自动驾驶技术为我国智慧矿山开疆拓土

出于续航、马力、电池寿命等薄弱点，很多人认为电车在矿山环境中寸步难行。然而，性能稳定的磷酸铁锂电池问世，加之纯电车的重载下坡能量回收特性，让电车在矿山行业站稳了脚跟，这是近些年矿山行业的第一次革命。此时此刻，以无人驾驶技术为主角的第二次矿业革命正在徐徐拉开序幕。

当前，各类矿山数量呈下降趋势，国家鼓励大型矿企兼并中小矿山，支持老旧矿山绿色化改造和大型矿山智能化升级，重视矿山改造背后的重大关键技术攻关，着力推动煤矿智能化发展。

无人驾驶技术是矿山科技创新支撑体系中的重要一环，对于矿山智能化、信息化、绿色化改造具有重要意义。露天煤矿开采工艺相对简单，且对土方剥离运输需求量大，我国无人驾驶矿山系统的应用主要集中在露天煤矿，此外也少量应用在铁矿、有色金属矿、砂石矿等矿产资源的开采中。专业机构预测，2025年无人驾驶矿山的市场规模将达到200亿元以上。

上海伯镭智能科技有限公司（以下简称“伯镭科技”）是矿区电动无人驾驶的代表性企业，为露天煤矿提供L4级自动驾驶全栈技术。伯镭科技参与建设的酒钢集团西沟矿“5G+智慧矿山”项目，是全国首例集车、铲、钻联合作业为一体的智慧矿山系统，成为国内首个无安全员夜间行使案例。

图1 无人矿车正在露天矿山内运行

无人驾驶矿车

迎来效率提升期

露天矿区较开放道路封闭性强，较地下矿道信号覆盖面广，且场地分区和运输路线相对固定，运输车辆低速行驶、免于载人，因此，无人驾驶技术在露天矿场的落地应用具有先发优势。加之需求侧面临环境差、招工难、成本高等难题，矿山已成为无人驾驶技术落地的先导场景之一。

伯镭科技CTO杨扬认为，以无人驾驶技术为基石的智能矿山整体解决方案已在露天煤矿典型场景中得到验证，传统矿山改造已进入模式推广阶段。杨扬分析道：“企业做决策时，通常优先考虑矿山整体利益，体现为每辆矿车的生产效率。要从高出勤率、低故障率和强鲁棒性三个维度提高生产效率，还得从底层的自动驾驶算法做起。”

我国矿产资源具有“分布广泛、相对集中”的特征，矿山的地质和气候条件具有明显的差异性。例如，上文提到的酒钢集团西沟矿“5G+智慧矿山”项目，就是高海拔、高寒地区矿山的典型代表。“我国矿山环境的差异性决定了矿车性能的多样性。”杨扬总结道，“无论是矿卡还是宽体车，我们建立车辆的动力学模型和运动学模型，就能够屏蔽不同车体的差异性，这是发展自动驾驶算法的底层逻辑。”

图2 无驾驶室充换电一体宽体矿车

矿车环境感知系统

持续吸纳新技术加入

伯镭科技研发的自动驾驶矿车，可以在矿山现场精准可靠地完成沿线行驶、自主避障、自动倒车、车挖协同等各项环节，这些都依托其智能感知能力。现阶段，自动驾驶矿车的环境感知系统主要包含激光雷达、摄像头和毫米波雷达三项硬件配置，导航定位使用5G网络和车联网技术实现厘米级精确定位。

“从前，矿山自动驾驶视觉感知系统通常以激光雷达传感器为主。激光雷达能够通过测量距离，从而测算出点源的三维坐标信息，因而能够检测出挡墙、落石和凹坑，计算可行驶区域，减少故障和危险的发生。”杨扬认为，激光雷达能为矿山环境下的自动驾驶决策系统提供主要数据来源，但仍有一些不足。近几年，飞速发展的视觉环境感知技术补足了激光雷达不能识别物体的弊端，与穿透力更强的毫米波雷达一同被自动驾驶感知体系兼收并蓄。杨扬举例说：“矿山环境不允许出现车辆超车的情形，但视觉的加入，可以帮助矿车学习前方障碍物的种类和状态，改良车辆行为和机械协作，达到提升生产效率的目的。”

