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无人驾驶版“流浪地球”:探访零下50度煤矿里的无人矿卡

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在这里登高而望,你会怀疑自己穿越到了电影《流浪地球》里。

一片巨大的露天矿坑从脚底下一直向视野的尽头延伸,矿石表面覆着霜雪,掩盖住了原本的颜色,更增近乎极地的荒凉感。因气候干燥,劲风掠过,一团团雪粒如同沙尘一般飞扬。

矿坑内部有序刻画着一圈圈道路,呈阶梯状排布,越往中心越低,犹如一个静止的涟漪。

远距离使得肉眼失去了对物体大小的判断能力。其实,这里每条道路宽达30多米,相当于双向八车道的中国标准高速公路。而正在行驶的矿卡,却轻轻松松占去了近半边,若要两辆会车也不容易,其体积之大,可想而知。

冰天雪地,庞然大车,澎湃新闻记者的脑海中不禁响起“北京第三区交通委提醒您:道路千万条,安全第一条,行车不规范,亲人两行泪”的配音。

不过,不同于刘启偷开的那辆重型运载车,这里的5辆矿卡并不需要提醒司机行车规范——它们是无人驾驶,只会一丝不苟地按照算法运行。

从今年5月份开始,它们顶着疫情和雨季的阻碍,快速完成了无人化改造,目前正处于工业试运行的状态。

“目前无人驾驶的车辆最高车速达到38km/h,超过了有人驾驶规定的30km/h,提升了26.7%。 5台卡车无人化工业运行后,无人驾驶运输效率将超过有人驾驶。” 神宝能源公司露天煤矿矿长于海旭表示。

极寒往返跑

这座神华宝日希勒(以下简称“神宝”)露天煤矿位于著名的呼伦贝尔草原的中部,距离当地经济文化中心海拉尔地区约15公里,纬度达到49.22°(中国最北端约为53°)。

神宝煤矿始建于1998年,有着优质而丰富的煤矿资源。据神宝能源公司露天煤矿机电副矿长徐煦介绍,神宝在2014年通过国家核定产量达到每年3500万吨,以露天矿而论,可跻身全国前三,承担着东北煤炭保供的任务。根据设备情况和需求调节,神宝2020年的计划产量为2100万吨。

当澎湃新闻记者来到12月中旬的海拉尔,空中正下着小雪,温度约为零下20摄氏度,夜间温度则会进一步降到零下30摄氏度。这还不是最冷的时候。到了1月份,这里夜间最低气温将逼近零下50摄氏度,达到气象学上的“极寒”标准。

记者看到,无人驾驶运输作业是在一段近似U型的道路上进行,两端分别为装载区和卸载区。矿卡需要在这中间3公里多的路程里不断装货、卸货,重复西西弗斯式的往返。

对于人力而言,这无疑是一段既严峻、又无聊的路程。矿卡司机是四班三倒进行连续不断作业,夜间班要到凌晨三、四点,正是人们比较容易犯困的时候。核定载重220吨的矿卡自重100多吨,也就是满载时将近400吨,在这没有路沿和车道线的坑洼道路上行驶,重心稍有偏移,就有安全风险,必须要严格规范操作。

“这是我们开展无人驾驶运输项目的重要因素。一方面,我们想解决人力成本的问题,另一方面,我们考虑怎样消除人的不安全行为,从本质上提升安全。” 徐煦说道。

远眺装载区,一台容量35立方米的黄色电铲正在进行剥离作业,一辆白色无人矿卡候在一旁,随后准确地倒到跟电铲匹配的位置,令电铲将剥离出来的矿土倾倒下来。承接了三铲货物之后,矿卡离开,前往卸载区,在推土机的帮助下进行排土。神宝能源公司露天煤矿机电部技术员包玮玮解释道,电铲上装载了协同作业软件,操作人员点一下允许入场,矿卡倒车入位。装满后再点一下离场按键,矿卡自行离开。

无人巨无霸

下到矿坑里,澎湃新闻记者得以近距离观察一辆编号为“01”的无人驾驶矿卡。

这辆特雷克斯(TEREX)串联式混合动力矿卡长14米多,宽近8米,高近8米,是十足的“巨无霸”,光轮胎直径就有3.6米。车前部最显眼的部位就是2000多千瓦的发动机,为整台车提供动力。车头左侧有十几级的梯子,爬上去后到达一个围着栏杆的宽敞平台,两人座驾驶室位于平台的左边部分。

项目技术负责人、慧拓研究院副院长高玉为记者一一指点了车前车后加装的多个摄像头、毫米波雷达和激光雷达。这些“眼睛”和“耳朵”通过算法进行感知融合,补齐盲点,可以排除矿区冬季飘雪、夏季沙尘等复杂环境因素的干扰。

除此之外,矿卡也进行了内部相应的线控改造,车上装载通讯、定位、控制单元,部署无人驾驶软件。

虽然只是在几公里的路段里往返跑,高玉表示,相比起其他场景的无人驾驶,煤矿场景的一大难点是路面状况复杂,而且装载区、卸载区随时在变化。一个班次就可以推进约100米距离。

