创新 • 创优 • 创见
宝日希勒露天煤矿位于内蒙古呼伦贝尔草原中部，每年那里都会出现零下四五十摄氏度的极寒天气，限制着矿区的生产作业。用矿上人的话说，不仅“人遭罪”，车也常常“罢工”。
如今，这一情况正在发生改变。
2021年5月27日，5台长约15米、宽和高约8米、载重可达220吨的白色无人驾驶大型矿用自卸卡车正夜以继日地进行着工业试运行运输作业。
“该矿卡编组及有关控制系统已经受住今年零下42℃的低温考验，且工业性试验以来，无人驾驶系统各项性能不断提升，累计满载运输超过5600多车次，运输土方超过44万立方米，运输里程数超过2.5万公里。”国家能源集团大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿副矿长徐煦表示，经过重重考验的“5G+无人驾驶”矿卡编组即将正式进入工业化运行。
“这将填补世界极寒地区矿山设备无人化运行空白和国内露天矿无人驾驶技术领域多项空白，提高设备生产效率。”大雁公司（宝日希勒能源）有关负责人表示，宝日希勒能源“5G+无人驾驶”矿卡编组安全示范工程项目的实施，开创了数个“第一”。
整车改装，给矿卡植入智慧大脑
27日13时，宝日希勒露天煤矿。经过转弯、倒车等一系列自主操作后，编号为2201的白色矿卡准确地停泊在有坡度的道路边缘，开始向路边的排土场倾倒土方。
如今，这样的场景每天都在这里上演。
据了解，近几年，智能矿山建设成为能源行业热点之一，从国家到地方，相关政策频频发布。在政策号召和鼓励之下，国家能源集团提出了智能矿区的建设规划。2020年5月，其旗下大雁公司（宝日希勒能源）联合航天重型工程装备有限公司、青岛慧拓智能机器有限公司启动极寒型复杂气候环境露天矿无人驾驶卡车编组安全示范工程项目，并在该公司露天煤矿落地。
根据项目实施方案，第一步是对矿区5台220吨大型矿用自卸卡车进行无人化改造升级，涉及机械结构、液压系统等。这是整个项目能否顺利实施的前提。
改装完成后，这5台矿卡被植入“智慧大脑”——无人驾驶系统。“该系统是实现矿卡智能化、无人化的根本所在，使矿卡具备单车自动行驶能力，并能够感知环境与障碍物信息、做出单车范围内的决策命令、具备自动避障及控制能力。”大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿技术人员包玮玮告诉记者，系统包括针对大型矿卡的通信、环境感知等模块。
以环境感知模块为例。“这就相当于是车辆的‘眼睛’，既要看得清，也要看得远。”据大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿机电管理部主任杜志勇介绍，这5台矿卡身上分别搭载了多类型雷达传感系统等，在复杂天气中，车辆也可对周围环境进行感知并作出判断，及时采取避让、制动等措施。
搭建网络，实现智能协同作业
露天煤矿的开采原理是把煤层上面的砂岩剥离开，使用矿卡运输至排土场排弃，原煤露出后再使用矿卡运输到破碎站破碎、分离，通过皮带传送至储煤仓。
显然，仅靠矿卡无法完成这一系列作业，还需要推土机、电铲等作业车辆辅助。
“入场！”电铲驾驶员白亮点击装备协同作业管理系统的“入场”按钮，在安全线外等候的2207号矿卡自动驶向电铲。转弯、倒车，然后平稳准确地停在距离电铲不远的地方，车厢恰好在装满土方的电铲勺斗下方。
三四分钟后，白亮点击“出场”按钮，装满土方的2207号矿卡启动，自主驶向排土场。
一公里外，滕春阳正坐在大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿现场设立的无人驾驶指挥中心内，全神贯注地盯着无人驾驶作业管理平台屏幕中5台无人驾驶矿卡的运行情况。“这几个黄点就是无人驾驶矿卡。”滕春阳指着显示屏说。
矿卡与电铲等作业车辆如此精准地协作配合如何实现？
据介绍，无人驾驶矿卡上搭建的无线通信系统，是无人矿卡之间以及无人矿卡和辅助车辆、监控中心通信的基础设施。与此同时，电铲、推土机等作业设备终端装有装备协同作业管理系统。这些系统全部接入无人运输作业智能调度系统。
“智能调度系统是整个露天矿无人化作业管理的神经中枢，是所有设备之间安全运行、协调高效工作的桥梁纽带。”大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿矿长于海旭告诉记者。该系统将无人驾驶矿卡及安装无人驾驶感知设备的电铲、推土机和其他辅助作业车辆等全部纳入，能够进行无人驾驶车辆智能调度、交通管理、作业任务分配、作业数据统计与分析等，目前已具备管理多台不同品牌、不同型号矿卡的能力。
“未来，只需要一个安全员坐在指挥中心就可以管理这些无人驾驶矿卡。”于海旭说，安全员在云端下发运行指令，无人驾驶矿卡便从备停区发车进入无人驾驶作业流程，与辅助车辆协同作业，实现5台矿卡“装、运、卸”典型工况的智能化运行。
