露天煤矿电铲
矿用卡车作业现场
据统计，截至2020年，我国露天煤矿总计约220余座，总产能约为8亿t/a。单一露天煤矿的最大生产规模达3 500万t/a，产能超过1 000万t/a的特大型露天煤矿20余座。近20年来，露天煤矿产量占全国煤炭产量比重年均增长速率约为11%，其中，2015年以来，一直保持在20%左右的水平。露天煤矿是我国煤炭生产体系的重要组成部分，为国家能源安全与经济发展提供了重要支撑。
露天煤矿开采的本质是大量物料的移运作业，其中约有95%的露天煤矿采用单斗—卡车工艺。在露天煤矿总生产成本中，卡车运输环节约占60%；卡车运输环节用工占全矿劳动定员的45%左右，占用了大量的人力；而从安全生产的角度来看，卡车运输环节的事故起数占我国露天煤矿总事故起数的60%以上，卡车运输一定程度上决定了露天煤矿安全高效的生产水平。矿用卡车无人驾驶已成为露天煤矿智能化建设的重要内容，开展露天煤矿矿用卡车无人驾驶课题研究具有一定的意义。
国内外矿用卡车无人驾驶技术研究现状
矿用卡车无人驾驶技术的研究始于20世纪70年代，由于受到当时信息化和自动化技术水平的限制，进展相对缓慢。进入21世纪，国外以卡特彼勒公司的矿山之星（MineStar）系统和小松公司的自动运输系统（AHS）为代表的卡车无人驾驶技术发展较好，并在巴西淡水河谷公司、澳大利亚所罗门铁矿等矿山进行了无人驾驶卡车的试验和应用。
我国矿用卡车无人驾驶技术的研究虽起步较晚，但近年来发展迅速。从20世纪80年代开始了无人驾驶的相关研究工作，但大多数研究集中于某个单项技术。1992年，国防科技大学成功研制出中国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车；2018年8月，内蒙古北方重型汽车股份有限公司MT3600自卸卡车在白云鄂博矿区进行了国内第一辆无人驾驶卡车试验；2019年7月，航天重型工程装备有限公司与国家能源投资集团有限责任公司合作，对矿用卡车进行了无人化升级改造，并在江西铜业股份有限公司城门山铜矿开展了矿用卡车无人驾驶工业试验运行。近年来，中国重型汽车集团有限公司、北方重工集团有限公司、徐州工程机械集团有限公司等大型传统装备企业，以及青岛慧拓智能机器有限公司、北京踏歌智行科技有限公司、北京易控智驾科技有限公司等科技企业都在积极开展露天煤矿无人驾驶卡车及其系统的研究。另外，《中国制造2025》《煤矿机器人重点研发目录》《煤矿智能化建设指南（2021年版）》等政策措施的出台，大力推动了我国工业智能化转型，为露天煤矿的智能化建设指引了方向。
中国中煤能源集团有限公司矿用卡车无人驾驶项目建设进展
近年来，中国中煤能源集团有限公司（以下简称中煤集团）以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略，围绕“安全、高效、绿色、智能”发展理念，统筹推进煤矿智能化建设，将“东露天矿智能化建设关键技术与工程示范”列为中煤集团重大科技专项，在中煤集团平朔矿区全力推进矿用卡车无人驾驶项目及关键核心技术重点攻关。
矿用卡车无人驾驶项目建设历程
图1 矿用卡车无人驾驶关键技术
矿用卡车无人驾驶项目的建设分为3个阶段：
（1）第1阶段：为矿用卡车无人驾驶项目的研究提供试验基础与测试场地。露天煤矿道路具有场景单一、人员位置固定可控、车辆运行路线相对固定等特点，成为矿区无人驾驶卡车开发和测试的最佳场景之一。2019年7月，该项目正式启动后，经过对多个方案进行比较，最终确定在中煤平朔安太堡矿区的转向遗留采坑，建立露天煤矿无人驾驶标准化测试基地。
（2）第2阶段：自2020年开始，利用中煤集团平朔安太堡露天煤矿测试场地进行卡车无人驾驶相关技术系统研究，有针对性地设计露天煤矿各环节的真实作业场景，基于真实作业场景的测试基地来检验无人驾驶技术在露天煤矿应用的可行性与适用性。2020年11月，单台矿用卡车无人驾驶通过阶段性验收，验证了大型露天煤矿单台智能卡车无人驾驶的安全性和实效性，为矿区无人驾驶技术的应用积累了丰富的测试数据和运行场景。
（3）第3阶段：自2021年开始，加大力度推进矿用卡车无人驾驶编组试验研究，完成矿区独立组网、系统仿真测试、封闭场地动态调试等工作。2021年11月，在中煤集团平朔东露天煤矿现场作业平盘，通过1台电铲＋7台矿卡＋13台辅助设备协同编组化运行模式，实现了采运排全流程协同作业。
图2 编制山西省地方标准和中煤集团企业标准
矿用卡车无人驾驶系统设计及关键技术
矿用卡车无人驾驶系统主要包括感知、决策、控制三大核心环节。根据东露天煤矿现场的实际情况，对1台电铲、7台矿用卡车、13台辅助设备进行了无人化改造，开发了与无人驾驶卡车配套的无人运输作业智能调度平台、多种设备协同作业管理、V2X矿区通信网络系统和高精地图采集、更新及管理等子系统（图1）。
