我国露天煤矿无人驾驶及新能源卡车发展现状与关键技术

赵 浩，毛开江，曲业明，付恩三

(1.应急管理部研究中心，北京市东城区，100013；2.应急管理部信息研究院，北京市朝阳区，100029；3.内蒙古吉林郭勒二号露天煤矿有限公司，内蒙古自治区锡林郭勒盟，026200)

露天开采具有资源回收率高、安全条件好、劳动效率高、生产规模大等优点，近年来我国煤矿露天开采取得了较大发展，产量比重由2000年的4%左右提高到目前的18%左右，为我国煤炭稳定供应提供了重要保障。运输是露天矿开采工艺中主要的生产环节之一，运输系统投资约占矿山总投资的40%～60%，运输成本约占矿石成本的30%～40%，我国露天煤矿普遍采用单斗-卡车间断工艺，自卸卡车是我国露天煤矿的主要运输工具，卡车运输环节是露天矿用人最多的环节，露天煤矿最容易出现的事故也是运输事故，如：内蒙古自治区2015-2018年露天煤矿各类事故14起，其中运输事故10起，占71.4%。若露天煤矿自卸卡车能够使用新能源作为动力，并且实现无人驾驶，则可以实现降本增效、节能环保，达到本质安全。

1 我国露天煤矿发展概况

1.1 分布及规模情况

露天煤矿是我国煤炭工业重要组成部分，具有资源回收率高、安全条件好、劳动效率高、生产规模大等优点[1]，对国内煤炭稳定供应的作用越来越明显。目前，我国共有露天煤矿376处，产能9.5亿t/a、占全国煤矿总产能的17.8%，产量占全国的比重由2000年的4%左右提高到目前的18%左右。其中：生产露天煤矿283处，产能7.51亿t/a；在建露天煤矿87处，产能1.98亿t/a。

(1)露天煤矿分布。我国露天煤矿分布在内蒙古、新疆、山西、云南、黑龙江、宁夏、陕西、青海、辽宁、甘肃、贵州、广西、湖南共13个省(区)，其中：内蒙古、新疆、山西和云南4省(区)露天煤矿326处、产能9.04亿t/a，分别占全国的86.70%和95.16%。

(2)露天煤矿规模。全国产能400万t/a及以上的大型露天煤矿53处、占全国露天煤矿总数量的14.10%，合计产能6.37亿t/a、占全国露天煤矿总产能的67.05%。其中：生产露天煤矿37处、产能4.98亿t/a，建设露天煤矿16处、产能1.39亿t/a。千万吨级特大型露天煤矿26处、占全国露天煤矿总数量的6.90%，产能4.93亿t/a、占全国露天煤矿总产能的51.90%。其中：生产露天煤矿19处、产能3.97亿t/a，建设露天煤矿7处(含改扩建)、产能0.96亿t/a。产能100万t/a以下的小型露天煤矿207处，占全国露天煤矿总数量的55.00%，产能1.17亿t/a，占全国露天煤矿总产能的12.30%。其中：生产露天煤矿151处、产能8730万t/a，建设露天煤矿50处、产能2 826万t/a。

1.2 工艺设备情况

近20年来，我国露天煤矿在开采工艺及设备方面取得了一定进步，以黑岱沟、元宝山、安太堡、伊敏、霍林河南露天煤矿等为代表的国有大型露天煤矿引进了连续、半连续、吊斗铲倒堆工艺，单斗挖掘机斗容最大已达75 m3，自卸卡车载重最大已达400 t，破碎机(站)能力最大可达12 000 t/h[2]。我国露天开采工艺装备发展的同时，又产生了新的问题。露天煤矿企业为节省投资和运营成本，普遍采用剥离工程外包运营模式，新疆所有露天煤矿采煤、剥离全采用外包运营方式，有的露天煤矿只有三四十人负责日常运营和安全管理，外包单位“小、散、弱”导致露天开采工艺及装备步入“低端化”发展歧途。

(1)工艺由半连续、连续向间断工艺倒退。20世纪80年代以及21世纪初期开发的露天煤矿均为自营，不存在工程外包，引进了连续、半连续工艺。2002年以来，我国煤炭产能急剧扩张，煤炭企业为减少投资，新开发露天煤矿基本都采用单斗-卡车工艺(间断工艺)。与连续、半连续工艺相比，单斗-卡车工艺具有投资成本低、生产灵活的优点，但设备多、用油多、安全风险大。

