1 智能礦山運輸系統
目前，礦山智能化系統已經在全球少數礦山企業進行測試或實現部分系統功能。Eduardo Nebot[1]認為淺層次的智能/自動化系統是指作為操作人員或駕駛員的輔助系統，如同輔助工具，例如提供位置信息、碰撞警告或駕駛員增強功能。中層次的自動化是指用於運輸、挖掘和裝的自動化機器，實現礦山某一系統或功能半自動化;完全的智能/自動化是指在一個完整的地上或地下系統內，將機械設備的 GPS置、運行狀態信息融合成 1 幅全景動態圖像，然後利用它來發揮總體集群的協調作用。Accenture com-pany[2]定義的智能礦山內的機械設備是不需要人進行現場操作或遠程控制的，智能化礦山運行只需要少量的人通過集成系統或平臺進行調節或指揮。智能礦山特點為礦山生產管理實現了從遠程化、遙控化到自動化乃至無人化的過渡，採礦工藝實現了鑽孔、爆破、鏟、裝、運智能化，選礦過程實現了智能化，生產調度管理系統實現了無縫化。智能礦山運輸系統是利用物聯網平臺傳遞信息，通過中央控制室的集成信息系統，由少量人員遠程協調指揮相關設備挖掘機、裝載機、卡車進行挖掘、裝載、運輸和卸載等運輸作業流程，智能礦山運輸網絡系統[3]如圖 1。
無人運輸礦用卡車利用礦區數字地圖進行路規劃，在運行過程中依靠車載攝像頭、自動定位模塊、傳感器、自身運行狀態監控等功能，實現自主駕駛、智能避障、車隊協同控制、緊急停車等生產作業需求。在礦區調度管理室，調度員可進行統籌監控和管理，在必要時對車隊的運行狀態進行幹預，以滿足礦區生產需求。
2 國內露天礦山無人駕駛現狀
2018 年 9 月包鋼集團、踏歌智行、北方股份、航空航天大學、中國移動、華為合作籤約，共同推進世界最大的稀土露天礦山白雲鄂博礦無人駕駛項目，實施「5G 網絡條件下無人駕駛及操作的智慧礦山技術的開發及應用」。2018 年 11 月踏歌智行在白雲鄂博礦區完成了 MT3600B、NTE150t 2 臺大型礦卡和 1 臺同力 90 t 寬體車的無人化升級改造和礦車無人駕駛管理系統開發，憑藉國內領先的感知、控制、執行和智慧礦山運營管理系統等核心技術，實現了不同廠家、不同噸位車型混合編組測試運營的重大進展。白雲鄂博礦區計劃在 2019 年底運行 30 自動駕駛礦車，2020 年計劃在 3 個礦區全部實現礦用車的無人化運行。
洛鉬集團三道莊礦，早在 2017 年就已經在國內率先運用無人採礦設備，但是之前採用的是 4G 通訊，網絡延時較長，遠程操作畫面較實際生產作業滯後較多，不能發揮遠程遙控的優勢。在 2019 年 3 月，三道莊礦業採用華為 5G 通訊，在施工區域安裝了 9個 5G 通訊基站，極大地提高了網絡傳輸的效率，是國內首個無人採礦技術的真正應用。由江銅集團、中國移動、華為、航天重工和山推股份聯合打造出的國內首個有色礦山車聯網。在江西首批 5G 基站落戶城門山銅礦後，積極開展 5G 與礦業的融合，不斷優化礦用車聯網平臺的智能駕駛系統，利用 5G 網絡低時延、高速率、高可靠性的特點，積極推進採礦設備智能化基礎改造，實現控制精度達到釐米級的無人駕駛礦用卡車[4-5]。城門山銅礦是我國首家使用無人駕駛礦用車的有色露天礦山。礦車具有無人行駛、智能避障等功能，並實現與全球首臺大馬力 5G 遠程遙控推土機的聯合作業2019 年 11 月，河南能源焦煤公司與中國移動籤訂了 5G 戰略合作協議，這意味著河南省第 1 個基於「5G+」的無人礦山項目正式落戶。該項目計劃使 10 臺鑽機、13 臺挖掘機和 60 臺礦卡實現遠程控制或者無人駕駛，將使露天礦區鏟、裝、運工序全部無人化，極大地提高生產效率和安全性，達到智慧礦山的要求[6]。按照項目實施後 1 300 萬 t/a 的生產量，預計每年可節約人工成本 1 000 萬元，節省材料成本 1 800 萬元。扎哈淖爾煤礦為我國自行設計、開發、建設的第1 座露天煤礦，目前扎哈淖爾煤業公司 5G 基站已安裝 7 座 5G 基站實現生產現場信號全覆蓋。運輸車輛安裝的 4 個攝像頭利用環視模塊的圖像拼接，實現駕駛人員對車輛周圍無盲區的觀察，並通過 5G提高了生產監管效率和效益[7]。
3 國外露天礦山無人駕駛現狀
