論無人駕駛卡車在新疆大南湖露天煤礦應用的可行性

肖明

摘 要：為提高新疆大南湖露天煤礦卡車運輸效率，降低運輸環節成本，進一步提升智能化裝備水平，通過對露天煤礦現有的卡車運輸工況條件進行分析，提出在卡車運輸環節采用無人駕駛技術，通過分析無人駕駛卡車的技術特點以及產生的經濟效益，結果表明，在新疆大南湖露天煤礦采用無人駕駛卡車技術可行，年節約生產成本約2500萬元，經濟效益良好，為礦山實現綠色智能化開采提供了選擇。

關鍵詞：無人駕駛卡車;大南湖露天煤礦;技術可行性;效益分析;智能高效

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0204-02

0 引言

大南湖礦區位于國家大型煤炭基地新疆基地吐哈區東部，是國家“十三五”時期規劃的“疆電外送”“疆煤東運”重點煤電基地，大南湖露天煤礦一期設計生產能力6.0Mt/a，規劃生產能力20.0Mt/a。地表境界面積37.23km2，可采原煤量1630.81Mt，設計服務年限為140年。目前生產中剝離工藝為單斗-卡車工藝，采煤工藝為單斗-卡車-半移動破碎站-帶式輸送機半連續工藝，采、運、排工程均采用小型化設備作業，主要的設備規格為5m3液壓挖掘機匹配60t寬體卡車，運輸卡車達90臺，運輸工人300人，高頻繁的卡車調度和大規模的用工要求給大南湖露天煤礦實現智能高效開采帶來了極大的挑戰。

無人駕駛技術可有效提高露天礦智能高效開采水平，但作為新型技術性研究成果，面對露天礦上封閉、復雜的交通狀況以及經濟效益先導的考核，在其正式廣泛應用前必須展開嚴格的可行性分析，以實現預期的應用目標。為此，從技術和經濟層面探究大南湖露天煤礦無人駕駛卡車的運用可行性有著重要的現實意義。

1 礦山運輸現狀與存在問題

1.1 運輸現狀

大南湖露天煤礦采剝工程目前采用外包運營模式，采礦設備按照小型化裝備水平配置，主要采礦設備已有22臺4m3液壓挖掘機及90臺60t自卸卡車，輔助采礦設備13臺。剝離與采煤臺階全部采用水平劃分，臺階高度為10m，排土臺階高度為20m。目前露天煤礦形成了原煤運輸及剝離運輸兩套開拓運輸系統。原煤由60t卡車經工作幫移動坡道、采場北幫運輸平盤及出入溝運往地面破碎站進行破碎;剝離物由60t卡車經工作幫移動坡道、采場南部出入溝、排土場排土運輸坡道運往排土場排棄。

1.2 存在問題

大南湖露天煤礦地處西北戈壁荒漠，人煙稀少，工作環境極為惡劣，礦山生產時常由于極端天氣停工停產。目前存在著如下問題制約著本礦實現智能高效開采：首先，由于采用小型化設備，需聘請大量經驗豐富的專業駕駛人員進行操作，面對當前人力資源成本不斷攀升、地理位置偏遠且招工難的問題，加大了本礦生產用工風險;其次，采掘場及排土場車多人多，為運輸調度、生產管理帶來了挑戰，存在著較大的安全風險;最后，由于氣候惡劣且礦山運輸道路條件不佳，加劇了運輸環節中柴油及輪胎的消耗成本。

2 無人駕駛技術應用

2.1 無人駕駛技術發展現狀

無人駕駛技術一直是國內外探究的熱門話題，日、美對于礦山無人駕駛技術的研究走在了世界前列。其中日本早在20世紀80年代就開始在礦山作業中嘗試應用無人駕駛技術，步入到21世紀后，日本小松公司嘗試將無人駕駛運輸系統運用到智利銅礦當中，歷經3年，全面完成無人駕駛運輸系統的部署，成為全世界范圍內無人駕駛在采礦領域的首次嘗試，取得成功[1]。在小松公司的推動下，無人駕駛卡車在采礦領域已逐步實現大規模商業化應用。