为加快突破无人驾驶的关键技术，开展了对各环节痛点问题的研究工作，主要包括以下4个方面：
（1）针对矿区多尘、雨雪、多碎石、路面颠簸等特殊环境对障碍物检测技术的挑战，采用国内领先的智能感知系统、深度融合激光雷达、毫米波雷达、北斗定位等多种感知技术，实现车辆颠簸行驶过程中的高鲁棒性多目标的检测和跟踪。
（2）开展对多台矿用卡车无人驾驶编组运行工况下行驶可靠性与高效性的研究，进一步验证了跟车、会车、排队等算法策略的合理性。
（3）研究无人运输系统仿真与测试技术，在进行实车矿区道路测试之前，实现感知、决策、规划、控制算法的快速、高效、安全验证。
（4）研究基于5G的远程应急接管技术，实现在紧急情况下可以通过远程控制器接管车辆，实现遥控驾驶等功能。
矿用卡车无人驾驶现场测试及应用效果
目前，中煤集团已完成7台无人驾驶矿用卡车的全部改造工作，并对其中1台套无人驾驶卡车＋电铲＋辅助设备进行了协同编组化运行及远程接管系统调试，成为国内真实作业场景下具备常态化编组运行能力的示范项目。
装载作业区：无人驾驶矿卡系统配合挖掘机系统可以进行车-铲协同，实现协同装载作业，在远程控制中心的协调下，可以更加顺畅、高效地完成物料装载的作业任务。
运输作业区：无人驾驶矿卡系统通过V2C通信，接收到云端控制中心发送的路径规划数据，自主沿规划好的路径向任务指定地点行驶，在行驶过程中实时进行障碍物检测，当检测到障碍物时，将自动规划局部最优路径进行安全避障行驶。
卸载作业区：无人驾驶卡车自主运输物料至指定排土场，可完成自动转弯和调头，在感知系统的指引下完成倒车或停靠在合适的卸载工位，自主翻卸所载物料；完成卸载任务后继续下一个作业任务。
无人驾驶矿用卡车编组测试以叠加递增方式进行，目前已在东露天煤矿1260平盘南邦（运距2.5 km）完成5辆矿卡编组的常态化测试运行。无人驾驶全流程重载测试总计545余趟，全流程无人驾驶运行时间平均为24 min，期间运行总里程为3 270 km，总运行时间约为220 h，当前阶段整体运行作业效率近80%。
在开展矿用卡车无人驾驶项目研究的基础上，中煤平朔作为主编单位编制了山西省《智能化露天煤矿建设规范》地方标准和中煤集团《无人驾驶卡车运输智能化露天矿采装、运输、排土技术规范》（试行）企业标准（图2）。
图3 国家能源集团准能黑岱沟露天矿多台无人驾驶矿用卡车与电铲多工作面编组运行
国内相关企业矿用卡车无人驾驶项目建设进展
国内相关企业矿用卡车无人驾驶相关工作取得了显著成效。国家能源集团准能黑岱沟露天煤矿从2020年8月单台卡车自动驾驶功能测试成功，到2021年5月无人驾驶矿用卡车与有人驾驶卡车、电铲、推土机成功进行混编作业运行测试，目前已实现多台无人驾驶矿用卡车与电铲多工作面同时编组运行作业（图3）；宝日希勒露天煤矿完成矿区5GSA独立组网、仿真测试、设备静态改造、封闭场地动态调试、极寒气候编组运行等工作，顺利通过了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评审和科技成果鉴定（图4）。华能伊敏煤电有限责任公司与百度、北京慧拓无限科技有限公司等展开深度合作，对伊敏露天矿的矿用卡车进行无人化升级改造，克服了地区极端气候、松软地质等复杂环境的考验，实现了在无安全员的情况下有人驾驶车辆与无人驾驶车辆混编作业（图5）。国家电力投资集团有限公司白音华露天矿完成2个编组12台无人驾驶宽体自卸车联合试运转，无人驾驶宽体自卸车成功实现上煤区域装-运-卸的全程无人作业（图6）。
图4 国家能源集团宝日希勒露天煤矿世界首个极寒地区“5G+ 无人驾驶编组运行”
图5 华能伊敏煤电有限责任公司无人驾驶项目混编作业
图6 国家电投集团白音华露天矿2个编组12台无人驾驶宽体自卸车联合试运转
结 语
推进露天煤矿智能化建设，是实现煤炭行业和企业高质量发展的战略选择。矿用卡车无人驾驶作为露天煤矿智能化建设的重要内容，随着技术迭代升级和成功应用，未来必将为露天煤矿减人、增安、提效发挥关键作用。
中煤集团始终秉承着安全为本、生态为基的建设理念，遵循先建立测试示范基地，再逐步进行真实场景落地实践、推广和应用的发展思路，将东露天煤矿作为典型示范，着力开展核心技术攻关与资源集成，形成具有中煤特色的矿用卡车无人驾驶编组运行模式。下一步，中煤集团将围绕行业煤矿智能化建设痛点、难点问题，继续加大关键技术攻关力度，推动相关领域科研成果的产业化应用，全面系统地推进煤矿智能化建设，尽早实现煤矿智能化建设目标，为煤炭行业智能化建设技术升级作出贡献。
