北京易控智驾科技董事长张磊：露天煤矿无人驾驶规模化应用与成效

摘要

为提高露天矿山无人驾驶运输技术规模化应用水平，基于中心云、区域云、路侧和车端等多源数据融合，通过现场大量技术和运营难点攻关和技术积累，提出了露天矿山无人驾驶技术解决方案“著山”。“著山”方案不仅能够支持车辆的高效运行和高安全冗余，还具备规模化和可复制化的优势，并在多个露天矿实践应用，实现了全球最大的单矿203台无人驾驶矿卡常态化运行，以及无人驾驶运输技术与规模化应用，具备了无人驾驶安全员快速下车的标准化部署能力及应对雪、雨、雾等复杂天气环境挑战的能力。

文章来源：《智能矿山》2024年第6期“露天矿智能化技术创新与实践”特刊“太阳石科普”专栏

第一作者：张磊，工程师，现任北京易控智驾科技有限公司董事长，主要从事露天矿山智能化建设

通讯作者：林巧，高级工程师，现任北京易控智驾科技有限公司战略副总裁，主要从事露天矿山智能化建设

作者单位：北京易控智驾科技有限公司；国家能源集团新疆能源公司准东露天煤矿

引用格式：张磊，蔡明祥，林巧.露天煤矿无人驾驶规模化应用与成效[J].智能矿山，2024，5（6）：56-64.

 

据统计，2022年我国露天煤矿的产能和产量均突破10亿t，以占比8%的煤矿数量贡献全国23%的煤炭产量。从2020年2月国家八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》到《关于进一步加强矿山安全生产工作的意见》以来，我国露天煤矿在产量供应能力持续增强的同时，随着矿山大数据、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术发展日趋成熟，露天开采技术也实现了快速发展，矿山智能化建设逐步转型升级，带动了露天矿山智能化技术、产品和服务的新需求。

露天煤矿运输系统的主要工作是将生产过程中的矿石运输到储矿场、破碎站或选矿厂，将土方或岩石运往排土场或破碎站。露天煤矿实际生产过程中，卡车运输环节成本约占露天煤矿总生产成本的60%，用工占比接近占全矿劳动员工的50%，卡车运输环节一定程度上决定了露天煤矿安全高效的生产水平。此外，在安全生产方面，露天煤矿运输环节的事故起数占总事故起数的60%以上。露天煤矿矿用卡车无人驾驶技术及规模化应用能够减少安全事故发生概率，保证露天煤矿安全高效生产的同时也能够为我国露天矿区智能化、无人化建设提供安全、绿色、高效的技术支撑。

 

露天矿无人驾驶运输解决方案

 

2020年1月，北京易控智驾科技有限公司联合新疆天池能源有限责任公司准东研究院、南露天矿，基于中心云、区域云、路侧和车端等多源数据融合，通过大量技术和运营难点攻关，经过多年的技术研究和积累，有步骤地在南露天矿实施了无人驾驶规模化应用，如图1所示。笔者团队车路云协同能力演进大致分为第一代（智慧云+傻瓜车）、第二代和第三代（调度云+智能车）3个阶段，场景适应性逐渐增强，见表1。

 

图1　露天矿无人驾驶多源数据融合

 

表1　易控智驾矿卡无人驾驶车路云能力演进路径

 

 

在此基础上，又相继在包含不同类型无人矿用卡车、剥离与采煤以及骨料矿多车型、多矿种等多种应用场景下实现了无人驾驶运输技术，在2023年形成了由智能云控平台、车端无人驾驶系统、协同作业系统、新能源线控矿用卡车4大产品以及基础设施组成的露天矿无人驾驶运输解决方案——“著山”，如图2所示，并首次发布了行业内首个新能源无人驾驶线控平台“御石”。

 

图2　露天矿无人驾驶运输解决方案

 

