国外矿山无人驾驶现状浅析

  当前露天矿生产过程中,对无人驾驶矿卡的需求量越来越大。随着高精度定位、组合导航、大数据、云计算、传感器和车辆控制等技术的发展,为矿用无人驾驶车辆的应用提供了新的发展机遇。同时国家也出台了相应政策(详细政策点我),极大的推动了矿用无人驾驶车辆的研发。矿用无人驾驶车辆的良好发展前景使各方持续关注并加大投入,世界各大矿用车辆生产企业在无人驾驶领域的研究和应用都取得了极大的进展。

  矿用无人驾驶卡车的研究早在20世纪70年代就开始。1994年,卡特彼勒公司2台无人驾驶矿卡在美国投入使用。1995年,小松公司1台载重77吨的矿卡在日本的一个采石场进行无人驾驶采矿试验。

  目前,5大全球矿用车供应商都在进行无人驾驶矿用车的应用与研究。小松的自动运输系统已经在澳大利亚和智利运行多年,现已有180多台930E实现了无人驾驶,累计运输物料超过20亿吨;卡特彼勒也有超过150多台矿用无人驾驶卡车在帮助近10家矿业公司运输铁矿石、铜和油砂等,为客户安全移送物料已超过10亿吨(数据来源:卡特彼勒中国微信公众号);日立、利勃海尔和别拉斯的无人驾驶技术也正在试验中;小松于2019年宣布将在巴西卡拉加斯矿山增加37台930E无人驾驶矿车。

  “MineStar”系统由车辆管理系统(Fleet)、生产现场管理系统(Terrain)、安全探测系统(Detect)、设备诊断系统(Health)与调度协同指挥系统(Command)5个功能模块组成。车辆管理系统能够提供实时的设备跟踪,按作业计划分配车辆及利用率统计管理。生产现场管理系统能对挖掘、装载、排土等作业进行精细管理。安全探测系统依靠环境感知探测器与报警系统用于辅助操作避免发生碰撞。设备诊断系统能够显示设备运行状况及运行数据,实现对设备诊断分析并实时上传数据。“MineStar”系统的各个功能模块相关数据和信息可以共享,实现卡车装载、运输、卸载等环境信息感知以及车辆装载点、卸载点、行驶路径的规划。

  20世纪80年代末,卡特公司研制首台自动化矿用卡车,1996年研制了第一辆无人驾驶卡车。2008年卡特开发了793F无人驾驶卡车。2012年7月,卡特公司为澳大利亚所罗门铁矿提供45辆793F无人驾驶卡车,并提供完整的“MineStar”系统。目前,澳大利亚所罗门铁矿运营的无人驾驶卡车为60辆,累计运量超过2.5亿吨,有人驾驶卡车为12辆。无人驾驶卡车每天作业为23.5小时,0.5小时用于点检及加油,与有人驾驶卡车相比,无人驾驶卡车每天多作业2~3小时,年作业时间近7000小时,可提高生产效率20%~30%。与此同时,无人驾驶卡车不会因驾驶员疲劳和误操作而引发事故。目前,卡特公司在运行的无人驾驶卡车总数超过200辆。

  小松公司的卡车无人驾驶主要通过自动化运输系统(Autonomous Haulage System,AHS)实现,系统用控制装置、GPS卫星、无线通信技术和软件来取代原来坐在驾驶室内的司机。

  1996年,小松公司研制了第一辆无人驾驶卡车,2005年,小松公司研制了无人运输系统。2016年,小松公司研制了首款无驾驶的矿用卡车。目前,小松公司在运行的无人驾驶卡车总数超过100辆。

  目前,全球市场上主要有3家供应商已实现自主运输系统(AHS)的商业化部署应用。与国内多类运输车辆不同,国外矿山运输全采用大型矿卡。矿卡OEM卡特彼勒和小松主要针对自己的车队提供自动驾驶解决方案,卡特彼勒也提供小松930E矿卡的改装方案。自动化解决方案商ASI(Autonomous Solutions,Inc.)主要为其他品牌或型号的矿卡提供后装自动驾驶方案。

  另外,还有几家OEM厂商具有不同成熟度的自主运输系统方案,尚未获得商业订单。

  日立(Hitachi)基于其EHAC-3系列矿卡提供自动驾驶改装方案,目前与澳大利亚电力公司Stanwell Corporation Limited合作,在Meandu煤矿建立了一个试验场进行原型试验。

