无人驾驶矿用车发展现状及未来展望

★综述女无人驾驶矿用车发展现状及未来展望分会秘书处【摘要】采矿行业中，运输仍然是相当危险的工作，人和车在一起工作时常会发生伤亡事故。因此对无人驾驶车辆的需求在不断增长，矿用车制造商们对自动化的未来也非常乐观。但是，采矿行业怎样才能做好大规模实施自动化技术的准备，目前仍然是个问题。过去十年，由于科技进步及环境法规等问题，客户需求极大地影响了矿用车的设计，全球各大主要矿用车制造商均在无人驾驶领域取得了多方面成果。当前无人驾驶矿用车发展现状和未来发展前景如何，本文就此进行探讨。关键词：无人驾驶矿用车现状展望地表采矿的自动化矿用车(无人驾驶矿用车）是矿山自动化运行的主要组成部分，受到采矿行业越来越多的关注，它可以在一定程度上改善安全健康业绩指标，还能降低运行成本和提高生产率。无人驾驶矿用车的基本概念简单点说就是:在无驾驶人员的情况下，能按特定路线行驶和装载、卸载，自动地完成工作循环，有意外情况时能减速或停车一用控制装置、GPS导航、无线通信技术和软件来取代原来坐在驾驶室内的司机。市场需求是制造商开发和生产的动力，在此领域，世界排名前两位的工程机械巨头美国CAT和日本KOMATSU走在了前面，中国的北方股份(NHL)最近也展示了其产品，以及日本日立、白俄罗斯别拉斯也在此领域取得了进展。目前,使用无人驾驶矿用车的矿山比例还很小，当前模式主要是矿用车制造商与矿业公司合作并为后者提供解决方案。1无人驾驶矿用车全球行业格局1.1日本小松作为全球电动轮矿用车制造商的“龙头老大”，小松在无人驾驶矿用车研发方面也是布局最早、最为成功的一个。这家日本老牌企业虽然年事已髙，但玩新技术的热情却一点都不亚于很多后起之秀。小松的无人驾驶技术，最早可以追溯到2005年。当时，小松在智利的铜矿开始进行无人运输系统的试验，但小松并没有为无人驾驶研制新型车辆，而是采用现有车型，为其安装了多种传感器、控制器和通讯组件等设备，确保其可在指令之下自动行驶。而整个系统还需要地面控制中心、通信基站等设备，并在导航卫星的支持下工作。3年后，小松的试验取得了成功，并于2008年1月实现了商业化部署，距离现在已经整整11年了。如今，小松的无人运输系统已应用在澳大利亚、南北美洲的6座矿山，包括铜、铁和油砂矿，车辆总数超过100台。到2018年底，累计运输了20亿吨的物料。这些车辆以及系统在安全性、生产力、环境耐受性和系统灵活性方面经受了考验。近年来，为了让无人运输系统应用在更多场合，小松还在推进改装套件试验，目的是改造现有的有人驾驶车队以实现无人驾驶。目前，试验已经基本结束，力拓已经订购了29套改装套件，用于标准的830E矿用车改装。当然，拥有矿用车自动驾驶技术的企业不止小松一家，甚至能为矿用车提供改装套件的都不止小松一家。但是目前来看，小松在应用场景和数量上略胜一筹，而且小松还为无人驾驶应用场景专门研发出了无驾驶室的车型。•2•r用汽车2019年第1期★综述女图1小松830E电动轮矿用车在2016年的美国拉斯维加斯国际矿业及工程机械展上，小松展出了这辆新车。这辆新车（全名InnovativeAutonomousHaulageVehicle)和之前其它产品最大不同之处是去掉了驾驶室，这样设计的好处是整个车身的重量能够均匀分配到4只车轮上，加上四轮驱动转向设计，车辆行驶起来更加平稳、灵活，事故发生率也更低。新车搭载了最大输出力2014千瓦(2700马力）的柴油机，整车长度15米，车轮高度8.5米，有效载荷230吨，最高车速64km/h，转弯半径15.9米。图2小松无驾驶室车型此外，小松还计划增强无人运输系统在混合型车队的应用能力，即一个车队中同时运行有人驾驶和无人驾驶车辆，这有利于现有矿山逐渐过渡到全自动矿山。1.2美国卡特彼勒工程机械巨头卡特彼勒亦是矿用车自动化领域的活跃者，它在上世纪80年代后期便开始了这方面的研究，是最早开发出自动化矿用车的厂商之一。它以135短吨的785为基础造出了Autono­mousMineTruck(自动化矿用车，AMT)，1994一1995年间，有两台具有自动化特点的777型号矿用车在德克萨斯一个石灰石矿试用并成功运行。