(2)生产设备由“大型化”向“小型化”发展。由于承包方门槛低，又层层转包，设备均属于个人购买、挂靠运营，大量露天矿卡车吨位只有20～30 t(有的甚至不是矿用卡车)，挖掘机斗容只有1.2～5.0 m3，导致坑内设备数量多、相互影响、安全风险大，而且油耗惊人。如某特大型露天煤矿剥离高峰期坑内车辆800余台，单班坑下作业人数超过1 000人，年耗油量6.87万t。同时，一些露天煤矿设计要求宽泛、标准低，一些露天煤矿则专为小设备设计，路面宽度、转弯半径不够，升级大型设备困难。

2 无人驾驶矿用卡车研发及应用的重要性

我国露天开采工艺及装备向单斗-卡车工艺发展有一定的经济性，但也存在能耗大、污染重、风险高的问题，与我国贫油、少气、富煤的国情不相符，与推进蓝天保卫战的大局不相符，与推进安全发展的大势不相符，因此，亟需推动我国露天开采工艺及装备变革，加快矿用无人驾驶卡车及大型矿用新能源卡车等智能型、环保型、安全型矿用卡车研发及应用。

2.1 必要性

(1)提升本质安全水平的需要。当前，我国多数露天煤矿承包单位卡车吨位普遍只有20～30 t，坑内运输卡车数量多，有的特大型露天煤矿高峰期坑内车辆800余台，运输车辆之间相互影响、安全风险极大。近几年全国露天矿运输事故不断，2019年11月国家能源集团宝日希勒露天煤矿发生较大运输事故，死亡4人。加快研发应用无人驾驶矿用卡车，能够减少现场作业人员数量，实现少人则安、无人则安。

(2)解决招人难、留人难问题的需要。当前，露天煤矿外包单位宽体车司机工资8 000元/月左右，其工资水平不及公路物流卡车司机工资水平，且工作环境恶劣。内蒙古某露天煤矿700名卡车司机，仅1年内流动达500人。据不完全统计，全国露天煤矿卡车司机平均年龄约52岁，多为初中以下文化水平，安全素质不高。加快研发应用无人驾驶矿用卡车，可以有效解决人员流动性大、招工难、从业人员素质低等问题。

(3)促进降本增效的需要。无人驾驶系统替代驾驶员，不仅可以节省人工成本、后勤成本(一名百吨级矿用卡车司机年薪20万元左右，一辆卡车年人工费用超过84万元)[3]，降低燃油消耗、轮胎损耗，而且可以实现整个作业区域内车辆集群调度，有效提高车辆的利用率、作业效率和维护效率，降低卡车故障率。据淡水河谷公司统计，无人驾驶可以使燃料成本下降10%以上，使车辆维护费用降低10%，轮胎磨损降低25%。澳大利亚铁矿石出口商福蒂斯丘金属集团(FMG)表示，无人运输的效率比传统人工运输提升30%[4]。据统计，矿用新能源卡车每公里使用成本相当于燃油车的1/3，电动机功率比燃油车增加近40%[5]。

(4)提升节能环保水平的需要。近年来露天矿山环境污染问题已经得到党和国家的高度重视。露天煤矿卡车耗油量大，且卡车排放尾气含有二氧化硫等有毒有害气体，严重污染矿区周边环境。山西某特大型露天煤矿卡车年耗油量高达7万t。因此，有必要加快大型矿用新能源卡车的研发及应用，解决露天煤矿燃油消耗大、污染环境问题。

2.2 可行性

(1)露天煤矿作业场景适于开展无人驾驶技术。现阶段，无人驾驶技术的应用仅限于低速与限定场景。露天开采的实质就是大量矿岩的移运过程，将土岩运至排土场，将煤运至地面生产系统进行破碎，属点对点的运输，车辆运行速度较低，且运输线路基本固定，作业场景单一、封闭，交通状况相对简单，交通参与元素的数量和种类均较少，具备采用无人驾驶技术的可行性。

(2)新一代通信技术发展为无人驾驶提供技术保障。当前，我国大力发展5G、人工智能、工业互联网、物联网等“新型基础设施建设”，推动了云计算、大数据、物联网、移动互联、虚拟现实、无人驾驶、人工智能、5G等高新技术与现代露天采矿技术深度融合，特别是5G技术的发展，加速了无人驾驶的落地，为无人运输提供了催化剂，为开展矿用卡车无人驾驶技术研发及应用提供了技术保障。

