論無人駕駛卡車在新疆大南湖露天煤礦應(yīng)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(huán)節(jié)成本，進一步提升智能化裝備水平，通過對露天煤礦現(xiàn)有的卡車運輸工況條件進行分析，提出在卡車運輸環(huán)節(jié)采用無人駕駛技術(shù)，通過分析無人駕駛卡車的技術(shù)特點以及產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，結(jié)果表明，在新疆大南湖露天煤礦采用無人駕駛卡車技術(shù)可行，年節(jié)約生產(chǎn)成本約2500萬元，經(jīng)濟效益良好，為礦山實現(xiàn)綠色智能化開采提供了選擇。

關(guān)鍵詞：無人駕駛卡車;大南湖露天煤礦;技術(shù)可行性;效益分析;智能高效

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

0 引言

大南湖礦區(qū)位于國家大型煤炭基地新疆基地吐哈區(qū)東部，是國家“十三五”時期規(guī)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(shè)計生產(chǎn)能力6.0Mt/a，規(guī)劃生產(chǎn)能力20.0Mt/a。地表境界面積37.23km2，可采原煤量1630.81Mt，設(shè)計服務(wù)年限為140年。目前生產(chǎn)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(xù)工藝，采、運、排工程均采用小型化設(shè)備作業(yè)，主要的設(shè)備規(guī)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(diào)度和大規(guī)模的用工要求給大南湖露天煤礦實現(xiàn)智能高效開采帶來了極大的挑戰(zhàn)。

無人駕駛技術(shù)可有效提高露天礦智能高效開采水平，但作為新型技術(shù)性研究成果，面對露天礦上封閉、復(fù)雜的交通狀況以及經(jīng)濟效益先導(dǎo)的考核，在其正式廣泛應(yīng)用前必須展開嚴(yán)格的可行性分析，以實現(xiàn)預(yù)期的應(yīng)用目標(biāo)。為此，從技術(shù)和經(jīng)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(xiàn)實意義。

1 礦山運輸現(xiàn)狀與存在問題

1.1 運輸現(xiàn)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(shè)備按照小型化裝備水平配置，主要采礦設(shè)備已有22臺4m3液壓挖掘機及90臺60t自卸卡車，輔助采礦設(shè)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(tǒng)。原煤由60t卡車經(jīng)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(jīng)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(huán)境極為惡劣，礦山生產(chǎn)時常由于極端天氣停工停產(chǎn)。目前存在著如下問題制約著本礦實現(xiàn)智能高效開采：首先，由于采用小型化設(shè)備，需聘請大量經(jīng)驗豐富的專業(yè)駕駛?cè)藛T進行操作，面對當(dāng)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(chǎn)用工風(fēng)險;其次，采掘場及排土場車多人多，為運輸調(diào)度、生產(chǎn)管理帶來了挑戰(zhàn)，存在著較大的安全風(fēng)險;最后，由于氣候惡劣且礦山運輸?shù)缆窏l件不佳，加劇了運輸環(huán)節(jié)中柴油及輪胎的消耗成本。

2 無人駕駛技術(shù)應(yīng)用

2.1 無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無人駕駛技術(shù)一直是國內(nèi)外探究的熱門話題，日、美對于礦山無人駕駛技術(shù)的研究走在了世界前列。其中日本早在20世紀(jì)80年代就開始在礦山作業(yè)中嘗試應(yīng)用無人駕駛技術(shù)，步入到21世紀(jì)后，日本小松公司嘗試將無人駕駛運輸系統(tǒng)運用到智利銅礦當(dāng)中，歷經(jīng)3年，全面完成無人駕駛運輸系統(tǒng)的部署，成為全世界范圍內(nèi)無人駕駛在采礦領(lǐng)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(lǐng)域已逐步實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

同樣在20世紀(jì)80年代，美國也開展了無人駕駛技術(shù)應(yīng)用研究，其中卡特彼勒公司開發(fā)了MineStar礦上無人作業(yè)體系，其以地理信息、自動控制、健康監(jiān)測、車隊管理等技術(shù)為核心，形成了無人作業(yè)體系化研究，實現(xiàn)對運載車輛的自動化控制，目前該系統(tǒng)已成功運用到美國6家采礦企業(yè)，其中150多臺設(shè)備已實現(xiàn)運載礦巖超過10億t的任務(wù)量[2]。

中國在無人駕駛技術(shù)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(lián)網(wǎng)科技公司為代表，正全力研發(fā)礦山無人駕駛技術(shù)，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(guī)模投入市場。

2.2 無人駕駛技術(shù)在大南湖露天煤礦的應(yīng)用

無人駕駛卡車在新疆大南湖露天煤礦中運用，主要任務(wù)是按照固定線路進行原煤及剝離物運輸，主要應(yīng)用于自動排卸、自動避障、倒車入位、重載爬坡、精準(zhǔn)?？俊⑼跈C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?shù)木珳?zhǔn)性與可靠性，因而，無人駕駛卡車系統(tǒng)根據(jù)煤礦運輸?shù)膱鼍耙约肮ぷ髂繕?biāo)，構(gòu)建起以環(huán)境感知、動力學(xué)控制、高精度地圖繪制、作業(yè)場景描述為基礎(chǔ)的多學(xué)科交叉復(fù)合技術(shù)系統(tǒng)，為卡車的穩(wěn)定、安全運行提供了可靠的技術(shù)支持[3]。

