从凤凰城到宝日希勒和朔州 : 矿山元宇宙进化史

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一座移动城堡般的庞然大物,灵活地行驶在沟壑纵横的露天煤矿作业面。

它是一辆矿卡,普通人很少有机会看到它,单凭想象无法体会那种视觉冲击。

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它自重超100吨、高度近8米、轮胎直径3.6米、满载重量接近400吨、发动机功率超2000千瓦、油箱容积达到7000升、百公里油耗800升、每天行驶200公里、每年可运送矿石超百万吨。

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在过去,每一辆矿卡的日常全天候运行需要近10人的团队来支持,而在矿山还要面临各种不确定因素,危险时有发生,据最近的统计数据,中国每百万吨煤矿死亡率为0.059人。

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国家能源集团大雁公司(宝日希勒能源)无人驾驶矿卡进行五车编组运行

该项目实现在零下42度极寒工况下, 220吨无人驾驶矿卡5车编组连续运行、全天候不间断作业;运行时速达到业内最高的每小时40千米,超过有人驾驶规定的每小时30千米,无人驾驶运输综合效率不低于有人驾驶;并形成了无人驾驶卡车与挖掘机、遥控推土机、平路机等辅助作业车辆完整的露天煤矿无人运输作业系统。

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矿区的艰苦条件常人难以想象,宝日希勒露天煤矿位于呼伦贝尔草原的中部,纬度达到49.2°(中国最接近北极圈的漠河在北纬53°),1月份夜间最低气温逼近零下50摄氏度,是标准意义上的“极寒”。

但是,宝日希勒露天煤矿承担着东北三省煤炭保供的任务,而冬季又是东北的用煤旺季,即使条件再艰苦,矿卡四班三倒的不间断作业也不能停,零下四五十度的凌晨三四点,驾驶近四百吨的钢铁巨兽,机械的往复于沟壑纵横之间,考验可想而知。

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晋北地区面临着同样的问题,当寒潮来袭,气温会骤降到了零下二十多度。

位于山西省朔州市的安太堡露天矿、东露天煤矿等超大型矿区是央企中煤能源集团中煤平朔集团有限公司所管辖的矿区,中煤平朔是我国目前规模最大、资源回收率最高、多项指标位居全国领先水平的露井联采的特大型煤炭生产企业。

安太堡露天煤矿总面积376平方千米,产量1533吨/年,是当年邓小平同志亲切关怀诞生的中国改革开放第一家中外合资企业,是当时引进外资额度最大、现代化程度最高的中外合作项目,被誉为“中国改革开放试验田”。东露天煤矿矿田勘探面积48.41平方千米,核定产能2500万吨/年,设计服务年限43年,煤层厚、煤质好、煤层埋藏浅、地质构造简单、剥采比低,是我国为数不多的适合露天开采的优良矿田之一,是国家煤炭工业“十一五”规划重点建设项目。

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安太堡露天矿和东露天煤矿地处晋北山区,气候多变,为日常作业增加了非常多的不确定因素。

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如果能够实现矿区的无人驾驶,不但可以大幅节省人员开支、缓解一线用工荒,更可以最大限度的避免生产安全事故的发生。

但矿区是典型的半封闭场景,通用的自动驾驶方案并不能复用。对于车端来说,从计算平台,到算法,再到传感器组合、线控底盘,无论是矿卡,还是宽体车,都自成体系。

结合路侧智能,矿区自动驾驶方案和矿山整体自动化解决方案互相嵌套,与地面采掘无人化、地面运输无人化、地下采掘无人化等功能模块共同形成矿山整体数字化管理方案。

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在矿山,这个可能是工作环境最恶劣的地方,数字化/智能化/无人化转型迫在眉睫,而国内矿山在转型方向上的探索已经卓有成效,国内创新企业在这个领域正在扮演着不可或缺的角色。

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在智慧矿山这个大赛道中,慧拓是一家有代表性的创新企业。作为中科院自动化所孵化的“国家队”科技企业,慧拓以首席科学家王飞跃教授首创的“平行智能”为支撑,研发了自主可控的平行矿山操作系统——“愚公YUGONG”,其六大子系统已实现软件硬件化、服务产品化、产品系列化和系统平台化,经搭配组合支持各类场景需求,并适配国内外各型矿车。“愚公YUGONG”平行矿山操作系统通过让参与生产的人、物、系统在虚拟世界“吃一堑、吃多堑”,从而实现其在现实空间的“长一智、长多智”。 慧拓正在运用前沿科技实现矿山这一传统行业的转型升级,从人、物、系统三方面保障矿山本质安全的同时,提高矿山运营效率,降低矿山运营成本。凭借“愚公YUGONG”核心技术的高度可适配性,慧拓在多元化的落地场景积累了丰富的数据,持续建设安全(Safety)、有保障(Security)、可持续(Sustainability)、能感知(Sensitivity)、服务于人(Service)且智能(Smartness)的6S矿山。