“著山”方案具有规模化和可复制化的特点，能够支持车辆的高效运行和高安全冗余。“御石”是业内首发的无人驾驶新能源线控平台，可以快速实现从有人到无人的新功能迭代升级。用模块化集成设计理念，降低故障率，提高可靠性。其核心系统采用正向开发设计，满足矿山运输场景需求，提升全域工况适应性。该平台由智能硬件模块、新能源动力系统、线控系统、安全诊断系统和智能配电系统构成。配置可进化的智能线控底盘和匹配全域工况的混动技术，涵盖高节油、高安全、高可靠、高适应、可进化、集成化、通用化等7大优势，特别是平台化架构可适配多厂家、多车型。最终形成的露天矿无人驾驶运输云控平台如图3所示。

 

图3　无人驾驶运输云控平台

 

“著山”方案核心技术优势

 

相比其他露天煤矿无人驾驶运输技术，“著山”方案的典型优势可概括为运营和部署优势、技术优势、场景应用优势、环境适应优势和可持续发展优势等。

（1）在运营规模方面，笔者团队露天煤矿无人驾驶大规模运营和矿用卡车批量部署商业化能力已在国际矿山无人驾驶运营中排在前列。目前，笔者团队已拥有全球单矿最大无人驾驶车队——203台矿用卡车，打造了国际范围内的批量运营新范式，已在亚洲产能最高露天煤矿新疆天池能源南露天矿运营1000余天。此前，全球最大的单矿无人驾驶运营车队是澳洲FMG矿山的108台无人矿卡车队，分别由美国卡特彼勒公司和日本小松公司的无人矿用卡车提供技术支持。在矿山无人驾驶方案快速复制方面，笔者团队不断刷新自身最快速度，2023年9月新疆天池能源将二矿17天实现部署到常态化下人，2023年11月霍林河南露天矿9天实现部署到常态化下人，最后在2023年11月国家能源集团准东露天矿从部署到常态化下人通过入矿验收，仅用时5天即实现安全员下车，不断刷新露天矿山无人驾驶最快下人速度。露天矿山无人驾驶方案快速复制案例如图4所示。

 

图4　露天矿山无人驾驶方案快速复制案例

 

面对单矿203台无人驾驶矿用卡车的规模，车与车之间、有人与无人之间、不同场景之间的车辆统筹调度也是一项考验。目前的统筹调度是基于装载设备产量优先，兼顾车辆运行效率与节油的多目标实时动态均衡调度。产量优先即优先保障所有作业装载设备能够连续装车不缺车，在此前提下根据生产作业的实时状况（实时的装载设备出动数，故障以及补能的矿用卡车数量）按照最优车铲比动态调整出动车辆数，同时考虑全局的交通拥堵以及装载区域的车辆饱和度调整车辆的运动模式，实现以最低成本（出动车数+油耗）达到最高效率的目标。此外，随车队规模的增大，各类生产作业过程中不可避免的扰动（如装载设备装车间断、设备网络故障、部分区域生产暂停、交通拥堵等）对于调度能力提出了更高的要求，即统筹调度必须是实时的，车辆的目的地、运动模式，甚至行驶路线必须是可以动态调整的，这样才能够抵抗和弥补各类扰动对于生产的影响，小车队的传统调度模式不可能适应大车队对于生产效率和成本的更高要求。

（2）在无人驾驶技术能力方面，“著山”方案的车端感知与定位技术采用行业领先的高精度传感器和定位系统，包括激光雷达、毫米波雷达、V2X等设备，以及RTK-GNSS定位技术、激光SLAM技术、多传感器融合定位技术，使矿山车辆能够在露天场景、边坡遮挡、破碎棚遮挡等复杂场景中实现全面感知和精准定位，提高无人驾驶系统对复杂煤矿混行场景的感知和理解能力，使无人驾驶车辆更具智能性和高效性，“著山”方案技术能力优势如图5所示。

 

图 5 “著山”方案技术能力优势

 

