論無(wú)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(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸環(huán)節(jié)成本，進(jìn)一步提升智能化裝備水平，通過(guò)對(duì)露天煤礦現(xiàn)有的卡車運(yùn)輸工況條件進(jìn)行分析，提出在卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用無(wú)人駕駛技術(shù)，通過(guò)分析無(wú)人駕駛卡車的技術(shù)特點(diǎn)以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明，在新疆大南湖露天煤礦采用無(wú)人駕駛卡車技術(shù)可行，年節(jié)約生產(chǎn)成本約2500萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益良好，為礦山實(shí)現(xiàn)綠色智能化開(kāi)采提供了選擇。

關(guān)鍵詞：無(wú)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(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0204-02

0 引言

大南湖礦區(qū)位于國(guó)家大型煤炭基地新疆基地吐哈區(qū)東部，是國(guó)家“十三五”時(shí)期規(guī)劃的“疆電外送”“疆煤東運(yùn)”重點(diǎn)煤電基地，大南湖露天煤礦一期設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝，采、運(yùn)、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(jī)匹配60t寬體卡車，運(yùn)輸卡車達(dá)90臺(tái)，運(yùn)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(shí)現(xiàn)智能高效開(kāi)采帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

無(wú)人駕駛技術(shù)可有效提高露天礦智能高效開(kāi)采水平，但作為新型技術(shù)性研究成果，面對(duì)露天礦上封閉、復(fù)雜的交通狀況以及經(jīng)濟(jì)效益先導(dǎo)的考核，在其正式廣泛應(yīng)用前必須展開(kāi)嚴(yán)格的可行性分析，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的應(yīng)用目標(biāo)。為此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面探究大南湖露天煤礦無(wú)人駕駛卡車的運(yùn)用可行性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦山運(yùn)輸現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

1.1 運(yùn)輸現(xiàn)狀

大南湖露天煤礦采剝工程目前采用外包運(yùn)營(yíng)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(tái)4m3液壓挖掘機(jī)及90臺(tái)60t自卸卡車，輔助采礦設(shè)備13臺(tái)。剝離與采煤臺(tái)階全部采用水平劃分，臺(tái)階高度為10m，排土臺(tái)階高度為20m。目前露天煤礦形成了原煤運(yùn)輸及剝離運(yùn)輸兩套開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)。原煤由60t卡車經(jīng)工作幫移動(dòng)坡道、采場(chǎng)北幫運(yùn)輸平盤及出入溝運(yùn)往地面破碎站進(jìn)行破碎;剝離物由60t卡車經(jīng)工作幫移動(dòng)坡道、采場(chǎng)南部出入溝、排土場(chǎng)排土運(yùn)輸坡道運(yùn)往排土場(chǎng)排棄。

1.2 存在問(wèn)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(shí)常由于極端天氣停工停產(chǎn)。目前存在著如下問(wèn)題制約著本礦實(shí)現(xiàn)智能高效開(kāi)采：首先，由于采用小型化設(shè)備，需聘請(qǐng)大量經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)駕駛?cè)藛T進(jìn)行操作，面對(duì)當(dāng)前人力資源成本不斷攀升、地理位置偏遠(yuǎn)且招工難的問(wèn)題，加大了本礦生產(chǎn)用工風(fēng)險(xiǎn);其次，采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)車多人多，為運(yùn)輸調(diào)度、生產(chǎn)管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)，存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn);最后，由于氣候惡劣且礦山運(yùn)輸?shù)缆窏l件不佳，加劇了運(yùn)輸環(huán)節(jié)中柴油及輪胎的消耗成本。