神宝煤矿的极寒条件更对无人驾驶改造提出了非常高的硬件要求。零下50度,这不仅远远低于许多常规器件的工作温度,甚至会突破一些器件的存储温度,也就是说,可能不仅仅是失灵的问题,而是彻底损坏的问题。

航天重工项目经理赵毅表示,在本次的线控改造过程中,每一步都要考虑应对极寒气候。他形象地举例道,常规的电线在极寒温度下会变得非常脆,在车上稍微受到震动就断了。高玉也指出,项目采购了最耐受低温的航空级传感器,有些市面上没有符合标准的,就自主研发了保温加热装置。
解决了极寒问题,在项目过程中,研发人员还被今年草原上密集的雨季“浇”了个措手不及。高玉回忆道:“和金属矿相比,煤矿的地质条件比较软,降雨后地面被几百吨的车一压,基本上是废掉了的状态,必须停工等路面干燥了再作业。有时候下一天的大雨,要等两三天才能干。”

为此,神宝无人驾驶项目研发出了无人驾驶道路均衡碾压的防车辙技术,可有效防止在雨季矿区的道路上压出很深的车辙,减少了对道路的损害。

“老司机”难得,始终守规则的“老司机”更难得。高玉表示,无人驾驶改造对矿卡提升不仅仅是在车速方面,通过严格规范地执行作业,并对路面颠簸情况进行预测,无人驾驶提升了轮胎、车架的寿命,减少了停工时间,从而进一步降低成本、提升综合效率。

调度中军帐

就在澎湃新闻记者下矿过程中,煤矿进行了一次小规模的土方爆破作业,过程中,5台无人矿卡全都自动开回了休息区,静静等待。待爆破结束后,又重新回归工作岗位。

按下“暂停键”和“重启键”的人是谁呢?答案就在一旁简陋的板房里。那里是神宝露天煤矿无人驾驶运输项目的临时调度指挥中心。

有人车调度室通常是通过对讲机“呼来喊去”,而无人车调度室里却是一片安静,只有偶尔几下敲击键盘的声音。

23岁的慧拓现场调试负责人杨明成坐镇“中军帐”,他面前摆放着三个大屏幕和一个方向盘。正中间的大屏幕上,一张实景采集合成的矿区地图上,显示着无人驾驶运输作业面上5辆无人矿卡、一台电铲和一台履带式推土机的实时位置。

这些车上都装了北斗提供的RTK(实时动态)定位,通过基站进行位置共享。

在大多数情况下,杨明成都扮演着一个观察监测者的角色,只有在情况和环境有所变化时才进行干预。例如,若有其他设备进入作业区,或者像刚才的爆破作业,他就需要让矿车们“一键归位”。

此外,随着装载区和卸载区的不断变化,杨明成也需要对线路进行微调。因为今日下雪,他通过一键开启雪天模式,卡车平均速度从昨天的25-30km/h下调到约20km/h,无人驾驶控制器也像老司机一样开启谨慎的驾驶方式,以适配天气和路面变化。

矿坑无人化

多数人对矿区的直观想象可能是地理偏僻、信号不好。其实,矿山的工程设备对通讯的要求很高,而无人驾驶更是需要低延时。神宝煤矿正按照国家能源局的要求推进智能矿山建设,5G基础设施应时落地。

无人驾驶运输项目自今年5月份启动,截至10月底,已完成5G独立组网建设、试验场地规划、卡车改造安装调试、作业场地运行试验及权威检测检验,各项性能指标达到了安全运行要求,并通过由中国自动化学会组织的安全评审。

高玉介绍道,截至目前,项目工业性试运行状况稳定,未发生任何安全事故,并收获了四个“第一”:世界第一个极寒(零下 50 摄氏度)环境下大型矿用自卸卡车无人驾驶编组运行项目、国内第一个无人驾驶综合运输效率超过有人驾驶的露天矿无人化项目、国内第一个 5G 网络下实现五台大型矿用自卸卡车无人驾驶工业性运行项目、国内第一个 5G 网络下实现大型矿用自卸卡车无人驾驶编组并与电铲、遥控推土机智能协同作业项目。

于海旭说道:“现在无人驾驶项目正处在工业试运行阶段,前期经过了空载、半载、满载、设路障等检测,下一步就是要经过严冬的考验,如果这批无人驾驶矿卡确实经过了考验,那么明年将经验推广到其他矿卡就会很快实现。”

他进一步展望未来:“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。矿上有68辆矿卡和10台电铲,最终目标是全部实现无人驾驶。”

“我们希望神宝无人驾驶经验可复制、可推广, 并在国内露天矿无人驾驶领域起到示范引领作用,未来我们还要兴建更先进的地销煤销售系统以及连续排土工艺,真正把露天矿实现智能化。” 于海旭表示。

高玉则认为,煤矿本来就是各类矿区之中较为复杂多变的,这一套无人驾驶运输解决方案若能在极寒神宝通过考验,复制推广大有可为。

“如果说2019年是矿区无人驾驶元年,我们在2020年持续发力,明年可能是爆发丰收之年。”他说道。

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