（3）为应对极端温度、扬沙粉尘、雨雪天气、路面湿滑等矿山极端环境，面对高精度感知、高安全控制和高效率管控这3大技术难题，“著山”无人驾驶运输解决方案通过开发智能感知装备、无人驾驶新能源线控平台和无人运输系统管控平台，增强了多源数据流通与应用。通过多传感器融合、深度学习语义分割、多模态感知技术和横纵向防滑控制技术，综合激光雷达、毫米波雷达等传感器，实现了在扬尘和雨雾等恶劣天气下的高效感知。控制系统应对湿滑路面，研发了横纵向防滑控制功能，可提前预判断车辆打滑并实现稳定控制。通过感知算法融合多传感器信息确保车辆在矿山环境中的安全、高效运行。矿区极端环境适应性应用场景如图6所示，矿区作业典型场景如图7所示。

 

图 6　矿区极端环境适应性应用场景

 

图 7　矿区作业典型场景

 

（4）在矿区道路行驶时，“著山”方案能够从宏观的全局规划和局部的决策规划2个层面保障路径规划的效率和规划的精准性。在专网和公网条件下，车辆与云控中心的通信，实现视频监控、业务数据和指令数据的上下行，支持专网和公网条件下的遥控驾驶。通过设置碾压值，以满足矿区道路的碾压需求，提升道路质量。此外，还能够利用5G、V2X等通信技术实现车辆处于盲区下的车辆信息交互和防碰撞预警功能。基于轻云端重车端的产品策略，作业任务有变化会对车辆任务进行更新，车辆在局部弱网络环境下，仍具备循环作业的能力。最终实现矿山内各类设备和车辆之间的信息交互和协同作业。

（5）在矿山无人驾驶技术可持续发展方面，根据ESG发展规划，已逐步推动燃油车型向新能源车型升级迭代，自研的“御石”线控平台已具有适配增程、纯电等动力系统的在运营车辆，并且在内蒙古矿区成功落地测试了行业内首台氢能源矿车（图8）。借助整车智能能量管理控制策略，笔者团队自主研发的百吨级新能源无人驾驶矿卡EL100实现了高节油目标，在载重百吨的标准运行工况下，节油率可达25%~30%。在全国大型露天煤矿中，已有300余台增程式混动矿用卡车实现了常态化无人驾驶运行，每年总共可减少近20000t碳排放，能够有效为“双碳”目标助力，实现露天矿山绿色、可持续高质量发展。

 

图8　纯电动无人驾驶矿用车

 

基于BEV+多模态感知技术的高效采煤混行作业

 

露天煤矿无人驾驶运输技术在采煤生产场景中运输作业难度较大，坑底采装区至破碎站落差近200m，道路多为连续弯道及爬坡，坡道平稳控制和溜坡保护要求高。此外，无人驾驶与人工驾驶共用一套主运输系统，百台运输车辆混行交叉作业，车流密度高达10台/min。而且现场运营区域车辆有10余种，无人驾驶车辆需与大量工程设备车辆形成协同作业。在感知方面，煤灰条件下激光雷达点云反射率低，煤灰扬尘过滤及地图边界检测难度大。无人驾驶在破碎站作业区域较小，车辆高效通行难度高，而破碎站生产效率达3000t/h，无人驾驶与破碎站集中控制系统、破碎站信号灯管控系统、料位监测系统联动难度高。

面对以上各项挑战，笔者团队创造性地提出了BEV+多模态感知的技术方案，通过激光雷达点云与视觉模态的特征级融合，解决了矿山场景感知的痛点并实现增效。同时利用云端大模型对难样本进行针对性挖掘，高效进行数据积累，保障训练集各类别数据平衡，补充少见类型车辆及行驶意图数据，BEV+多模态感知技术原理如图9所示。这类方案已经在城市场景得到了充分的验证。

 

图9 BEV+多模态感知技术原理

 