2 無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用

2.1 無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人駕駛技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外探究的熱門話題，日、美對(duì)于礦山無(wú)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(kāi)始在礦山作業(yè)中嘗試應(yīng)用無(wú)人駕駛技術(shù)，步入到21世紀(jì)后，日本小松公司嘗試將無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)用到智利銅礦當(dāng)中，歷經(jīng)3年，全面完成無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的部署，成為全世界范圍內(nèi)無(wú)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(dòng)下，無(wú)人駕駛卡車在采礦領(lǐng)域已逐步實(shí)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(guó)也開(kāi)展了無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用研究，其中卡特彼勒公司開(kāi)發(fā)了MineStar礦上無(wú)人作業(yè)體系，其以地理信息、自動(dòng)控制、健康監(jiān)測(cè)、車隊(duì)管理等技術(shù)為核心，形成了無(wú)人作業(yè)體系化研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載車輛的自動(dòng)化控制，目前該系統(tǒng)已成功運(yùn)用到美國(guó)6家采礦企業(yè)，其中150多臺(tái)設(shè)備已實(shí)現(xiàn)運(yùn)載礦巖超過(guò)10億t的任務(wù)量[2]。

中國(guó)在無(wú)人駕駛技術(shù)上的研究起步較晚，近年來(lái)，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(wú)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(cè)試階段，待大規(guī)模投入市場(chǎng)。

2.2 無(wú)人駕駛技術(shù)在大南湖露天煤礦的應(yīng)用

無(wú)人駕駛卡車在新疆大南湖露天煤礦中運(yùn)用，主要任務(wù)是按照固定線路進(jìn)行原煤及剝離物運(yùn)輸，主要應(yīng)用于自動(dòng)排卸、自動(dòng)避障、倒車入位、重載爬坡、精準(zhǔn)停靠、挖機(jī)裝載等場(chǎng)景。與公路上駕駛車輛不同，煤礦中運(yùn)輸具有特殊性，其需要保障運(yùn)輸?shù)木珳?zhǔn)性與可靠性，因而，無(wú)人駕駛卡車系統(tǒng)根據(jù)煤礦運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)景以及工作目標(biāo)，構(gòu)建起以環(huán)境感知、動(dòng)力學(xué)控制、高精度地圖繪制、作業(yè)場(chǎng)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(yùn)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(jī)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等精密的測(cè)距、傳感裝置感知與檢測(cè)周圍環(huán)境，精準(zhǔn)識(shí)別障礙物，并通過(guò)對(duì)環(huán)境內(nèi)多目標(biāo)的追蹤對(duì)卡車行駛環(huán)境進(jìn)行全面解讀，為無(wú)人駕駛提供可靠的依據(jù)[4]。面對(duì)著大南湖露天煤礦開(kāi)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(jí)低、質(zhì)量差、車輛行駛中時(shí)常顛簸對(duì)環(huán)境感知系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力要求嚴(yán)格，新疆天氣條件惡劣、晝夜溫差大對(duì)于環(huán)境感知系統(tǒng)部件性能考驗(yàn)。通過(guò)多功能環(huán)境傳感器優(yōu)化配置與之適應(yīng)。

2.2.2 動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)

無(wú)人駕駛卡車得以在露天礦山平穩(wěn)運(yùn)行，要求其能夠在任何場(chǎng)景下始終保持穩(wěn)定的自適應(yīng)能力，并主動(dòng)做好平衡性控制，安全、可靠地完成既定的技術(shù)動(dòng)作，基于動(dòng)力學(xué)原理的控制技術(shù)可實(shí)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(shí)現(xiàn)精度在1m、相對(duì)精度在10cm～20cm之間的地圖繪制，從而可更加精細(xì)與真實(shí)地反映道路情況，該項(xiàng)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(duì)道路狀況進(jìn)行詳細(xì)描述。此外，通過(guò)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(chǎng)景描述技術(shù)

礦區(qū)作業(yè)場(chǎng)景分為正常、非正常、緊急三種場(chǎng)景，正常場(chǎng)景則為無(wú)任何障礙及意外下展開(kāi)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(huì)對(duì)卡車自主裝卸等產(chǎn)生影響;緊急場(chǎng)景是指對(duì)于卡車運(yùn)行有較大安全威脅、危害的場(chǎng)景[7]。結(jié)合不同場(chǎng)景情況以及所帶來(lái)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(shì)

