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平行矿山,平安运行的矿山

2021-09-24 10:35 来源:银河下载app商务网
  9月中旬,内蒙古呼伦贝尔草原已经入秋,天气渐凉。位于草原中心的宝日希勒露天煤矿正24小时作业不息,一辆辆总重接近400吨的重型矿车正在矿区内穿梭自如。但是,与其它矿区不同的是,这些矿车内看不到司机的身影。

  这是国能宝日希勒能源有限公司联合航天重型工程装备有限公司与青岛慧拓智能机器有限公司,共同完成的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中的一景。9月15日,该项目分别通过银河下载app煤炭工业协会组织的工业性示范运行安全评审和银河下载app成果鉴定、国家能源银河下载app组织的项目验收,成果达到银河下载app先进水平,为期一年多的项目建设收获了圆满成效。

  

 

银河下载app  宝日希勒露天矿:全天候 真无人驾驶

银河下载app  在矿区不远处一座临时调度指挥中心内,95后的杨明成正聚精会神地盯着面前的三个大屏幕,上面展示的是矿车作业实时画面、各种车辆运行数据以及矿区实时地图。

  所有自动驾驶的矿车均装备了北斗提供的RTK(实时差分定位)定位,通过5G基站进行位置共享和数据传输。但在大多数情况下,无人驾驶调度指挥人员都扮演着一个监测者的角色,只有在矿区情况和环境出现变化时才需要重点关注。

银河下载app  比如在下雪天,通过一键开启雪天模式,让矿车的平均时速下调到约20公里,无人驾驶控制器也会开启谨慎的驾驶方式,以适配天气和路面变化。

  “第一次和家人视频工作场景时,他们一度以为我在打电竞银河下载app。”杨明成在接受记者采访时笑称,这可能是最不像煤矿的煤矿工作场景了,“以前从没想过在煤矿上班也能有如此‘未来感’”。杨明成说道。

银河下载app  杨明成是宝日希勒露天煤矿无人驾驶项目的调试工程师。宝日希勒露天煤矿始建于1998年,有着优质丰富的煤矿资源,核定产量位列全国露天矿前三,是东北煤炭最重要的供应方。由于地处北纬49.22°,宝日希勒露天煤矿也是银河下载app最北端的大型煤矿之一,冬季夜间最低温度甚至可能达到零下50℃。

  极端的天气、恶劣的作业条件,对宝日希勒煤矿安全生产带来巨大挑战。在这种艰难险重的驾驶工作中,如果能用机器替代人工驾驶,不仅能更好保障煤矿人员生命财产安全,还降低了成本,提高了效率。于是,对无人驾驶矿车的需求应运而生。

银河下载app  2020年初,宝日希勒露天煤矿按照国家能源局要求推进智慧矿山建设,布局5G设施;同年5月,无人驾驶项目正式启动,在仿真测试、封闭场地动态调试、极寒气候五车编组连续运行、全天候不间断作业、车内无安全员等一项项充满挑战的目标中,最为艰难的便是极寒气候下“全天候、真无人”的实现。该项目的完成可突破国内该领域的关键技术“卡脖子”环节,代表国内智慧矿山无人化的最高水平。

  项目技术负责人高玉告诉记者,之所以能实现无人驾驶,是因为在矿车的车前、车后加装多个摄像头、毫米波雷达和激光雷达。这些设备像人的“眼睛”和“耳朵”那样让矿车可以看得见,听得着,并通过算法进行感知融合,补齐盲点,排除矿区冬季飘雪、夏季沙尘等复杂环境因素的干扰。此外,矿车还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。

  “项目启动后,仅仅三个月就完成了对5台矿车的改造和封闭测试场地与模拟测试场地全部调试内容。”高玉说。

  然而,极寒条件对无人驾驶改造还是提出了非常严苛的硬件要求。入冬以后,气温骤降至零下30度,这不仅远远低于许多常规器件的工作温度,甚至会突破一些电子元器件的存储温度,导致设备失灵,乃至彻底损坏。