 

前世今生

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作为国际顶尖人工智能专家,王飞跃教授从1990年起任美国亚利桑那大学自动化系与矿业系教授、机器人与自动化实验室主任、复杂系统高等研究中心主任。

上世纪90年代,王飞跃教授即在亚利桑那大学开发 VISTA 智能车,并在凤凰城的51号高速公路上进行了公众演示,引发全美轰动,获州政府颁发的“美国亚利桑那州杰出成就奖”。

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20世纪80年代,王飞跃教授参与了NASA太空挖掘项目 (NASA Center for Intelligent Robotic Systems for Space Exploration) 。

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90年代中期王飞跃教授与卡特彼勒合作,研发了全球第一台无人驾驶矿卡。

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王飞跃教授继1992年提出“影子系统” 概念后,于1994年发布首个关于“平行智能”的报告。

“平行智能”体系奠定了“愚公YUGONG”平行矿山操作系统和矿山“元宇宙”的基础。

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由于海外各主要矿区人力资源稀缺,同时得益于矿山机械领域两家头部公司小松、卡特彼勒在数字化、自动化方面的提早布局,矿山自动驾驶的萌芽、发展和落地都明显早于通用自动驾驶领域。

比如日本小松,2005年就在智利的铜矿进行了自动运输系统试验。通过由传感器、控制器和通讯组件等设备构成的闭环控制系统,实现了矿卡、挖掘机械在一些控制指令之下进行协同工作、及自动行驶。

小松的自动运输系统AHS,是综合性的矿山车队管理系统,涵盖一系列技术和设备,包括有人驾驶车辆、计算机辅助有人驾驶车辆、远程控制车辆,以及完全由人工智能操控的车辆。

据小松2021年财报显示,其共有400余辆装备了AHS的车辆在全球部署。

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力拓联手卡特彼勒在澳洲铁矿部署的完全自动驾驶喷洒水车

卡特彼勒从1994年在美国德克萨斯州的一个石灰石采石场运行了两辆原型为卡特777C 的自动采矿卡车开始,到 2021 年底,在全球运营 500 辆无人驾驶卡车,为其客户安全运输超过 40 亿吨货物,并自动行驶了超过 1.45 亿公里。

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卡特彼勒Cat794 AC无人驾驶矿卡在高速行驶中的避障

上世纪九十年代,王飞跃教授成为了全球最大的工程机械和矿山设备生产厂家卡特彼勒的无人露天采矿项目负责人,其提出的分层智能控制理论和智能挖掘算法分别应用于卡特彼勒无人矿卡和必和必拓无人铜矿淬取项目,获卡特彼勒技术发明家、必和必拓杰出技术成就奖。基于王飞跃教授的工作,卡特彼勒于90年代研发出了全球第一台无人驾驶矿卡。直至今日,卡特彼勒仍在继续发展矿车无人化方案。

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而在国内,2019年被称为矿区无人化元年,2020年国家八部委联合印发《关于推进煤矿智能化发展的指导意见》,鼓励智慧矿山与矿区无人化发展。

在国内,劳动力日渐稀缺,大量矿区的一线工人已经出现年龄断层,同时,作业安全历来是各类矿企首要关心的问题,大量矿山经过长期开采后复杂的自然地质条件对矿区安全作业提出了更大的挑战,而矿区的自动驾驶和各作业模块的自动化、数字化升级则有望从根本上解决矿区的各种痛点。

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2021年9月,国家能源集团大雁公司(宝日希勒能源)联合航天重工与慧拓共同开展的极寒型复杂气候环境下露天矿无人驾驶卡车编组安全示范工程项目顺利实现工业验收。

该项目实现在零下42度极寒工况下, 220吨无人驾驶矿卡5车编组连续运行、全天候不间断作业;运行时速达到业内最高的每小时40千米,超过有人驾驶规定的每小时30千米,无人驾驶运输综合效率不低于有人驾驶;并形成了无人驾驶卡车与挖掘机、遥控推土机、平路机等辅助作业车辆完整的露天煤矿无人运输作业系统。目前该项目已在无安全员状态下连续运行超过1年,并在2022年二季度实现了场地开放状态下,有人驾驶车辆和无人驾驶车辆混编的安全员下车运行,达成了全流程、全天候、全时段的“真无人”自动驾驶。项目对极端环境的克服,不仅仅是对行业技术创新的突破,也意味着无人运输作业系统在一般环境中的普适性,这将带来规模化商业应用的巨大潜力。