無(wú)人駕駛技術(shù)在礦山運(yùn)輸中的應(yīng)用具有極為突出的優(yōu)勢(shì)，首先，節(jié)省了聘用駕駛司機(jī)以及輔助人員的人力資源成本，且規(guī)避了運(yùn)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(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展水平的提升，目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人駕駛卡車自動(dòng)化與智能化控制，配合GPS定位、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車輛與控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸信息，大大提高整體的協(xié)調(diào)作業(yè)效率，延長(zhǎng)運(yùn)載設(shè)備的使用壽命;最后，無(wú)人駕駛卡車的成功運(yùn)用，將減少礦山作業(yè)對(duì)人力資源的依賴，大大提升作業(yè)的機(jī)械化程度，國(guó)際知名礦業(yè)企業(yè)力拓集團(tuán)曾統(tǒng)計(jì)過(guò)3年期間運(yùn)載設(shè)備使用及效益情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，無(wú)人駕駛卡車的應(yīng)用使運(yùn)載車輛工作效率提高了21%，成本節(jié)約近15%，且無(wú)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(lái)顯著的生態(tài)效益，符合可持續(xù)發(fā)展理念[8]。

結(jié)合國(guó)內(nèi)科技公司現(xiàn)階段研究的無(wú)人駕駛卡車運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)，尤其是在露天礦山中環(huán)境感知、動(dòng)力學(xué)控制、高精度地圖繪制、作業(yè)場(chǎng)景等技術(shù)創(chuàng)新成果，其為礦山實(shí)現(xiàn)智能高效開(kāi)采提供了可靠的技術(shù)支撐。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)露天礦引進(jìn)無(wú)人駕駛試驗(yàn)系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)實(shí)踐，基本都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，所以說(shuō)無(wú)人駕駛卡車技術(shù)可行。

4 效益分析

通過(guò)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益兩個(gè)方面，對(duì)傳統(tǒng)卡車技術(shù)與無(wú)人駕駛技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，以探究無(wú)人駕駛卡車在大南湖露天煤礦運(yùn)用的合理性。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前大南湖露天煤礦運(yùn)輸卡車均采用60t國(guó)產(chǎn)寬體卡車，卡車數(shù)量90臺(tái)，按照70萬(wàn)元/輛的市場(chǎng)價(jià)計(jì)算，卡車總投資額為6300萬(wàn)元。

采用無(wú)人駕駛的寬體卡車可節(jié)省運(yùn)輸環(huán)節(jié)中人員工資，并通過(guò)無(wú)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(wú)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(fèi)，兩種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)合表1計(jì)算結(jié)果，無(wú)人駕駛技術(shù)投資額較傳統(tǒng)卡車技術(shù)高3600萬(wàn)元，但由于運(yùn)營(yíng)成本低，年節(jié)省生產(chǎn)成本約2500萬(wàn)元，投資差額靜態(tài)回收期僅為1.47年，表明無(wú)人駕駛技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益良好。

4.2 生態(tài)效益分析

結(jié)合國(guó)外運(yùn)行實(shí)踐，以及國(guó)內(nèi)科技公司的研究成果，無(wú)人駕駛卡車控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)卡車路徑優(yōu)化、運(yùn)行狀態(tài)改善等系統(tǒng)性規(guī)劃，可有效降低露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的能耗，生產(chǎn)人員的減少進(jìn)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(yǔ)

在大南湖露天煤礦卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié)運(yùn)用無(wú)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(wú)人駕駛卡車的穩(wěn)定與安全，經(jīng)濟(jì)上能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造更豐厚的利潤(rùn)，且符合綠色開(kāi)采、智慧化開(kāi)采理念，為大南湖露天煤礦實(shí)現(xiàn)智能高效開(kāi)采提供了選擇。

參考文獻(xiàn)

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