(3)国外矿山无人驾驶方面已有成功经验借鉴。国外矿用无人驾驶卡车的研究始于20世纪七八十年代，21世纪以来，全球各大矿用卡车供应商都在进行无人驾驶矿用车的应用与研究。2008年以来，日本小松公司和美国卡特彼勒公司陆续在智利、澳大利亚、巴西、加拿大等国的矿山投入近460台大型无人驾驶卡车，累计运输物料超过40亿t。卡特彼勒公司的无人驾驶卡车已经安全行驶6 760万km，生产效率比传统人工运输提升了30%[3]。

(4)动力电池及氢能发展为矿用新能源卡车研发提供基础保障。动力电池是新能源汽车的“心脏”，目前我国已经建立了比较完善的动力蓄电池产业体系。随着电气化的发展，动力电池技术渐趋成熟。在同样装机、相同工况条件下，氢燃料电池与锂动力电池相比，具备续航里程更长、充电时间更短、重量更轻、性能提升空间更大等优点。我国露天煤矿主要分布在内蒙古、新疆等地区，这些地区太阳能、风能资源丰富，电力充沛、价格低廉，因此，可以利用太阳能、风能发电，建立制氢站，发展氢产业，既消纳了送不出去的电力，又提供了清洁能源，有助于解决弃风、弃光问题。

3 我国无人驾驶矿用卡车研发及应用进展

3.1 无人驾驶矿用卡车

我国无人驾驶矿用卡车研究起步较晚。2017年以来，踏歌智行、慧拓智能、易控智驾、百度、跃薪智能等十余家科技公司开展了无人驾驶技术研发，为矿山企业和矿用卡车生产厂家提供露天矿山无人驾驶系统整体解决方案。北方股份、同力重工、徐工集团、三一重装、航天重工、潍柴集团、临工重机等国内矿用卡车生产厂家也在开展无人驾驶卡车研发。辽宁工程技术大学、中国矿业大学等高等院校正在开展露天煤矿无人驾驶工艺重塑和设计标准适配研究。

2018年8月，包钢集团联合踏歌智行、北方股份等单位在白云鄂博矿区进行国内第1辆无人驾驶矿用卡车测试，目前已实现4台无人驾驶卡车协同2台挖掘机进行编组测试，与其他车辆混编运行，累计完成约9.55万t矿物运输量和1.78万km的运输里程。2019年5月，内蒙古蒙新煤炭公司杭盖沟露天煤矿联合易控智驾等单位，开展无人驾驶研究测试，投入4辆同力重工无人驾驶宽体车。2019年9月，大唐集团宝利露天煤矿联合慧拓智能、中国联通、华为等单位开展基于5G网络智慧矿山无人矿车驾驶示范项目，投入4辆无人驾驶系统宽体自卸车。2019年11月，国家电投霍林河南露天煤矿与踏歌智行公司开展无人驾驶项目研究，完成2辆108吨级矿用自卸卡车无人化改造，效率达同型号人工驾驶运量的75%以上，且实现了夜班作业，目前项目已通过验收，下阶段将新投入10辆186吨级矿用无人驾驶卡车。2020年初，华能伊敏露天煤矿与百度Apollo公司合作，对2辆在用的172吨级矿用自卸卡车进行线控化改造，实现无人驾驶，目前已进入动态调试阶段。2020年5月，国家能源集团宝日希勒露天煤矿与航天重工公司联合开展“5G+无人驾驶”示范应用，总投资2 350万元，对5辆220吨级矿用自卸卡车进行无人驾驶改造。

总体上看，我国无人驾驶矿用卡车正处于试验测试阶段，应用场景比较简单，多为对矿山已有设备进行编组改造，运行效率为有人驾驶情况下的60%～80%左右。

3.2 大型矿用新能源卡车

目前，新能源矿用卡车的主要研究方向为纯电动、油电混合和氢能源。在油电混合和氢能源方面，2018年10月，国家能源集团、氢能科技公司及潍柴集团联合开展了200吨级以上氢能重载矿用卡车研发，首台国产200吨级以上氢燃料-锂电池混合能源矿用卡车于2019年4月成功下线。2019年10月，山西诺浩集团研发的百吨级矿用汽车油电混合动力系统首次亮相。总体看，我国在油电混合、氢能源矿用卡车研究方面较少，还处于实验室研发阶段。