当前，我国C-V2X（Cellular Vehicle-to-Everything，车联网）技术发展和服务能力正在不断提升，正在成为科学技术创新与变革的制高点。汽车联网化渗透入矿山领域，结合露天矿山从铲、运输到卸料排土作业的全流程智能化运作，逐渐内化为零碳智能矿山解决方案的纵深发展。在V2X车联网系统中，伯镭科技采用蜂窝通信和直通通信相结合的通信方式，将V2N车联网系统、V2I车路协同系统和V2E车铲协同作业系统有机结合，可以有效管控车与车、车与路，及车与铲之间的协同配合，极大地提升了生产效率。同时，V2V通信可以实现车辆与车辆之间的信息互通，让来自不同道路的车辆在交汇时避免产生碰撞。

图3 车铲协同作业

新一轮科技革命正在加速矿业与信息技术深度融合。5G网络链接矿山全生产流程，能够减少通信中断等常见问题，有利于矿山安全风险良性管控。此外，5G网络有超高速率和低时延特性，可以实现24小时监控作业，提高运输效率和生产能力。

云端调度管理系统

实现运营数据有机收集

高精度RTK（Real Time Kinematic，实时动态测量技术）和无人机低空摄影技术，能帮助打破矿山特殊复杂环境信号传输的技术瓶颈，实现矿区地形数据的自动采集和对矿区3D模型的构建，并将信息上传至云数据库。 通过对云数据库的访问，每一台自动驾驶矿车可以快速访问3D模型，从中快速获取道路信息，并不断更新数据库信息。

杨扬谈道：“露天矿山大致分为三个区域：装载区、运输区和卸料区。以自主开发的高精度矿区地图为基础，我们设计了一套云端铲运监控调度系统，兼容矿区已经部署的露天卡调等各种MES系统，可以监控到矿区内全部无人矿卡及其他辅助作业设备，进行统一调度和管理。”

云端铲运监控调度系统可实时显示车辆行驶状态和作业信息，并能对车辆性能进行故障诊断，实时滚动显示故障报警信息。同时，该系统利用大数据和云计算等技术对运输数据进行处理和分析，发展出生产规划、智能作业调度、生产管理、报表管理、质量管理和监控管理等若干功能模块，进一步方便数据管理和优化资源配置。如有紧急情况或生产调度需要，通过操作云端铲运监控调度系统，可以让需要优先通行路线上的车辆与其他路线上的车辆产生交互，实现交汇道路上的有序优先通行，不需要工作人员亲自到现场调度。云端管理系统可以减少人员需求、降低劳动强度，并优化人力资源的配置和使用。

图4 伯镭科技-铲运监控调度系统

无人驾驶在经济效益方面具有显著优势。然而，全自动驾驶矿山的打造并非一日之功，在实际应用中会出现需要人工干预的情况。伯镭科技在无人驾驶矿车中部署人机交互终端，支持人工驾驶、自动驾驶和远程遥控三种行驶模式。终端集地图创建、精准导航、车辆数据监测、车辆数据统计等功能于一体，在人工驾驶模式下，还设计了智能制动、全景环视、防疲劳驾驶和胎压实时监测等功能，全方位确保行车安全。

目前，无人驾驶矿山还存在安全员人工接管、作业时间不够长、性能不够稳定等制约因素，在集群化运营调度能力和生产作业协同作业方面还有一定欠缺，打造供应链闭环和降低关键零部件成本，依旧是供应链各方需要解决的重要难题。“我们正在进一步提升单车运输效率和整体运营效率。”杨扬分析道：“随着矿山无人驾驶应用逐渐深入，场景复杂度将会不断加深，这是一项可以预见的挑战。为此，我们打造无人驾驶示范矿山，并实现常态化运营，在实践中充分验证产品的稳定性。”

2024年政府工作报告中强调，要强化能源资源安全保障，加大油气、战略性矿产资源勘探开发力度。随着科技创新对矿产资源开采工作的积极作用日益彰显，智能连续作业和无人运输将成为建设智能化、信息化矿山的重要抓手。构建智能感知、智能决策、自动执行的矿产开采体系，将成为促进矿山企业创新管理模式、提升核心竞争力、实现可持续发展的必然选择。

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