同樣在20世紀80年代，美國也開展了無人駕駛技術應用研究，其中卡特彼勒公司開發了MineStar礦上無人作業體系，其以地理信息、自動控制、健康監測、車隊管理等技術為核心，形成了無人作業體系化研究，實現對運載車輛的自動化控制，目前該系統已成功運用到美國6家采礦企業，其中150多臺設備已實現運載礦巖超過10億t的任務量[2]。

中國在無人駕駛技術上的研究起步較晚，近年來，以慧拓智能、踏歌智行等一批互聯網科技公司為代表，正全力研發礦山無人駕駛技術，目前已取得了突破性的成果，但研究成果還處于測試階段，待大規模投入市場。

2.2 無人駕駛技術在大南湖露天煤礦的應用

無人駕駛卡車在新疆大南湖露天煤礦中運用，主要任務是按照固定線路進行原煤及剝離物運輸，主要應用于自動排卸、自動避障、倒車入位、重載爬坡、精準?？?、挖機裝載等場景。與公路上駕駛車輛不同，煤礦中運輸具有特殊性，其需要保障運輸的精準性與可靠性，因而，無人駕駛卡車系統根據煤礦運輸的場景以及工作目標，構建起以環境感知、動力學控制、高精度地圖繪制、作業場景描述為基礎的多學科交叉復合技術系統，為卡車的穩定、安全運行提供了可靠的技術支持[3]。

2.2.1 環境感知技術

環境感知技術是指利用相機、毫米波雷達、激光雷達等精密的測距、傳感裝置感知與檢測周圍環境，精準識別障礙物，并通過對環境內多目標的追蹤對卡車行駛環境進行全面解讀，為無人駕駛提供可靠的依據[4]。面對著大南湖露天煤礦開采面積大、礦區內沙塵嚴重影響著傳感器的感知能力，礦山道路等級低、質量差、車輛行駛中時常顛簸對環境感知系統的抗擾動能力要求嚴格，新疆天氣條件惡劣、晝夜溫差大對于環境感知系統部件性能考驗。通過多功能環境傳感器優化配置與之適應。

2.2.2 動力學控制技術

無人駕駛卡車得以在露天礦山平穩運行，要求其能夠在任何場景下始終保持穩定的自適應能力，并主動做好平衡性控制，安全、可靠地完成既定的技術動作，基于動力學原理的控制技術可實現卡車的橫縱向控制[5]。

2.2.3 高精度地圖繪制技術

采用高精度地圖繪制技術，可實現精度在1m、相對精度在10cm～20cm之間的地圖繪制，從而可更加精細與真實地反映道路情況，該項技術借助高精度坐標繪制更完整、更準確的道路形狀，并添加道路高程、坡度等數據對道路狀況進行詳細描述。此外，通過技術手段降低地圖數據傳輸的延遲，可為卡車連續作業提供可靠保障[6]。

2.2.4工作場景描述技術

礦區作業場景分為正常、非正常、緊急三種場景，正常場景則為無任何障礙及意外下展開作業;非正常則是礦區內有作業或障礙需要卡車避讓，并會對卡車自主裝卸等產生影響;緊急場景是指對于卡車運行有較大安全威脅、危害的場景[7]。結合不同場景情況以及所帶來的危害提前制定應急預案，輸入到控制系統中，以便卡車作業中精準判斷環境。