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2020年,慧拓助力中煤集团、中煤平朔集团及中煤西安设计院在平朔安太堡露天煤矿建立了国内首个智慧矿山开发测试基地,真实模拟露天矿不同气候条件下的各种作业场景,详细验证了露天矿大型矿用自卸卡车无人驾驶项目的安全性和实效性,打造了我国最早落地“真无人”、“安全员下车”5G+智慧矿山项目,为矿区无人化技术此次在中煤平朔集团矿区的大面积推广积累了丰富的测试数据和运行场景。

 

脚踏实地

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为减少人员伤亡、减轻人员劳动强度,中国采矿业此前数十年经历了机械化、自动化改造。但同时,频频发生的矿难也造成巨大的人员伤亡。“十三五”末,中国每百万吨煤矿死亡率为0.059人,虽较2016年大幅下降63.6%,但造成两位数人员死伤的矿难事故仍频频发生。随着5G、人工智能、云计算、大数据等新兴信息技术的融合,为建设本质安全矿山,采矿业向数字化、智能化转型发展已经成为国家战略方向和行业发展趋势。

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国家能源集团宝日希勒项目是极寒型复杂气候环境露天煤矿无人驾驶卡车编组安全示范工程,实现了“五项第一”:世界首个极寒环境无人矿卡编组运行示范项目;世界首个5GSA独立组网露天煤矿无人驾驶项目;国内首个200吨级以上无人化改造项目;国内首个实现全天候三班无人化编组运行项目;国内首个实现矿用卡车无安全员编组运行项目。

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实现无人矿山需要整个矿区多个设备系统共同协同。比如,在采矿中,矿车自动驾驶系统、挖掘机、推土机、辅助车辆等所有采矿设备都需要互联协同。仅能完成其中某一环的技术改造意义并不大。

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“愚公YUGONG”不止是传统意义的自动驾驶,它是全机型、多矿种、全场景适配的智慧矿山操作系统。在该技术助力下,慧拓在诸多“卡脖子”的关键核心技术领域取得重大突破,顺利推进了矿山无人化的商业化落地。

而“平行智能”,建立了一个与真实世界矿山场景和无人矿车相对应的虚拟平行矿山,作为整个无人矿山系统的描述系统,无人矿车、挖机的作业全程受到平行管控中心的监管和调度指挥。基于虚拟矿山与真实矿山数据的学习积累,平行管控中心能够实现对所有无人矿卡设备运行状态的智能化预测,并实现对无人运输整个作业流程的安全、高效引导。在必要时,其远程应急接管平台也能对异常设备进行安全接管。

“愚公YUGONG”操作系统由云端智能调度与管理系统、矿车无人驾驶系统、协同作业管理系统、无人运输仿真系统、V2X智能路侧协同系统、远程驾驶系统六大子系统组成,可以帮助矿商实现智慧矿山无人化作业全流程,大幅度降低人工成本,提高生产作业效率,提高竞争力。

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国家电投霍林河北露天煤矿有人+无人运输智能生产调度指挥系统

传统来说,矿区无人驾驶领域一直采用先到先行通行规则,以及此后工程师设定的红绿灯通行规则,这两者都会导致路口总有矿车停下,均无法很好解决矿区十字路口通行难题。

而依据平行理论的核心理念:“车端感知、云端管控”、“车端简单、云端复杂”,无人矿车采用中心端智能化调度,可完全避免矿车在交叉口发生停车、排队、碰撞等现象,比“先到先行”的通行规则能节省近30%的通行时间,大幅度提高作业安全与运输效率、降低燃油消耗,同时也极大降低了运营成本。

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宝日希勒夜间运行的无人驾驶矿卡

在宝日希勒零下42°C的极寒工况下,矿卡要加装多个激光雷达、毫米波雷达和图像传感器,通过算法进行感知融合、补齐盲点,还要进行相应的线控改造,装载通讯、定位、控制单元,部署无人驾驶软件。而极寒对这些改造提出了极其苛刻的要求,在零下40-50°C区间,远低于大量常规器件的工作温度,甚至会造成设备彻底损坏。

在改造过程中,全链路都要应对长时间的极寒天气,慧拓使用耐受低温的线材、传感器,此外对于诸多非标产品,还自主研发了保温加热装置。

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东露天矿按照“数字化—自动化—智能化”的顺序逐步推进智慧矿山发展,并于2021年完成国家首批智能化示范煤矿建设。

