E 電動輪自卸無人駕駛礦用卡車在坑下混編作業(yè)連續(xù)運行。
1)總體結(jié)構(gòu)。礦山無人駕駛系統(tǒng)融合了計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、高精度定位技術(shù)、傳感器技術(shù)以及車輛控制技術(shù)等,系統(tǒng)整體架構(gòu)自上而下分為云計算及服務(wù)層、邊緣計算與通信層、車端計算及執(zhí)行層。系統(tǒng)主要由云端調(diào)度指揮平臺、車載無人駕駛系統(tǒng)、5G+4G 通信系統(tǒng)、人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)等構(gòu)成[4-6]。
2)云端調(diào)度指揮平臺。云端調(diào)度指揮平臺主要負(fù)責(zé)無人駕駛系統(tǒng)的車輛狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度、車隊管理、礦山數(shù)字地圖顯示、遙控駕駛、全局路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計分析等,是實現(xiàn)作業(yè)管理與監(jiān)控的主體,是礦山運輸無人駕駛的綜合調(diào)度指揮系統(tǒng),相當(dāng)于中樞和大腦。
3)車載無人駕駛系統(tǒng)。車載無人駕駛系統(tǒng)主要由高精度定位設(shè)備、高靈敏度傳感器、V2X 模塊、超算平臺、高可靠性線控底盤等構(gòu)成。通過多模式衛(wèi)星導(dǎo)航、4G/5G 基站通信以及路測感知設(shè)備等實現(xiàn)車輛位置實時精準(zhǔn)定位、車體周邊運行環(huán)境動態(tài)顯示、信息數(shù)據(jù)接收與上傳、運行軌跡規(guī)劃等功能,實現(xiàn)無人駕駛自卸車自主裝車、運輸、排土等作業(yè)活動。
4)通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要采用“5G+4G”混合通信網(wǎng)絡(luò),通過在運輸車輛上安裝5G+LTE-V 的車載單元OBU,使車輛實現(xiàn)V2N(車和平臺)、V2V(車和車)、V2I(車和基礎(chǔ)設(shè)施)通信對話功能。其中,V2V 功能可實現(xiàn)對車輛周邊200 m 范圍的感知,能夠在高頻段、高車流量的環(huán)境下提供可靠的通信能力,并且在大容量、低時延、抗干擾性以及可管理性等方面更為成熟穩(wěn)定。
5)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)具備高精度定位、信息交互、任務(wù)引導(dǎo)等功能[7-8]。在調(diào)度平臺統(tǒng)一指揮下,通過5G/V2X 無線通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)采裝設(shè)備、無人駕駛卡車、輔助生產(chǎn)設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)。
新疆天池能源南露天煤礦位于新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)西部,核準(zhǔn)生產(chǎn)能力為30.0 Mt/a,面積45.84 km2,開采標(biāo)高由610 m 至325 m 標(biāo)高,煤層平均厚度76.84 m,屬于巨厚傾斜煤層,首采區(qū)煤層傾角為6°~19°。運營模式為“自營+承包”兼有模式,其中采煤工程采用自營模式,設(shè)有1 支采煤隊,剝離、爆破工程采用承包模式,設(shè)有2 支剝離隊、2 支爆破隊。剝離工藝為“單斗-卡車”間斷式工藝,采煤工藝為“單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機(jī)”半連續(xù)工藝。