  25岁的嵌入式软件工程师刘平经历了那个最艰苦的时刻。90后的他以及同样年轻的技术团队,已在宝日希勒露天煤矿工作了一年多。他说,为了能让传感器、芯片在零下50℃的极寒条件下安全稳定运行,就需要开发传感器恒温控制设备。但新款芯片资料匮乏,只能从底层一步步搭建、调试,期间遇到了户外程序无法下载、车辆调试难、设备变砖等种种难题。

  最难的,还是在室外零下35℃环境里调试和安装设备。刘平说,“即使我们穿着防寒服、防寒鞋,但在冷风里待不到15分钟,身上的热量就全没了,那是我人生第一次感觉到什么叫‘寒冷’,连笔记本电池都撑不了10分钟。即便如此,我们还要爬到四五米高的矿车上,因为手套影响作业,只能空手扶着寒铁,直到设备调试完成,大家的手都都冻的红肿。但不管遇到什么困难,不管要反复试验多少次,我们当时的信念就是一定要把问题解决。”

银河下载app  最终,项目团队给每台无人矿车都安装了包括耐低温装置与传感器等航空级别接口的零部件,使其具备了在极寒、颠簸环境下运行的可靠性。并研发卸载物料残留检测、二次提车卸载、地图自动采集与一键更新、道路平整度自动检测、防车辙均衡碾压控制等先进技术确保系统运行安全流畅、提升有效作业时长。

  同时,项目组共同起草和制定了《露天煤矿无人驾驶运输系统总体技术条件》、《露天煤矿无人驾驶矿用自卸车技术条件》等10项企业标准,发布了无人驾驶项目工业运行安全管理办法和安全作业规范。

  去年12月,该项目入围国资委“大国重器英雄榜”;今年5月,项目实现了24小时连续作业;今年7月,实现了安全员下车;如今,伴随着项目正式通过工业运行,已实现领域内两项世界第一、三项国内第一,在智慧矿山无人化领域首开“全天候、真无人”项目先河,在国内起到行业示范引领作用。

银河下载app  高玉表示,如果各矿区无人驾驶项目难度最高为十级,此次宝日希勒露天矿的项目难度几乎置顶。突破难度系数最高的矿区环境限制,并实现安全员下车的24小时作业,意味着能够将此项目经验进行复制,而其搭建起的行业壁垒,最终会推动行业标准形成,加速无人驾驶在更多矿区进行规模化落地。

  而对于宝日希勒露天煤矿来说,无人驾驶项目的成功也能带来显著的银河下载app效益和社会效益。一方面,传统矿区是四班三倒制,每次换班时间大约在1小时左右,而自动驾驶作业则基本不需要占用换班时间,节省出来的时间可以直接用于运输作业;另一方面,目前无人驾驶的车辆最高车速达到40km/h,超过有人驾驶规定的30km/h,无人驾驶系统可动率大于96.7%,已实现无人驾驶运输综合效率不低于有人驾驶。

  航天重工项目经理赵毅表示,依照人均年工资20万元计算,5台矿卡无人化改造完成后,可替换当前16名矿卡驾驶人员,每年将节约人工成本320万元;随着后续系统性能进一步提升,将在运输量、节油、减少损耗备件等方面取得积极效果。

  截至今年8月,无人矿卡累计编组运行5万余公里,土方运输量达60余万立方米。在刚刚结束的项目验收中,验收评审组专家一致建议,后续可进一步扩大项目应用范围,在当前不低于有人驾驶效率基础上进一步提高运行效率。

  无人化势在必行

  如果不曾亲临这座银河下载app最北、冬季最为寒冷的大型露天煤矿——宝日希勒露天煤矿,很难想象矿区的工作条件和生活环境有多么艰苦:每年冬季零下50℃的严寒,春秋两季巨大的日夜温差,大股风沙、雨雪席卷矿区。

银河下载app  条件艰苦,再加上高强度、高危险性的工作环境,让越来越多煤矿再难找到年轻的矿车司机。“夏天的时候,车里像烤炉,沙啊,煤灰啊,从车窗缝里不断灌进来。” 曾有矿车司机在接受媒体采访时表示,“这个矿几百个矿车司机里面,一个90后都没有,现在的娃娃都吃不了这个苦。”