我国纯电动新能源矿用卡车研究与应用始于2018年左右，据不完全统计，目前全国各类露天矿山共有200余台纯电动矿用卡车，主要核心研发单位为徐工重工、宇通重工、北奔重汽、宏威新能源、河南跃薪、北方重工、三一重装、潍柴集团等设备制造厂商。2018年以来，宏威新能源在湖南岳阳、山东曲阜、陕西富平、西藏华泰龙、浙江湖州等地及矿山投运了60多台纯电动矿用宽体车，单车里程已经超过3万km。2018年4月，北工重工40吨级纯电动矿用卡车在乌海石灰石矿山交付试运。2018年6月，洛阳钼业集团联合跃薪科技研发的SY系列纯电动矿用卡车在三道庄矿区投入使用，截至目前已累计投入纯电动矿用卡车30台，无人驾驶纯电动矿车5台。2019年8月，山西诺浩集团纯电动90吨级宽体矿用卡车在山西朔州交付。2019年12月，宇通集团首批纯电动矿用卡车应用于中国黄金集团西藏华泰隆矿业公司。2020年6月，三一重装集团研发的2台SKT90E纯电动无人宽体车应用于紫金矿业青海威斯特矿业公司。目前，纯电动矿用新能源卡车主要应用于砂石矿山、水泥矿山和金属矿山，在露天煤矿还没有得到广泛应用，仅华能伊敏露天煤矿进行了极寒条件下矿用电动卡车运行测试。

总体上看，我国新能源矿用卡车刚刚起步，依然处在产业化前期，受电池重量、循环寿命、充电速度及电池性能等因素制约，目前的纯电动新能源矿用卡车主要为总重量90 t、载重60 t左右的宽体车。

4 无人驾驶矿用卡车关键技术研究方向

4.1 无人驾驶矿用卡车

目前，我国矿用卡车无人驾驶应用场景简单，仅实现了小批量编组运行。矿区雨、雪、雾等恶劣天气给视觉传感器带来严重的探测障碍，道路多出现转弯盲区等不可检测区域，仅依赖车载传感器和车端算力，车辆的感知范围和决策控制能力受限，无法适应矿区群车规模化作业运行以及道路多坡、多弯道及狭长路段的恶劣环境，安全保障低，作业效率低，亟待解决以下关键技术。

(1)非结构化道路无人驾驶感知融合技术。目前，非结构化道路感知准确性和可靠性还无法满足矿山无人驾驶要求，亟待开展基于动态融合机制的车端多传感器感知方法、分布式边缘计算的路侧危险状态注意力感知方法、路车多源信息层次性主动融合感知方法研究，提高车端感知范围，解决矿山恶劣环境下卡车盲区不可检测问题，提高矿用卡车运输作业安全保障。

(2)无人驾驶矿用卡车规模化运营智能调度技术。以露天矿山复杂场景下无人驾驶卡车规模化运营的智能调度技术为主攻方向，开展高精度和高可靠性路径规划和车辆控制技术，路权决策分配技术，无人驾驶卡车实时调度多目标优化模型及求解算法研究，高精度地图高效采集、制作、发布技术研究，实现无人驾驶矿用卡车的智能调度。

(3)无人驾驶矿用卡车规模化运营智能协同控制技术。研究群体智能与无人驾驶矿用卡车自主协同的一致性问题，基于群体智能理论的多车协同控制方法以及无人驾驶矿用卡车队列分布协同控制方法，同时还要解决V2X(Vehicle to X，X代表任何可能的“人或物”)信息传输稳定性、位置定位漂移、域控制器成熟度和周期等问题，实现全矿高效协同的无人化运营。

(4)无人驾驶矿用卡车与露天矿山时变场景匹配关键技术。露天煤矿采剥、排土工作面动态变化，且道路复杂多变(上坡、下坡、转弯等)，亟待研究露天矿时变场景下的5G固定基站匹配问题，无人驾驶卡车与露天矿山装载、卸载设备的配合问题，有人/无人驾驶混合作业的安全机制和技术方案问题等，解决露天开采动态衍变与无人驾驶的匹配问题。