新疆天池能源南露天煤礦于2019 年開始籌備露天礦現(xiàn)場無人駕駛寬體自卸車運營示范項目,其中礦方主要為無人駕駛示范規(guī)劃獨立封閉的作業(yè)區(qū)域、運輸系統(tǒng)、停車場、供電線路、5G 無線通信網(wǎng)絡(luò),合作單位負(fù)責(zé)無人駕駛系統(tǒng)的搭建和整個系統(tǒng)運行。2020 年投入了6 輛無人駕駛寬體自卸車、1 臺卡特349 挖掘機(jī)進(jìn)行試運行,主要開展單編組單班作業(yè)。2021 年新增6 臺無人駕駛寬體自卸卡車、1 臺卡特349 挖掘機(jī),并先于5 月開展單編組雙班作業(yè),6月開始進(jìn)行雙編組雙班作業(yè)。無人駕駛寬體自卸車采用同力TLI65 型號,標(biāo)準(zhǔn)斗容為25 m3,額定載重為40 t,車輪直徑為1 304 mm,最高車速為40 km/h。無人駕駛自卸車的剝離區(qū)間設(shè)置在采場東側(cè)一標(biāo)段地表~595、595~580 平盤,工程量約為150 萬m3;運輸路線為“一標(biāo)595~580 平盤→4 號出入溝→4 號坡道~沿幫排土場610 平盤→沿幫排土場630 平盤→沿幫排土場650 平盤”;排土區(qū)間為沿幫排土場650 平盤;停車場設(shè)置在沿幫排土場650 平盤排棄區(qū)間西側(cè)。無人駕駛車輛運行期間采用封閉式管理,將北幫聯(lián)絡(luò)路、一標(biāo)地表區(qū)域、沿幫排土場610、630、650 平盤進(jìn)行封閉。
1)采裝。在調(diào)度指揮平臺的統(tǒng)一規(guī)劃下,搭載感知、定位設(shè)備的無人駕駛寬體自卸車,沿實時規(guī)劃路徑,自主進(jìn)入裝載區(qū),有序待裝。車輛待裝過程中,挖機(jī)標(biāo)定裝載位,車輛自動駛?cè)胙b載位,裝載完成后車輛根據(jù)平臺指令駛出裝載區(qū)。
2)運輸。無人駕駛自卸車重載離場后,根據(jù)平臺下發(fā)的實時軌跡,駛向排土場。沿途自主實現(xiàn)爬坡、過彎、繞障等動作,規(guī)劃進(jìn)入排土場。
3)排土。無人駕駛自卸車駛?cè)肱磐翀龊?,調(diào)度指揮平臺根據(jù)卸載車輛排隊情況、排土線作業(yè)實況為待卸載車輛指定排土位置,并提供排土位置引導(dǎo)路線;進(jìn)入排土位后,自卸車自主開展停車、舉廂、落廂、車態(tài)調(diào)整等卸載操作。
截止2021 年12 月,南露天煤礦無人駕駛示范項目已投入2 臺挖掘機(jī)和12 輛無人駕駛寬體自卸車,累計完成剝離工程量約106 萬m3,運行里程超過15.7 萬km。
根據(jù)露天煤礦實際工況,成功研發(fā)出混合調(diào)度算法,實現(xiàn)單作業(yè)平臺到多作業(yè)平臺多編組混合調(diào)度。2021 年6 月份率先在全國范圍內(nèi)首次實現(xiàn)雙編組雙班全流程自動作業(yè),并穩(wěn)定運行6 個月以上,日生產(chǎn)量約為3 900 m3,生產(chǎn)效率比單編組運行高出10%以上。完成了6 輛無人駕駛自卸車改制。通過加裝車輛線控執(zhí)行器安全冗余部件、安設(shè)胎溫胎壓傳感器、更換寬溫版本激光雷達(dá)、增設(shè)后向激光雷達(dá)、車載計算平臺升級,進(jìn)一步提高無人駕駛自卸車的運行效率、可靠性及環(huán)境適應(yīng)能力。
1)雙編組運行模式在作業(yè)流程方面不足以驗證多編組作業(yè)時無人駕駛系統(tǒng)的生產(chǎn)銜接性、流暢性,如鏟位排布、坡道形成、坡道拆除、多車連續(xù)排隊同時排土、加油、出車點檢、維修保養(yǎng)等。
2)無線通信信號受采礦作業(yè)現(xiàn)場地形變化影響較大。露天煤礦現(xiàn)場作業(yè)區(qū)的地形變化較為頻繁,隨著采剝工作面推進(jìn)深入和排土區(qū)域抬升,現(xiàn)有5G 無線網(wǎng)絡(luò)無法滿足地形變化后覆蓋需求,時常出現(xiàn)通信盲區(qū)。