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这是中煤平朔集团东露天煤矿智能化建设框架,智慧矿山的数字化绝不是一蹴而就的,从智能感知、到智能生产、再到智能控制、乃至智能管理,涉及到海量的子系统,牵一发而动全身。

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慧拓承接的矿用卡车无人驾驶项目,验证了其具备提供包括底层线控改造、无人驾驶车端改造和多车编组常态化运营的整体解决方案能力,为后续商业化规模落地奠定了基础。

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慧拓与中煤平朔集团合作,在平朔东露天煤矿打造5G+无人驾驶智慧矿山项目,以“1+7+N”的编排化模式,实现了对1台电铲、7台NET200矿用自卸卡车、13台辅助设备的“采-运-排”全流程无人化、智能化协同作业,实现真实作业场景下具备常态化编组运行能力,这已是慧拓与中煤平朔集团合作的第二个智慧矿山项目。

中煤平朔集团是全国十三个亿吨级煤炭基地之一,现有卡特彼勒、小松、日立、北方重工、太原重工等国内外品牌大型矿用自卸卡车200余台,采装及辅助设备千余台。

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从远程控制台的变迁也能强烈的感受到数字化升级在细枝末节之处的人性化。

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作为“愚公YUGONG”平行矿山操作系统应急接管功能的模块,全新的远程驾驶系统旗舰版智能远程驾驶舱具备优秀的人机交互设计理念,配备了符合人体工学的电动自调式座椅、工业级方向盘,灵活开合的屏幕和可调整受力效果的工业级踏板,座椅的高度、与方向盘之间的距离、方向盘与屏幕间的角度均可自动调节,每位中心驾驶员都可以根据自己的身型和使用偏好进行调整,获得最佳的“驾驶”体验。

 

继往开来

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某大型能源集团井工矿巷道内潮湿、昏暗、狭窄的环境

我国煤炭资源分布广、煤层埋藏深,在数量上井工矿占比高达80%,但开采相对困难,地质环境也更为恶劣复杂。2020年,慧拓便开始布局井工矿无人化,通过一年多的时间内完成了关键技术的落地转化。

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近日,慧拓与江西铜业集团有限公司共同打造的铰接式矿卡自动驾驶项目在城门山铜矿顺利通过验收,成为国内首个铰接式矿卡无人驾驶项目。

该项目的成功验收,意味着慧拓实现了铰接式矿卡无人驾驶技术的国产化,打破了国外工程机械厂商在这一技术上的垄断地位。

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陕煤集团榆北小保当煤矿是煤炭行业数字化转型的改革先锋,慧拓与陕煤集团合作,在小保当5G+智慧矿区示范项目中,将精确定位及无人驾驶应用于井工矿无人驾驶领域,取得多项关键技术突破,包括:基于激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、热成像相机等传感器,研发的多源异构融合感知技术可以适应井下巷道弱光照和水汽干扰工况;采用UWB定位、激光SLAM、高精地图等多项技术,研制的高精度组合定位系统可以实现在无GPS信号环境中的大范围精准定位。项目旨在形成小保当矿区“智能装备、智能交通、智能管理”为总体框架的无人运输完整解决方案,积极推动国内井下辅助运输系统的智能化改造,助力煤矿生产转型升级。

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两年时间,慧拓参与了绝大多数全国产能前十名煤矿的矿山无人化项目,更是在冶金、有色、水泥行业也打造了具有标杆意义的商业落地项目。

2020年9月,慧拓携手世界最大钢铁公司中国宝武旗下马钢矿业,首开国内冶金露天矿山多台矿车无人驾驶与有人驾驶混编运行的先河,在业内率先实现了“安全员下车”。

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2020年8月,慧拓与云南锡业华联锌铟公司合作,实现了无人矿卡在滇南地区夏季多雨、道路泥泞、冬季多雾气候条件下的精准控制操作,满足了矿区“机器换人”的迫切需求。

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2021年4月,慧拓携手金隅集团冀东水泥打造国内水泥行业首个全矿纯电动、数字化5G智能矿山无人驾驶项目,在国家安全生产月中得到了山西省主要领导的高度评价。

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慧拓依托矿山半封闭场景成功落地经验和技术积累,2021年开始,在园区物流与智能网联建设等多个封闭/半封闭场景展进行商业化落地延展。

2021年3月,慧拓与航天科工旗下贵州天马机电在园区物流领域展开合作,以愚公系统为基础,实现任务需求驱动的物流车实时监控与综合调度,显著提高作业安全和生产效率。

慧拓园区物流解决方案具备可复制性和可推广性,而从矿山场景到园区物流场景,标志着慧拓正在开启多场景商业化落地新里程。

编辑:Coinyuppie,本文链接:https://crypto001.com/metaverse/19290.html

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