早在 2005 年，智利國有銅業公司(Codelco)旗下最大的分公司北方銅礦公司(CodelcoNorte)已試運行小松公司的自動運輸系統。該公司旗下最大的銅礦丘基卡馬塔(Chuquicamata)銅礦為露天轉井下礦山，該公司在露天開採收尾階段由於運距太大，試運行礦卡的無人駕駛技術。該礦區於 2018 年開始進行地下開採後，與羅克韋爾自動化公司通力協作，促使這座已有百年歷史、規模居世界前列的露天銅礦實現技術升級，成為採用礦塊崩落開採法的「超級崩落型」銅礦。這項先進開採技術的應用預計可將銅礦的服務年限延長 40 年以上，提高生產效率從而實現更高的資產利用率。森科爾能源公司(Suncor Energy)是加拿大第 1家引進自動卡車的油砂公司，2013 年起，森科爾在其油類和採礦業務中測試「自動運輸系統」，以確定GPS 輔助的卡車是否可以全年在油井工作。目前在阿爾伯塔省的 North Steepbank 項目擁有 9 輛自動卡車運輸材料，每個礦場都有自己的控制中心來管理車輛，這些車輛已經按照油砂採礦等獨有的條件運行。該公司計劃從 2019 年起將以 North Steep-bank 礦山為試點，在公司運營的礦山上分階段實施自主運輸系統(AHS)，計劃部署超過 150 輛無人駕駛卡車，預計未來 6 年內將減少約 400 個重型設備操作員職位。2013 年澳大利亞 Fortescue metals Group(FMG)與卡特彼勒 (CAT) 公司合作，在索羅門鐵礦區(Solomon Hub 礦區) 籤訂了全自動 793F 礦用卡車協議，無人駕駛礦卡粉量從開始投入使用的 8 臺發展到目前的 54 臺。無人駕駛礦卡使礦區的運行效率提高了 20%。Brockman4 礦區是力拓集團 2010 年投產的鐵礦山，並成為附近礦山高技術操作的示範基地。它是皮爾巴拉擴建計劃中的重要組成部分。Brockman4 目前的礦坑設計預計能夠生產 6 億 t 高端鐵礦石 (品位大於 60%) 和 4.5 億 t 低品位礦石 (品位 50~60%)。力拓 Brockman 4 號礦區目前運行的 29 輛830E 標準型自卸卡車上已安裝小松公司的自動運輸系統加裝套件。澳大利亞西部皮爾巴拉(Pilbara) 鐵礦區有 16個鐵礦場，4 個獨立港口碼頭，1 700 km 的鐵路網絡。目前皮爾巴拉礦區擁有全球最大的無人駕駛卡車車隊。這些在皮爾巴拉鐵礦區運行的無人駕駛，是由距離 1 500 km 外的佩斯市的操作運營中心遠程控制。目前礦區超過 130 臺。截至 2018 年 2 月，自動運輸卡車已運輸超 10 億 t 礦石。
4 礦山無人駕駛技術發展面臨的問題
目前國內外的礦山都朝著智慧礦山的方向進行建設，並且有的礦山已企業嘗試進行礦區無人駕駛技術的試驗和應用，從目前的發展現狀來看，主要存在以下幾方面的問題：
1)礦區無人駕駛配套技術、管理水平、基礎設施滯後。無人駕駛系統需與智能化開採技術、先進的礦區管理水平及網絡通訊設施等進行相匹配，從而保證其正常運行。相比國外礦山，我國的自動化、智能化開採技術相對落後，先進設備推廣力度不夠，礦區網絡、監控設施配套不全，這為我國智能開採設備的推廣帶來一定的困難。
2)礦山對新技術的接受需要時間。由於種種條件的限制，礦山行業本身帶有一定的保守性，對無人駕駛等新興技術的接受需要一定時間。隨著網際網路、工智能、大數據、區塊鏈等新興科技已逐漸同傳統行業相融合，並呈現出嶄新的產業發展面貌，國內外以煤炭為主角的採礦業才開始在業內展露出對新思維、新理念的興趣。智慧礦山的應用，有望改變這一現狀。
3)5G 通訊網絡系統建設成本較高。無人駕駛技術需利用 5G 低延時、高速率的優勢進行遠程操作控制。2019 年是我國利用 5G 進行無人駕駛應用的元年，但是目前 5G 基站建設成本較高、覆蓋區域小，幾乎每 100 m 就需要建設 1 個 5G 基站，這對於小型礦區無疑是筆巨大的費用。此外，礦區生產領域隨著採礦工作面的拓展及延深，需要通訊網絡及時覆蓋新的工作面，且不受爆破震動、惡劣天氣等影響，這對礦區通訊建設及通訊技術的要求也較高。
4)無人駕駛核心技術突破的難度較大。無人駕駛是設備智能化的終極體現，它集中運用了工程機械、通信技術、人工智慧及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。在整個生產過程中，生產調度管理員應儘可能減少幹預無人駕駛設備的運行。礦區無人駕駛的技術難點就是人工智慧程序的編制，這對全球現有的人工智慧技術是很大的考驗。
5)各類無人駕駛產業資源分散不聚焦。目前，礦區無人駕駛發展的格局呈現出 2 種趨勢，傳統工程機械生產廠家更傾向於漸進式自動化，以漸進自動駕駛的方式逐步提升施工作業體驗，而新興高科技公司以人工智慧方式進入完全自動無人駕駛，是在傳統工程機械的基礎上直接跨越到以無人駕駛。前者依靠的是長期積累的整車經驗和在自動控制領域的核心優勢，後者則是藉由人工智慧的大力發展整合傳感器、感知算法、計算平臺等技術以實現跨越式的發展。在目前的發展技術水平下，2 種發展方式各有利弊，雙方有各自的營銷方式但深入合作不夠。
5 結 語
目前國內大型露天礦山開始進行礦區無人駕駛系統的建設和試驗，相比國外發達國家，我國的無人術研發嶄露頭角，需要礦山企業、高科技公司、設備廠家、通訊公司等一起進行深度合作，共同開發礦山智能化系統。隨著國內網際網路、人工智慧、5G 通訊等現代信息技術發展的日新月異，為礦山無人駕駛技術的發展提供了很好的機遇。相信在今後 10 年內，露天礦山的無人駕駛技術將會得到很好的發展與推廣。