此外，BEV+多模态感知技术还具备多弯道连续爬升、在连续异形组合路口复杂路况混行能力，如图10所示，能够优化车与车之间的协同，提升自动驾驶车辆通过路口的行驶速度。利用多模态轨迹预判人工驾驶车辆行为，采取防御性驾驶策略，确保安全通过路口。通过对于多模态数据的高效利用，实现了对各类混行目标以及静态障碍物的精准检测和识别，提高了无人驾驶系统对复杂煤矿混行场景的感知和理解能力，进一步增强了自动驾驶车辆在这些环境中的智能性和高效性。

 

图10　复杂场景解决方案

 

2023年，笔者团队无人驾驶月度运营里程及方量呈现倍数级的增长，无人驾驶规模化运营能力稳步提升。车队规模从矿区常态化无安全员的双编组运营到数十台规模的四编组、六编组，再到代表国内矿山无人驾驶最大规模运营水平——首次承接大型煤矿中的4个作业平盘运行。目前已经实现18台无人采煤矿车与90台人工驾驶车辆共用道路，同场景车辆与设备还包括液压挖掘机、人工驾驶矿用卡车、装载机、平路机、洒水车、加油车、指挥车、通勤车、工程运输车辆等，现场共有13个包含十字、丁字、环岛在内的交叉路口，所有车辆与设备实现了常态化混行交叉作业，保障了无人驾驶安全高效运行。

 

无人驾驶应用实践

 

新疆天池能源南露天煤矿

 

南露天煤矿隶属新疆天池能源有限责任公司，是国家2010年实施西部大开发战略布局的典范，是23项重点项目中唯一的煤矿项目，核定生产能力国内第一（4000万t/a），为全国首批、新疆省首个通过智能化示范煤矿验收煤矿，其中无人驾驶技术水平和生产效能已达到国家露天煤矿智能化验收标准规定的中级水平。截至2023年底，笔者团队已在该矿成功运营全球最大的单矿无人驾驶车队，实现了203台无人驾驶矿用卡车的常态化运作，年度运行里程高达383.7万km，运输40.4万趟次。凭借笔者团队自研的第三代高灵活性、强适应能力的矿山无人驾驶技术，南露天煤矿不仅引入了高效节能的100t级无人驾驶矿卡，还不断提升了无人驾驶系统、智能云控平台及协同作业系统的作业能力，以应对雪、雨、雾、风、低温、高温等复杂天气环境的挑战。目前煤矿已有18台无人驾驶矿用卡车在采煤运输区实现无安全员运营，并与近百台有人车辆混行作业，不仅解决了露天矿现场的实际问题，更推动了智慧矿山建设的高质量发展。南露天矿无人驾驶应用场景如图11所示。

 

图 11　南露天煤矿无人驾驶应用场景

 

国家能源集团准东露天煤矿

 

国家能源集团准东露天煤矿拥有着世界上最大的整装露天煤田，是新疆省第一座开工建设的大型露天煤矿，核定生产能力2600万t/a。目前准东露天煤矿共有2个无人驾驶平台、36辆无人驾驶卡车，已形成由“线控矿卡+智能云控平台+车辆无人驾驶系统+协同作业系统”4大核心产品及“工程运营+技术运营”2大服务模式为核心的“4+2”露天矿山无人驾驶全栈式服务解决方案，并已经可以进行多编组无人驾驶24h常态化运营。准东露天煤矿的无人驾驶项目自2020年7月起正式运行，已持续安全运行36个月，2022年6月实现常态化去安全员，是行业内首个实现多车常态化运行作业的矿山。在提质增效层面，准东露天矿无人驾驶运输综合效率已经达到矿山正常生产的需求，并且效率不断提升。其中，无人驾驶车辆重载运行速度最高可达35km/h，持续刷新矿山无人驾驶最快速度。至今，准东露天煤矿无人驾驶运输里程已超80万km，占国家能源集团无人驾驶运输里程总数的50%，在节能增效、安全生产等领域可以更好地助力行业高质量发展。准东露天煤矿无人驾驶应用场景如图12所示。

 

图 12　准东露天煤矿无人驾驶应用场景

 