3 技術優勢

無人駕駛技術在礦山運輸中的應用具有極為突出的優勢，首先，節省了聘用駕駛司機以及輔助人員的人力資源成本，且規避了運載車輛駕駛中人為因素的干擾，減少因駕駛人員不良習慣造成的車輛損傷以及人員損傷;其次，隨著無人駕駛技術發展水平的提升，目前可實現對無人駕駛卡車自動化與智能化控制，配合GPS定位、智能控制系統的應用，實現了車輛與控制系統遠程傳輸信息，大大提高整體的協調作業效率，延長運載設備的使用壽命;最后，無人駕駛卡車的成功運用，將減少礦山作業對人力資源的依賴，大大提升作業的機械化程度，國際知名礦業企業力拓集團曾統計過3年期間運載設備使用及效益情況，據統計結果顯示，無人駕駛卡車的應用使運載車輛工作效率提高了21%，成本節約近15%，且無人駕駛卡車的應用可因提高工作效率減少能源消耗，帶來顯著的生態效益，符合可持續發展理念[8]。

結合國內科技公司現階段研究的無人駕駛卡車運行系統技術，尤其是在露天礦山中環境感知、動力學控制、高精度地圖繪制、作業場景等技術創新成果，其為礦山實現智能高效開采提供了可靠的技術支撐。目前國內有關露天礦引進無人駕駛試驗系統后，經過較長時間的試驗實踐，基本都達到了預期目標，所以說無人駕駛卡車技術可行。

4 效益分析

通過經濟與生態效益兩個方面，對傳統卡車技術與無人駕駛技術進行對比，以探究無人駕駛卡車在大南湖露天煤礦運用的合理性。

4.1 經濟效益分析

目前大南湖露天煤礦運輸卡車均采用60t國產寬體卡車，卡車數量90臺，按照70萬元/輛的市場價計算，卡車總投資額為6300萬元。

采用無人駕駛的寬體卡車可節省運輸環節中人員工資，并通過無人駕駛系統的優化，可適當降低燃油消耗，另外，考慮無人駕駛卡車更高的投資額，一定程度上提高了生產成本中設備折舊費，兩種技術的經濟性對比結果見表1。

結合表1計算結果，無人駕駛技術投資額較傳統卡車技術高3600萬元，但由于運營成本低，年節省生產成本約2500萬元，投資差額靜態回收期僅為1.47年，表明無人駕駛技術經濟效益良好。

4.2 生態效益分析

結合國外運行實踐，以及國內科技公司的研究成果，無人駕駛卡車控制系統通過對卡車路徑優化、運行狀態改善等系統性規劃，可有效降低露天煤礦運輸系統的能耗，生產人員的減少進一步改善了從業者的工作環境，總之，生態效益十分可觀。

5 結語

在大南湖露天煤礦卡車運輸環節運用無人駕駛技術，技術及效益層面都具有可行性，技術上能夠保障無人駕駛卡車的穩定與安全，經濟上能夠為企業創造更豐厚的利潤，且符合綠色開采、智慧化開采理念，為大南湖露天煤礦實現智能高效開采提供了選擇。

參考文獻

[1] 白怡明.西灣露天煤礦110t大型礦山卡車無人駕駛系統關鍵技術[J].露天采礦技術，2020，35（1）：29-32.

[2] 新疆天池能源有限責任公司.露天煤礦無人駕駛卡車智能車載終端方向調節減震支架：CN201920633166.5[P].2020-02-07.

[3] 新疆天池能源有限責任公司.一種露天煤礦無人駕駛系統手持指揮終端外結構：CN201920633168.4[P].2020-02-07.

[4] 周菲鑫.煤礦井下無人駕駛電機車定位系統研究[J].數字化用戶，2018，24（51）：223+225.

[5] 武學宏.礦井機車無人駕駛系統的研究[J].山東煤炭科技，2019（8）：213-214+217.

[6] 周菲鑫.煤礦井下電機車無人駕駛測控系統研究[D].淮南：安徽理工大學，2019.

[7] 廈門大學嘉庚學院.一種煤礦井下無人駕駛無軌膠輪車控制系統：CN201820047087.1[P].2018-09-04.

[8]丁震，孟峰.礦用無人卡車國內外研究現狀及關鍵技術[J].中國煤炭，2020，46（2）：42-49.