3)無人駕駛作業(yè)對采礦計劃的銜接性更嚴(yán)格。當(dāng)工作面推進(jìn)至當(dāng)前生產(chǎn)計劃邊界后,如果新的采剝計劃銜接不及時,會對無人駕駛拉溝作業(yè)、移鏟作業(yè)產(chǎn)生影響。
4)無人駕駛系統(tǒng)運行過程中存在局部區(qū)域作業(yè)環(huán)節(jié)不連續(xù)情況。例如進(jìn)入裝載位倒車不到位、裝載區(qū)內(nèi)入換折返頻繁等,影響整體作業(yè)效率。
1)提高礦區(qū)5G 通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)質(zhì)量。根據(jù)露天煤礦無人駕駛系統(tǒng)運行情況,逐步改善礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況,定期對基站設(shè)備進(jìn)行巡檢維護(hù),一旦發(fā)現(xiàn)信息薄弱或者盲區(qū),立即進(jìn)行整改完善。充分利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)調(diào)度控制指令低時延收發(fā)、大容量感知數(shù)據(jù)等功能。
2)提升無人駕駛平臺的安全防護(hù)和應(yīng)急處理能力。露天煤礦無人駕駛系統(tǒng)安全防護(hù)包括信息安全和功能安全,信息安全可通過建設(shè)安全態(tài)勢感知系統(tǒng),利用5G 技術(shù)保障平臺安全、數(shù)據(jù)傳輸正常;功能安全通過現(xiàn)場測試和實際運行情況,不斷改進(jìn)和優(yōu)化平臺數(shù)據(jù)算法,提高終端安全防護(hù)和平臺應(yīng)急處理能力。
3)建立礦區(qū)無人駕駛運行管理制度體系。無人駕駛系統(tǒng)的運行需要依靠制度的規(guī)范管理,露天煤礦目前的無人駕駛管理類制度和辦法還不夠完善,需要進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場運行實際情況進(jìn)行修訂、完善。
4)提高無人駕駛自卸車的容錯、感知以及故障修復(fù)能力。在生產(chǎn)作業(yè)過程中,粉塵較大會引起雷達(dá)、超聲波傳感器的誤報,造成錯誤警告或引起系統(tǒng)功能故障,加強(qiáng)車端的感知、容錯和故障處理能力;持續(xù)推進(jìn)無人駕駛自卸車故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化,實現(xiàn)對無人駕駛車輛軟、硬件系統(tǒng)故障的實時監(jiān)測、預(yù)警。
5)加快露天煤礦無人駕駛多編組雙班運行。目前露天煤礦無人駕駛寬體自卸車雙編組運行已相對穩(wěn)定,后期將重點開展無人駕駛四編組雙班運行(即4 臺挖掘機(jī)、24 臺無人駕駛自卸車),實現(xiàn)調(diào)度指揮平臺多編組動態(tài)調(diào)度,提升多編組作業(yè)生產(chǎn)效率,進(jìn)一步驗證無人駕駛平臺現(xiàn)場通信能力、平臺調(diào)度及計算能力、感知識別能力、多設(shè)備協(xié)同作業(yè)能力、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的吞吐能力等。
6)推進(jìn)駕駛艙去輔助駕駛員環(huán)節(jié)。通過研發(fā)高精度遠(yuǎn)程遙控駕駛系統(tǒng),實現(xiàn)在室內(nèi)實時監(jiān)控車輛運行狀態(tài)和遠(yuǎn)程操控車輛作業(yè),直至實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛。
新疆天池能源南露天煤礦通過引入無人駕駛技術(shù),探索了無人駕駛的發(fā)展路徑和合作模式,開展了現(xiàn)場工程實踐和理論分析研究,發(fā)展和完善了露天煤礦無人駕駛技術(shù)理論及應(yīng)用,逐步構(gòu)建符合露天煤礦自身生產(chǎn)實際的無人化生產(chǎn)管理模式,為后期智慧礦山建設(shè)起到了重要和關(guān)鍵的推動作用。