  BELAZ与矿山数字化公司VIST集团(Zyfra集团的子公司)合作的2辆130吨载重自动驾驶矿卡,在俄罗斯的露天矿进行了小型试验,截至2020年3月4日,已经完成超过5000公里的运输测试,但目前还没有声称可以进行大规模部署。

  利勃海尔集团(Liebherr)自2016年以来一直在进行自动驾驶初始原型测试,未来可以提供交钥匙的整体解决方案或开放式解决方案,以便客户与第三方的方案进行集成,如兼容ASI的Mobius平台。

  截止2020年4月,全世界有275辆卡特彼勒的自动驾驶卡车在运营,其运输量已经超过20亿吨,累计行驶里程6760万公里,且没有发生任何人员伤亡事件。

  卡特彼勒采取分开出售自动驾驶系统与矿卡的策略。卡特彼勒向客户收取自动驾驶硬件费、软件费和定期许可费,每笔合同额度在5000万美元至数亿美元之间,具体取决于车队规模和合同期限。

  截止2020年6月底,小松的FrontRunner自主运输系统(AHS)在三大洲的11个矿山上已经运输了超过30亿吨的物料,包括铜、铁、油砂和煤矿。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住了考验,使用期间安全事故为零。一个好的操作员只要在AHS系统中设置好矿场的倾卸位置,就可以操作多达30辆卡车,极大地降低了人力成本。

  目前共有251辆自动驾驶矿卡投入运营,另外100辆矿卡计划在2020财年内完成改装。其中,新卡车的改装需要一周多的时间,而旧卡车改装过程可能长达三周。

  •功能区域分离:必须在卡车的自动驾驶工作区域设置适当的标志和路障,以确保只有经过授权的人员和设备才能进入工作区域;

  •授权操作:只有经过FrontRunner操作和安全培训的人员才能授权操作;

  •简单的固定线路:固定线路使FrontRunner可以更好地引导自动驾驶卡车并优化生产效率;

  •灵活的路口规划:例如,小松发现使用“Y”形路口有助于自动驾驶卡车保持速度并减少自动驾驶卡车之间的冲突,从而提高效率;

  2018年开始ASI与Barrick Gold合作进行自动驾驶运输项目,初期ASI将对5辆小松930-EUltra-Class的矿卡进行改装,使其能够在位于Barrick的Arturo矿山进行自动作业,后期可扩展到更多车辆。

  拥有欧洲最大铁矿床的Ferrexpo公司和ASI通过改装卡特彼勒793D矿卡,于2019年10月成功完成了自动驾驶的商业部署测试,后续计划改装15辆车。

  2020年2月,澳大利亚的铁矿开采服务商Roy Hill与采矿设备和服务提供商Epiroc签订了一份合同,提供自动驾驶矿卡解决方案。

  Epiroc(已收购ASI34%的股份)将与ASI一起,将Roy Hill的77辆包括日立在内的多品牌混合卡车车队进行自动驾驶改装,并与Roy Hill现有的Wenco车队管理系统进行集成。

  尽管ASI占据的自主运输系统市场非常有限,但它们的自动驾驶系统已经在全球的农业、国防、清扫、安保等行业商业化应用,改装运营的车辆超过1000辆,75类车型。

  近十几年来,科技发展突飞猛进,矿山设备的自动控制水平越来越体现了矿山企业的核心竞争力。不可否认,矿山无人驾驶系统在提高生产效率、降低安全隐患、带来经济、社会、安全效率等方面均有突出表现,是未来智能矿山必不可少的一部分。

  无人驾驶卡车在节省人力成本的同时,葡京高手心水論壇。也提高了矿山车辆及人员的安全性和生产效率,它有机的与矿山调度管理、设备管理、资产管理和监控诊断等方面结合一起,成为数字化矿山的一个重要组成部分,为生产组织与决策提供依据。

  根据2021年3月由中国煤炭工业协会发布的《2020煤炭行业发展年度报告》,到“十四五”末,全国煤矿数量在4000处左右,建成智能化生产煤矿数量1000处以上。矿山运营服务的市场规模超上千亿元,在未来这个数据还会增长。矿山无人驾驶市场巨大,具有广泛的应用前景。