(5)高可靠性、高算力无人驾驶计算平台研发。目前，车规级嵌入式无人驾驶计算平台尚无突破，该领域的可量产计算平台尚属空白，亟待开展高可靠性、高算力无人驾驶计算平台研发，实现车规级、高可靠性、高算力无人驾驶计算平台的量产。

(6)大型矿用卡车关键部件研发。目前，我国在100吨级以上大型矿用卡车大扭矩变速器、200吨级以上大型矿用卡车电动轮方面尚属空白，无对应产品，亟待开展技术攻关，研发100吨级以上大型矿用卡车大扭矩变速器、200吨级以上矿用卡车大型电动轮等大型矿用卡车关键部件。

(7)基于数字孪生的设备健康管理技术研发。目前，我国数字孪生技术的准确建模和数字同步技术还没有实际应用案例，亟待开展基于数字孪生的设备健康管理技术研发，实现对设备故障及维修保养状态进行预测维护，提升设备使用寿命，降低使用成本。

4.2 大型矿用新能源卡车

矿用新能源卡车仅在矿内运行，可依托矿区充沛的电力资源，建设充电场地，解决新能源矿用卡车的充电问题。而续航和载重量是困扰纯电动矿用卡车的另外两个难题，续航里程越长需要消耗的电量越多，需要更大容量的电池；电池容量越大，车辆自重就越大，装载能力就会受到影响。续航、载重量、电池容量是限制大型矿用新能源卡车研发及应用的关键因素，亟待解决的关键技术问题如下。

(1)高电量、大功率、长寿命动力电池研发关键技术。目前，纯电动矿用卡车动力电池大倍率放电及寿命无法满足矿山持续爬坡等工况使用要求，亟待开展高电量、大功率、长寿命动力电池研发关键技术研究，实现4C以上大电流充放电、频繁充放电、使用寿命满足5年等要求。

(2)极端天气下纯电动矿用卡车研发及应用关键技术。我国多数露天煤矿位于内蒙古、新疆等偏远地区，属高寒地区，气候恶劣，冬季气温达到-35℃以下，亟需开展极端天气下纯电动矿用卡车研发及应用的关键技术，研究动力电池的低温充放电特性及电池保温措施，解决驾驶室冬季取暖问题及冬季车厢粘料等问题。

(3)载重100 t以上纯电动矿用卡车研发关键技术。目前，我国纯电动新能源矿用卡车载重仅60 t左右，亟需开展载重100 t以上纯电动矿用卡车研发关键技术研究，研发大功率电动机，并满足矿用卡车持续爬坡的需要。

5 结论与展望

近年来露天煤矿企业普遍采用剥离工程外包运营模式，外包单位“小、散、弱”导致露天开采工艺及装备步入“低端化”发展歧途，工艺由半连续、连续向间断工艺倒退，设备由“大型化”向“小型化”发展。通过无人驾驶及大型矿用新能源卡车可以实现无人则安，提升露天煤矿本质安全水平，解决招人难、留人难问题，促进降本增效，提升节能环保水平。露天煤矿作业场景适于开展无人驾驶技术，美国、澳大利亚等国矿山无人驾驶方面已有成功经验借鉴，新一代通信技术发展为无人驾驶提供技术保障，动力电池及氢能发展为矿用新能源卡车研发提供基础保障，因此我国露天煤矿具备应用无人驾驶及大型矿用新能源卡车的条件。

通过研究总体上看，我国无人驾驶矿用卡车正处于试验测试阶段，亟待开展非结构化道路无人驾驶感知融合技术、规模化运营智能调度技术、规模化运营智能协同控制技术、高可靠性高算力计算平台研发、大型矿用卡车关键部件研发、基于数字孪生的设备健康管理技术研发等关键技术攻关。我国新能源矿用卡车刚刚起步，依然处在产业化前期，亟待开展高电量、大功率、长寿命动力电池研发关键技术，极端天气下纯电动矿用卡车研发及应用关键技术，载重100 t以上纯电动矿用卡车研发关键技术攻关。建议高等院校、矿用卡车设备制造厂家、智能化科技公司等多方面联合攻关，解决卡脖子问题。国家有关部门大力支持无人驾驶矿用卡车、大型矿用新能源卡车研发，提高露天煤矿智能化水平，减少作业人员、能源消耗和环境污染。国家能源集团、中煤能源集团、国家电投集团等中央企业做好表率，开展露天矿山无人驾驶矿用卡车试验，条件成熟后进行推广应用。