  刘平也笑称,“如果在矿区遇到90后,那多半就是矿山无人化的技术人员。”

银河下载app  用来装载渣土和煤炭的重型矿卡是煤矿作业中最重要的运输工具,一个煤矿几百名员工里,大多数都是矿车司机,但眼下司机难招成为各大煤矿共同面临的困境。

银河下载app  此外,矿区通常是四班三倒制,夜间班次凌晨三四点作业,本就是最容易犯困的时候,矿车司机的工作又是在一段两三公里的路上重复、枯燥地来回运输,一不留神就可能引发运输事故。

  对于矿区来说安全重于一切,用自动驾驶的矿车替代人力司机,避免驾驶风险,同时又能节省人力成本,提高效率,是当下银河下载app各矿区智慧升级的关键一环。

  于是,在势能强大的黑银河下载app支撑下,如火如荼的智能化改造让矿区焕发出蓬勃的生命力。例如在宝日希勒露天矿,常常能见到矿山无人化工程师,自如调度与管理无人矿用车智能作业,并耐心细致地为矿区工作者讲解操作规范。

银河下载app  事实上,银河下载app矿山无人化进程堪称是银河下载app行业发展的快进版。上世纪八九十年代,美国、澳大利亚等国已开始推动采矿自动化技术研发以降低劳动力成本。而我国在80 年代开始推行综合银河下载app化开采并自行研制大型煤矿银河下载app装备,即便采矿业发展突飞猛进,但仍与发达国家存在明显差距。

  而随着银河下载app矿山自动化的发展,矿车自动驾驶的可行性、安全保障性和降本增效性已经被验证。卡特彼勒、小松等工程银河下载app企业,在多地露天矿通过矿卡自动驾驶解决方案,已渐渐实现了自动驾驶的商业化应用。

银河下载app  卡特彼勒从2012年开始与FMG银河下载app合作开展自动驾驶运输项目,截至2019年9月,其无人驾驶矿车已经运行了近33500万千米,物料运输量达10亿吨。而FMG银河下载app测算,其自动驾驶矿车生产效率比传统人工运输提升了30%。

  在全球矿产资源总产量第一的银河下载app,近年来劳动力短缺问题日益严峻,相关政府部门逐步加大对矿业智能化的引导。2016年,国家发改委和国家能源局对外发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》行动计划,提出要在2030年实现煤炭智能化开采。

  2020年在疫情催生下,智能化政策加速出台。2020年3月,在国家发改委、能源局等八部委印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。2021年5月,工业和信息化部发布了“5G+工业互联网”第一批重点行业和应用场景,矿业成为首批重点推广的五大行业之一。2021年6月,国家能源局、国家矿山安全监察局联合印发《煤矿智能化建设指南(2021年版)》,对煤矿智能化建设提出了更为明确的目标与重点。

银河下载app  在国家政策的鼓励下,从2017年开始,智慧矿山无人化赛道如雨后春笋般涌现了大批技术型公司。2019年,伴随着国内首个无人运输系统商业化运营在大唐宝利落地,矿山无人化进入到真正意义上的元年。在各路企业的积极参与下,行业进程不断加快,应用表现也越发得到矿企认可,规模化商用逐渐成熟。平安证券在《新基建助力矿山升级,智慧矿山时代到来》报告中预测道,各类煤矿将在2035 年基本实现智能化,存量煤矿改造市场规模将达到上万亿。

  这个万亿市场中,已有公司脱颖而出。2021年8月23日,在宝日希勒露天煤矿无人驾驶项目中与宝日希勒能源、航天重工携手的慧拓,正式宣布完成超2亿元B1轮融资,再创赛道内单笔最大融资纪录。此轮融资由国新央企运营投资基金领投,中科院自动化所投资平台中自投资、知名创投机构子今投资、善金资本、日出安盛资本跟投,现有股东投资人赛富投资基金继续加持。