而这一切，均离不开5G网络的支持。据介绍，项目伊始，中国移动公司经现场实地勘察，共为露天矿区建设6个5G基站，铺设环矿光缆37.45公里。
极寒工况，关键技术突破确保运行安全稳定
“哈一口气，眉毛上能结一层霜。”于景斌是大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿的“老人”，已经在矿区干了16年。冬天的冷最让他刻骨铭心——一年中，矿上的最低气温可达零下50摄氏度。“即便穿得里三层外三层，出门几分钟就被冻得透透的。”
在这样极寒复杂的气候环境下工作，人遭罪，普通车辆也常常会出现机械性故障，“不听使唤”。这也正是无人驾驶矿卡面临的最大挑战。
“一方面，发动机尾气凝结成冰霜容易让车辆误认为是障碍物。另一方面，传感器等设备也容易‘罢工’。”包玮玮告诉记者，针对第一个问题可通过优化算法、多传感器融合来解决，但第二个问题就没那么容易解决。
“这就要求我们一方面要严格设备选型，另一方面则要做好设备的保温工作。”徐煦说。
据介绍，无人驾驶矿卡上安装使用的各个部件都需要经过耐低温性能测试，测试通过后才可使用。此外，他们还有针对性地开发了无人驾驶温控系统，可以实时检测设备工作温度及工作状态，保障设备在最佳温度区间工作。
“就像是一个加热装置，用来保障在极寒条件下设备工作的稳定性和可靠性。通常情况下，是控制在10-20摄氏度。”徐煦表示。
慧拓研究院副院长高玉表示，如果各地矿区无人驾驶的项目难度最高为十级，此次在大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿进行的极寒型复杂气候环境无人驾驶卡车编组安全示范工程难度几乎置顶，这对于无人驾驶在不同地质、气候等条件的矿区推广有着重要意义。“如果这种级别的难度克服了，那么在难度没这么高的矿区，相关技术很容易落地。”
目前，该矿区承担运输作业的有人驾驶矿卡的行驶速度最高为30km/h，无人驾驶矿卡的最高速度已达40km/h，相比有人驾驶提升了33.3%。同时，有人驾驶采用的是四班三倒制，每次换班大约需要一个小时左右，而无人驾驶作业则基本不需要占用换班时间，节省出来的时间可直接用于运输作业。
“在二者的共同作用下，将极大提高生产效率。”于海旭表示，无人化生产作业从根本上杜绝了人员安全事故的发生。同时，5台卡车无人化工业运行成熟后，预计可节省人力约20人。
“无人驾驶全部应用后，这个矿坑就会成为智能化的矿坑，下一步我们将研究电铲挖掘机的远程操控，通过收集技术参数，为将来电铲的无人驾驶以及与矿卡的无缝对接打下基础。”大雁公司（宝日希勒能源）副总经理孟峰表示。
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当前，智能矿山建设是能源行业的一个热点。即将召开的第九次全国煤炭工业科技大会上，煤矿智能化升级也是主题之一。大雁公司（宝日希勒能源）极寒型复杂气候环境露天矿无人驾驶卡车编组安全示范工程项目，正是国家能源集团推进煤炭产业与智能化技术深度融合、打造智能矿山的一个例子。
事实上，从国家到地方，近年来频频发布相关政策：2020年初，国家能源局等八部门印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》；同年7月，国家能源局发布《关于开展首批智能化示范煤矿建设推荐工作有关事项的通知》，提出加快煤矿智能化建设；2021年5月，国家能源局综合司、国家矿山安全监察局综合司发布《关于支持鼓励开展煤矿智能化技术装备研发与应用的通知》……
与此同时，各煤炭企业对智能化技术的追求意愿也非常迫切，希望利用智能化创新驱动来促使企业转型升级，并作出探索。在八部门印发《指导意见》后，国家能源集团先后印发《关于加快煤矿智能化建设的实施意见》《关于进一步加快煤矿智能化建设的通知》《煤矿智能化建设指南（试行）》等。
2020年11月，该集团9个煤矿入选国家首批71个智能化示范煤矿建设名单。目前，集团已全面启动煤矿智能化建设，主要从生产智能化和安全智能化两个方面开展，突破并掌握了5类智能采煤、5类智能掘进、3类卡车无人驾驶、5类21种煤矿机器人、可视化远程控制和移动巡检等关键核心技术。除大雁公司（宝日希勒能源）露天煤矿外，集团旗下神东榆家梁煤矿地面遥控采煤已实现常态化运行，工作面产量由8万吨/月提升至15万吨/月；石圪台煤矿等高无人工作面实现了1.4米以下煤层的无人化开采……
“十四五”期间，国家能源集团将加速开展煤矿智能化建设，计划到今年末建成9座国家首批智能化示范煤矿；到2022年末实现“煤矿智能化技术及建设100%覆盖、采煤工作面100%智能化、掘进工作面100%智能化、选煤厂100%智能化、固定岗位100%无人值守”；到2025年，集团公司各煤矿将全部实现智能化。