1996年的MinExpo展会上，卡特彼勒展示了其自动化的777D在测试场的运行情况。只不过，当时全球的矿山还没有自动化方面的准备！图3卡特彼勒777D车型真正实现自动化的关键是2008年，CAT的工程师们在提高集成化矿山运行的核心技术方面与知名大学的机器人研究所成为合作伙伴，开发了大型无人驾驶矿用车，新的模块能监控30多个重要的引擎功能，驱动20个喷油器和交换器，100多项引擎参数将发动机的健康状况记录在案，并协助诊断问题。当前CAT的无人驾驶系统包括定位、环境(路况)检测、机器控制、无线通信和位置控制，其原理也是基于精确的GPS，在比较固定的路线行驶，GPS接收器连续不断地监测矿用车的位置和方向，激光测距仪将扫描矿用车前面的路面来确定是否有障碍，数据经过计算机处理告诉操作机器人如何避开它们。由于是无线传输，不使用电缆或其它固定安装的设备，所以路线改变比较容易实现。图4卡特彼勒793F车型纖纖纖纖烫擊擊擊■■擊■■擊■擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊^^^擊擊擊擊擊擊擊擊_擊擊擊赞2019年第1期扩用汽车•3•★综述女象擊擊擊擊擊场ww烫擊雕擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊擊场擊擊擊擊赞目前，CAT无人驾驶卡车正在澳大利亚、南美和北美运营。在澳大利亚，一支由70辆CAT无人驾驶矿用车组成的车队在显著降低成本的同时，生产效率提高了30%。在流程改进后，还可能进一步提升生产效率。如今，CAT无人驾驶车队主要由CAT793F卡车组成，载重量为227吨。卡车型号的范围也正在扩大，卡特彼勒已经开发并正在部署无人驾驶CAT797F(363吨有效载荷)和CAT789D(181吨有效载荷)矿用车。1.3中国北方股份作为全球六大主流矿车制造商之一的内蒙古北方重型汽车股份有限公司(北方股份），2016年开始涉足无人驾驶矿用车研发。虽然起步相对较晚，但经过3年的研制，2018年9月，北方股份172吨MT3600B机器人辅助驾驶电动轮矿车进入包钢集团白云铁矿进行测试。测试结果显示，依靠智能机器人和车辆线控技术，矿用车可在矿山现场流畅、精准、平稳地完成倒车入位、挖机装载、精准停靠、自动倾卸、轨迹运行、自主避障等各个环节。此外，由于矿区内扬尘较多，常规摄像头难以发挥作用，车载传感器可依靠激光雷达与毫米波雷达形成双重保障，使得矿用车可实现360°无死角感知。同时，还可实现车辆准确行驶与精准停靠，将横向误差和航向误差限制在厘米级别。图5北方股份MT3600B机器人辅助驾驶电动轮矿车这一研发成果也结束了我国没有无人驾驶矿用车的历史，填补了国内空白。而仅仅4个月后，北方股份研制的载重110吨、采用线控技术的无人驾驶电动轮矿用车顺利下线，进入调试阶段，预计2019年上半年进入矿山试运行，标志着我国真正成为世界范围为数不多进入无人驾驶矿车研究领域的国家。图6北方股份NTE120AT无人驾驶电动轮矿车根据北方股份发布的消息显示，新研制的无人驾驶矿用车应用了最为先进的5G通信网络技术，在使用GPS全球定位系统的同时，兼容了北斗卫星导航系统，通过与国内最顶级的移动通信商和软件信息设备商合作，攻克了自主驾驶技术、自动作业技术、环境感知技术、定位及导航技术，保证矿车通过接收无线指令以预定速度按照规定路线运行。高精度GPS模块与控制器联合实现车辆位置的实时控制，实际行驶路线与理论路线偏差不超过0.5m，无线传输模块可实现控制信号、视频信号的高速传输，使得矿车能在无人操作的情况下实现矿山物料的装载、运输和卸载的循环运行。1.4日本日立来自日本的另一个工程机械巨头企业Hitachi(日立），在无人驾驶矿用车应用方面也紧随其后。早在2016年，日立就为矿用车设计了防滑控制、颠簸控制等功能，为走向无人驾驶解决技术难题。日立建机美国采矿应用和产品营销经理BrianMace在拉斯维加斯展会上介绍:“我们在澳大利亚试验点有3辆EH5000矿用车，已经完成了第一代设计，它们在矿场的独立区域运行，下一步将与有人驾驶矿用车混合使用。