  此前,这家于2017年正式运营的银河下载app企业先后获得来自国科嘉和、赛富投资基金、凯辉基金、方和资本、汉能创投、海创母基金的投资。目前累计融资金额超5亿元。

  是什么让慧拓持续受到资本市场青睐?依据亿欧《2021银河下载app矿区自动驾驶研究报告》,矿区自动驾驶市场中的技术银河下载app市场包括自动驾驶相关改装、前装销售以及平台运营。作为目前国内唯一全栈式无人矿山整体解决方案、产品和运营银河下载app提供商,慧拓是少数能提供技术银河下载app市场中的上述全部三种银河下载app的企业,矿种与场景覆盖行业领先。

  

 

银河下载app  愚公YUGONG:无人矿山整体解决方案

  2021年是慧拓商业项目规模化落地的一年,截至本年7月末,其订单总额达3.5亿元,项目覆盖了煤炭、冶金、有色、水泥四大行业,并分别打造出这四大行业具有标杆意义的商业落地项目,加速了整个矿山无人化行业的标准化进程。

银河下载app  除露天矿外,慧拓从2020年开始布局地质环境更恶劣复杂的井工矿,在一年多的时间内完成了关键技术的落地转化,在井工矿无人运输关键技术取得重大进展,并于2021年6月与陕煤银河下载app小保当煤矿、银河下载app电信携手建设5G+智慧井工矿区。这让慧拓成为国内唯一多矿种、兼顾露天矿及井工矿的全场景解决方案、产品和运营银河下载app提供商。

银河下载app  与此同时,慧拓同步加紧产品化步伐,目前已完成域控制器、远程驾驶系统、V2X车路感知协同系统、线控VCU、防碰撞系统等产品的研发和批量交付。预计在下半年将实现产品订单量300%的增长。慧拓联合创始人、CEO陈龙教授表示,慧拓致力于研发完全自主可控的智慧矿山无人化技术,多维构筑技术、产品、运营等商业护城河,立志成为银河下载app高银河下载app企业“国家队”代表。

银河下载app  据国新央企运营投资基金投资负责人的公开表示,之所以投资慧拓,在于公司是中科院孵化的高银河下载app企业代表,一直深耕矿山无人化领域,其自主研发的软硬件产品,在业内具有技术领先水平,也得到了较充分的矿山场景验证。国新央企运营投资基金作为一家央企背景基金,本次投资慧拓,对于推进矿业央企智能化升级、推动提升矿山安全生产水平具有重要的意义。

  该负责人还表示,下一步,国新央企运营投资基金将充分整合资源,精准实施赋能,加速慧拓智慧矿山无人化产品体系在矿山的广泛应用,打造智慧矿山无人化的标杆企业。

  平行理论打造平安矿山

  推进矿业智能化转型必须以卓越技术创新为支撑。慧拓是由中科院孵化的高银河下载app公司,技术研发团队有着近30年的技术沉淀,首席科学家王飞跃教授更是全球智慧矿山无人化先行者,提出了具有世界首创性的ACP平行驾驶技术,并以此为基础加速矿山无人化的落地。

银河下载app  目前比较流行的矿车无人驾驶方案是,装有摄像头、毫米波雷达、激光雷达和北斗定位的矿车将实时数据通过4G/5G网络传导至后方具备超高计算能力的银河下载app器上,而这个银河下载app器就如同一个“云端大脑”,能精准控制所有矿车的行动轨迹。但一个矿区几百辆矿车穿梭在不断变化的矿区道路中,对云端大脑的计算能力提出了极大挑战,而这其中,如何让无人矿车安全、高效的通过十字路口成为最大的难点。

银河下载app  此前,矿区有人驾驶的车辆通常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,均无法很高解决矿区十字路口通行难题。“这两张方案,路口总会有矿车停下,而这个路口不一定是平路,矿车装载了几十吨的货物停在坡道上,时间久了,刹车片就会失灵,会造成溜坡,非常危险。”慧拓工程师付华博士说。