新疆天池能源将二露天煤矿

 

新疆天池能源将二露天煤矿资源储量45.73亿t，目前核定生产能力为3000万t/a，是全国煤炭产量排名前十的露天矿。2023年8月25日，部署第一批车辆进行场景适应性验证，9月12日即实现安全员下车。截至2023年底，笔者团队在新疆天池能源将二露天煤矿无人驾驶项目取得了显著成果，全矿已投入33台EL100无人驾驶矿车，并全部实现无安全员状态下的高效运输。从设备、人员入场到实现安全员下车仅用了17天，全面领先行业180天以上的交付周期。这一成就不仅展现了笔者团队矿山智能化解决方案的标准化部署能力，更标志着其商业化发展已迈入批量化复制、快速落地的崭新阶段。2023年累计运行里程达到了25.24万km，完成了5.64万次的运输趟次。将二露天煤矿无人驾驶应用场景如图13所示。

 

图13　新疆天池能源将二露天煤矿无人驾驶应用场景

 

在应对复杂运营场景方面，面对复杂交叉路口，每小时有近200台车流通过，平均每分钟就有4台车，实现了无人驾驶与红绿灯的自动联调，确保了混行安全，为矿业运输的安全与效率树立了新的标杆。后期新疆天池能源有限责任公司将继续选择在将二露天煤矿新项目采用笔者团队无人驾驶解决方案，证明了其无人驾驶技术以及运输运营能力经受住了矿方在真实使用场景中的考验。

 

矿山无人驾驶应用效益分析

 

以上无人驾驶运输典型应用案例的成功实施，不仅提升了矿山智能化、信息化和工业化水平，也为矿山无人驾驶行业发展树立了新的标杆，经济和社会效益显著。主要包括可靠性、经济性、高效性、安全性、绿色可持续性等方面。

（1）可靠性方面

研发的适用于露天矿山场景的高安全冗余、高效运行的车端无人驾驶控制系统，能够满足运行安全要求，具备高效连续的运输生产能力。无人驾驶技术通过先进的传感器、导航系统和自动控制技术，能够实时监测矿场环境、路况和车辆状态，有效避免人为操作失误等安全隐患；能够在恶劣天气和路况下稳定运行，降低了因环境因素导致的安全风险。此外，通过远程监控和故障预警系统，可以及时发现并处理潜在的安全隐患，进一步保障矿山生产安全，能够帮助矿山企业优化业务管理流程，优化剥离、采装、运输及地面生产过程。

（2）经济性方面

无人驾驶运输作业可以大幅减少各露天矿山人力成本、燃料成本和设备维护成本。以100台无人驾驶车辆运行为例，按照三班工作制，每台卡车配3名司机，原本需要300名司机，每名司机年薪资支出约为16万~18万元，共可节省司机年薪资5000万元左右。此外，无人驾驶运行可减少大约5%的油耗成本、15%的轮胎成本和15%的维保成本，能够有效降低故障率，增加轮胎寿命。

（3）高效性方面

无人驾驶作业增加了运输作业时间，由原来的19h提升到21~22h；此外，智能调度系统还能够优化运输路线，使无人驾驶运输能够大规模复制和快速扩张，进一步保障无人驾驶高效作业。

（4）安全性方面

笔者团队所入驻的各露天矿山，自无人驾驶应用以来从未发生重大伤亡事故，实现了危险作业区的无人化和少人化，减少了安全事故发生概率，保证了露天矿山安全高效生产。

（5）绿色可持续方面

笔者团队长期关注新能源行业技术进步方向与成果，坚持将绿色运营、环境管理等ESG指标与智慧化矿山建设的目标紧密结合，为我国露天矿区智慧化无人化建设提供安全、绿色、高效的技术支撑，从而在进一步核增产能，提升矿山生产标准化等级，建设绿色数字矿山，“双碳”目标下节能减排工作推进等方面起到积极促进作用。

 

来源：智能矿山杂志