2.2.1 環(huán)境感知技術(shù)

環(huán)境感知技術(shù)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(huán)境，精準(zhǔn)識別障礙物，并通過對環(huán)境內(nèi)多目標(biāo)的追蹤對卡車行駛環(huán)境進行全面解讀，為無人駕駛提供可靠的依據(jù)[4]。面對著大南湖露天煤礦開采面積大、礦區(qū)內(nèi)沙塵嚴(yán)重影響著傳感器的感知能力，礦山道路等級低、質(zhì)量差、車輛行駛中時常顛簸對環(huán)境感知系統(tǒng)的抗擾動能力要求嚴(yán)格，新疆天氣條件惡劣、晝夜溫差大對于環(huán)境感知系統(tǒng)部件性能考驗。通過多功能環(huán)境傳感器優(yōu)化配置與之適應(yīng)。

2.2.2 動力學(xué)控制技術(shù)

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

2.2.3 高精度地圖繪制技術(shù)

采用高精度地圖繪制技術(shù)，可實現(xiàn)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(shù)借助高精度坐標(biāo)繪制更完整、更準(zhǔn)確的道路形狀，并添加道路高程、坡度等數(shù)據(jù)對道路狀況進行詳細描述。此外，通過技術(shù)手段降低地圖數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，可為卡車連續(xù)作業(yè)提供可靠保障[6]。

2.2.4工作場景描述技術(shù)

礦區(qū)作業(yè)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(yè);非正常則是礦區(qū)內(nèi)有作業(yè)或障礙需要卡車避讓，并會對卡車自主裝卸等產(chǎn)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(jié)合不同場景情況以及所帶來的危害提前制定應(yīng)急預(yù)案，輸入到控制系統(tǒng)中，以便卡車作業(yè)中精準(zhǔn)判斷環(huán)境。

3 技術(shù)優(yōu)勢

無人駕駛技術(shù)在礦山運輸中的應(yīng)用具有極為突出的優(yōu)勢，首先，節(jié)省了聘用駕駛司機以及輔助人員的人力資源成本，且規(guī)避了運載車輛駕駛中人為因素的干擾，減少因駕駛?cè)藛T不良習(xí)慣造成的車輛損傷以及人員損傷;其次，隨著無人駕駛技術(shù)發(fā)展水平的提升，目前可實現(xiàn)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(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了車輛與控制系統(tǒng)遠程傳輸信息，大大提高整體的協(xié)調(diào)作業(yè)效率，延長運載設(shè)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(yè)對人力資源的依賴，大大提升作業(yè)的機械化程度，國際知名礦業(yè)企業(yè)力拓集團曾統(tǒng)計過3年期間運載設(shè)備使用及效益情況，據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，無人駕駛卡車的應(yīng)用使運載車輛工作效率提高了21%，成本節(jié)約近15%，且無人駕駛卡車的應(yīng)用可因提高工作效率減少能源消耗，帶來顯著的生態(tài)效益，符合可持續(xù)發(fā)展理念[8]。

結(jié)合國內(nèi)科技公司現(xiàn)階段研究的無人駕駛卡車運行系統(tǒng)技術(shù)，尤其是在露天礦山中環(huán)境感知、動力學(xué)控制、高精度地圖繪制、作業(yè)場景等技術(shù)創(chuàng)新成果，其為礦山實現(xiàn)智能高效開采提供了可靠的技術(shù)支撐。目前國內(nèi)有關(guān)露天礦引進無人駕駛試驗系統(tǒng)后，經(jīng)過較長時間的試驗實踐，基本都達到了預(yù)期目標(biāo)，所以說無人駕駛卡車技術(shù)可行。

4 效益分析

通過經(jīng)濟與生態(tài)效益兩個方面，對傳統(tǒng)卡車技術(shù)與無人駕駛技術(shù)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(jīng)濟效益分析

目前大南湖露天煤礦運輸卡車均采用60t國產(chǎn)寬體卡車，卡車數(shù)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(jié)省運輸環(huán)節(jié)中人員工資，并通過無人駕駛系統(tǒng)的優(yōu)化，可適當(dāng)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(chǎn)成本中設(shè)備折舊費，兩種技術(shù)的經(jīng)濟性對比結(jié)果見表1。

結(jié)合表1計算結(jié)果，無人駕駛技術(shù)投資額較傳統(tǒng)卡車技術(shù)高3600萬元，但由于運營成本低，年節(jié)省生產(chǎn)成本約2500萬元，投資差額靜態(tài)回收期僅為1.47年，表明無人駕駛技術(shù)經(jīng)濟效益良好。

4.2 生態(tài)效益分析

結(jié)合國外運行實踐，以及國內(nèi)科技公司的研究成果，無人駕駛卡車控制系統(tǒng)通過對卡車路徑優(yōu)化、運行狀態(tài)改善等系統(tǒng)性規(guī)劃，可有效降低露天煤礦運輸系統(tǒng)的能耗，生產(chǎn)人員的減少進一步改善了從業(yè)者的工作環(huán)境，總之，生態(tài)效益十分可觀。

5 結(jié)語

在大南湖露天煤礦卡車運輸環(huán)節(jié)運用無人駕駛技術(shù)，技術(shù)及效益層面都具有可行性，技術(shù)上能夠保障無人駕駛卡車的穩(wěn)定與安全，經(jīng)濟上能夠為企業(yè)創(chuàng)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(xiàn)智能高效開采提供了選擇。

參考文獻

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