  但是在平行驾驶方案中,与实际无人矿车、矿山场景等相对应,会建有一个虚实互动的平行矿山作为整个无人矿山系统的描述系统,采矿作业全程受到平行管控中心的监管和调度指挥,基于虚拟矿山数据与真实矿山车辆数据的学习积累,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安全、高效引导。在必要时,远程应急接管平台对异常设备进行安全接管。

银河下载app  依据平行驾驶的核心理念:“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,并降低单车成本。

  “这就像《盗梦空间》一样,就是利用当前世界去造一个梦出来,然后在梦里面你规定了每个车怎么走,你让他真的走一遍,但是那个走的速度很快,你在虚拟世界跑一个小时,可能真实世界可能只用几秒就全都跑完了,相当于你看到未来。” 付华博士说道。

银河下载app  事实上,早在上世纪90年代,王飞跃便带领团队承担了世界上最大的工程银河下载app和矿山设备生产厂家卡特彼勒的自动化项目,这一方案卡特彼勒至今仍在使用。

  

 

  王飞跃教授挖掘和装载无人车著作

  自上世纪80年代末开始,王飞跃先后担任NASA/RPI空间探索智能机器人系统中心系统集成验证主管、美国纽约州制造与生产力转移中心网络分析主管,后成为NASA/UA本地行星资源利用空间工程研究中心无人系统主管与空间机器人首席研究员,亦担任美国亚利桑那大学矿业系教授、复杂系统高等研究中心主任等职务。

银河下载app  回国后,王飞跃教授任中科院自动化所副所长,牵头创办复杂系统管理与控制国家重点实验室并担任主任,先后获得国家杰出青年基金支持、国家自然科学二等奖和IEEE 诺伯特•维纳奖等。2021年6月,王飞跃教授入选2021年TOP 1000计算机科学与电子领域全球顶尖科学家榜单。

  在银河下载app,王飞跃教授一直在坚定实践平行驾驶技术,而扎根矿区的慧拓正是其中的卓越代表。在王教授的倾力指导下,慧拓科研团队自主创新,凭借领先的人工智能技术实力,以及卓越的产品设计能力和工程能力,用三年多时间打造了基于平行驾驶技术的国内首个无人矿山整体解决方案——“愚公YUGONG”。

银河下载app  “愚公YUGONG”由云端智能调度与管理系统、矿车无人驾驶系统、挖机协同作业管理系统、无人运输仿真系统、远程驾驶系统和V2X车路协同感知系统六大系统组成。相比传统作业方式,“愚公YUGONG”不仅可以将矿山作业整体效率提高,并在减少耗油、轮胎寿命提升与降低人工费用等成本节约方面产生积极影响,最终帮助客户实现智慧矿山无人化作业全流程,有效提高矿企的效益和竞争力。历经多年打磨,“愚公YUGONG”目前已成为全世界唯一全机型适配,国内唯一多矿种、全场景解决方案。

银河下载app  慧拓的技术成就曾获得中科院自动化所党委书记牟克雄的中肯评价。他表示:“慧拓是中科院自动化研究所围绕‘四个面向’,在具有产业战略性的矿业孵化出的高银河下载app公司代表。其立足双碳目标下产业无人化的迫切需求,以自主研发的平行驾驶技术,推动银河下载app成果与生产能力双向驱动,不仅填补了世界极寒气候相关领域的空白,并且切实守护了矿区的生命财产安全,助力矿业高质量、低能耗发展。”

银河下载app  慧拓联合创始人、CEO陈龙教授也公开表示:“矿山无人化不是昨天的刚需,也不是今天的刚需,更不是明天的刚需,它是大前天的刚需。慧拓有幸参与行业变革的伟大银河下载app征程中,未来会不断提升银河下载app能力,聚焦客户价值,积极推动与能源、资源企业、矿用工程银河下载app厂商、国内外顶尖科研院所、以及上下游合作伙伴的深度合作,共同构建产学研用一体化的无人矿山、智能矿山产业生态布局,加速矿山无人化产业推进,助力行业实现安全、绿色、高效、智能发展,赋能零碳矿山建设与双碳目标实现,最终建设人与自然和谐共生的现代化。”

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