我们将会在全面试验后出售该系统。”濟擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊雕擊擊擊擊^擊擊擊擊擊雕擊擊擊擊擊擊擊*•4•扩用汽车2019年第1期★综述女象擊擊擊擊擊场ww烫擊雕擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊擊场擊擊擊擊赞图7日立EH5000车型而根据日立方面早前的介绍，日立无人驾驶矿用车商业化的时间可能是2018—2019年。但截至目前，该公司尚未发布实际商业化应用的消息。1.5白俄罗斯别拉斯别拉斯几乎是最早进入中国的矿用车品牌，最为人们所熟悉。早在2013年，别拉斯就推出了世界最大的矿用车——别拉斯75710,载重可达到惊人的450吨，至今仍保持着世界纪录。坐拥独联体国家得天独厚的地理优势，以及70多年发展矿用车产业的技术积淀优势，别拉斯在无人驾驶矿用车研发方面也开始发力。在2015年4月白俄罗斯若季诺举行的一场科学技术会议上，别拉斯展示了一台经过自动化改造的载重130吨75131型自动化矿用车，并且沿着预定路线进行了短距离无人化演示。当然，这仅仅还只是一种初步研究成果的展示，但别拉斯显然是下定了决心。2018年，别拉斯发布的相关信息显示，其无人驾驶矿用车已经使用在西伯利亚煤矿和哈卡斯共和国的能源公司。而在一年前，该企业的研究人员展示矿用车无人驾驶功能时，仅能通过远程遥控完成诸如启动车辆、前进、后退、卸车等简单的操作。通过不断完善，目前完成的130吨级75131样车已经比较完善，首台无人驾驶矿用车已经组装完成并以离线模式行驶过矿场道路，第二台矿用车的装配工作以及自动运行所需基建工程正在进行中。但据别拉斯介绍，在实际运用中，该样车还需解决遥控的距离问题，如果这个技术瓶颈被解决，产品有望进入销售环节。图8测试中的别拉斯751312全球著名矿业公司应用成果2.1力拓集团力拓集团从2008年开始在澳大利亚Pilbara(皮尔巴拉)地区的矿山尝试自动拖运系统，这是全球首个商业化的自动化矿山运输系统。澳大利亚的矿山是无人驾驶矿用车主要用户，力拓在西澳的东Pilbam(皮尔巴拉）地区的WestAngelas(西安吉拉斯）铁矿（自动化程度很高的矿山）投入全时运行，当时使用的都是小松的设备——以5辆930E电动轮矿用车为基础，还有PC5500液压铲、D475A履带推土机、WD900轮推和GD825平地机各一^台。上述这台载重290吨的无人驾驶矿用车在复杂的矿山路线上运行而不用一个司机，完全由当时在矿山现场的运行中心的监控计算机操作和控制，主控制中心则是位于一千公里外的Perth(珀斯），车辆24小时运行的所有数据包括位置和状态，都能被监测计算机验证，以期在当时劳动力资源不足的境况下获得更大的生产率。图9运行中的小松930E濟擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊擊雕擊擊擊擊^擊擊擊擊擊雕擊擊擊擊擊擊擊*2019年第1期扩用汽车•5•★综述女象擊擊擊擊擊场ww烫擊雕擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊擊场擊擊擊擊赞为进一步提高生产率、降低成本和应对劳动力短缺，2011年，力拓决定在其澳洲最大的Yandicoo-gina(扬迪库吉纳)铁矿采用此技术(原计划额外增加5辆矿用车，矿用车总数提至10辆），这些矿用车可由矿山上移动办公室的一个人来监管，这个办公室的“后盾”也是位于Perth(珀斯）的控制中心，该中心监测着14座矿山的车辆运行，还有公司在Pil-bam(皮尔巴拉)地区的铁路和港口。到了2013年，诺。上述项目将由一个遍布着机器人、无人驾驶矿用车、无人钻机和无人运货火车的智能设备网络所组成。它们将负责西澳大利亚皮尔巴拉（Pilbara)铁矿石矿区的日常生产，这样就能够通过数据分析来优化生产，提高作业安全性并减少停机时间。首席执行官Jean-S^bastienJacques在一份声明中表示：“对于力拓而言，Koodaideri矿山项目将是游戏规则改变者。该项目将是我们建