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

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摘要：文章针对露天煤矿的生产运输问题进行探究，从研发无人驾驶及新能源卡车的意义入手，分别介绍了无人驾驶卡车、新能源卡车的发展现状与关键技术。希望加快露天煤矿智能化运输的建设速度，实现露天煤矿生产的高效化、环保性。关键词：露天煤矿；无人驾驶卡车；新能源卡车；关键技术采矿业是我国国民经济的支柱型产业。其中，露天开采是一种常见的生产模式，具有生产规模大、安全性高、资源回收率高的特点[1]。2020年，国家发改委等八部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出到2025年露天煤矿要实现无人化运输作业。在此背景下，无人驾驶卡车、新能源卡车的研发速度加快，并且已经在露天矿山中进行测试应用。以下阐述了此类矿用卡车的发展现状与关键技术。1．露天煤矿研发无人驾驶及新能源卡车的意义1.1保证生产安全露天煤矿的开采作业相对地下煤矿更为安全。但是，目前在用的运输卡车吨位多在20～30t之间，为了满足现场运输需求，会配置大量卡车，这些车辆相互影响，存在较高的安全风险。例如：2020年4月21日，内蒙古锡林郭勒白音华煤电有限责任公司露天矿内，因夜间生产发生运输事故，造成1人死亡。1.2降低生产成本相关研究显示，使用无人驾驶卡车代替传统卡车，既能节省人工成本和后勤成本，又能降低燃油消耗和车辆损耗。而且，在作业区内对所有车辆进行集中调度，能提高车辆的利用率，减少故障发生。某煤矿公司的统计数据称，使用无人驾驶卡车，燃料成本下降10%，车辆维护费用下降10%，轮胎磨损下降25%[2]。1.3满足环保要求露天煤矿虽然具有多种生产优势，但也会造成严重的环境污染问题。以运输车辆为例，卡车排放的尾气中含有二氧化硫等毒害气体，会对煤矿周边环境造成污染，威胁周边居民的健康。为了响应国家低耗、节能、环保的发展号召，研发无人驾驶卡车迫在眉睫，有助于解决污染问题。2．露天煤矿无人驾驶卡车的发展现状与关键技术2.1发展现状在煤矿行业内，无人驾驶卡车的研发起步晚。2017年，国内十余家科技公司开始此项研发工作，为矿山企业及卡车生产企业提供无人驾驶方案。2018年8月，以包钢集团为首的多个单位，对国内第1辆无人驾驶卡车进行生产测试，并且成功通过与挖掘机的编组运行测试、与其他车辆的混编运行测试。2019年9月，在大唐集团宝利露天煤矿的主导下，依托于5G技术建设智慧化矿山，开展无人矿车驾驶项目，投入4辆无人驾驶的自卸车。同年11月，霍林河南露天煤矿也进行无人驾驶的研究，对108t级的矿用自卸车进行改造，改造后无人驾驶作业效率达到人工驾驶的75%，而且满足夜间生产需求。2020年5月，宝日希勒露天煤矿开展5G+无人驾驶项目，对多辆220t级的矿用自卸车进行改造。2.2关键技术总体上看，无人驾驶卡车的运行效率约为人工驾驶的60%～80%，多处于测试阶段，且应用场景简单。在未来，无人驾驶卡车需要解决的关键技术如下：2.2.1道路感知融合技术对于非结构化道路，目前车辆的感知不够准确，需要在感知融合技术上发力。例如：车端多传感器感知、路侧危险状态感知、路车多源信息融合感知等。该技术的应用，能扩大无人驾驶卡车的感知范围，解决感知检测盲区问题，从而提高运输作业的安全性。2.2.2规模运营智能调度技术露天煤矿生产中，面对恶劣复杂的环境，如何对规模车辆进行智能调度，也是需要解决的一个关键技术。例如：高精度地图采集技术、可靠性路径规划技术、路权决策分配技术、实时调度目标优化与求解算法等。该技术的应用，能对多台无人驾驶卡车进行智能化调度，提高使用效率[3]。2.2.3场景变换匹配技术面对复杂的矿山场景，其工作面是不断变化的，而且道路存在上坡、下坡、转弯等情况，此时需要用到场景变换匹配技术。例如：场景变换后匹配5G固定基站，无人驾驶车辆与其他设备之间的配合，有人驾驶与无人驾驶的技术配合等。该技术的应用，能使无人驾驶车辆适应更加复杂的环境场景，更好地满足矿山现场生产需求。2.2.4系统与关键部件研发在系统方面，需要研发出车规级、嵌入式的无人驾驶信息处理平台，利用该平台提高数据处理的效率和精度，为现场生产、调度提供支持。在关键部件方面，高吨级的扭矩变速器、卡车电动轮尚处于空白，这些关键部件的研发与应用，才能保证卡车的运行性能，满足现场生产需要。3．露天煤矿新能源卡车的发展现状与关键技术3.1发展现状露天煤矿中应用的新能源卡车，主要是氢能源、纯电动能源、油电混合能源。这其中，氢能源与油电混合能源卡车，总体上处于研发试验阶段。例如：2018年10月，以国家能源集团为首的多家公司展开合作，研发出200t级氢能源矿用卡车。2019年10月，山西诺浩集团研发百吨级油电混合动力矿用汽车。在纯电动能源卡车的研发方面，目前取得了一定成果，已经在矿山生产中得到应用。以2021年为例，全国纯电动重卡销量9650辆，同比增长273.3%，占据新能源重卡的市场份额为92.4%[4]。3.2关键技术纯电动能源卡车的研发刚起步，受到电池重量、充电速率、电池性能的影响，目前的矿用卡车以载重较小的宽体车为主。在未来，纯电动能源矿用卡车需要解决的关键技术如下：3.2.1电池优化技术对电池进行优化，增大功率、增加电量、延长寿命，是电池设计制作的技术要点。目前纯电动能源矿车中，电池的性能差、寿命短，不满足持续爬坡等特殊工况的要求。未来的电池，至少满足三个技术要求：①在保证安全的前提下，能频繁充电、放电；②达到4C以上的大电流充放电；③使用寿命≥5年。3.2.2极端天气应对技术露天煤矿在开采和运输中会遇到极端天气，尤其是位于新疆、内蒙古等偏远地区的煤矿，冬季气温在-30℃以下，大雨、大雪等天气经常出现。纯电动能源矿车要想正常运行，需要解决以下问题：①低温环境下的充电放电问题；②电池本身的保温问题；③驾驶室内的温度控制问题；④材料容易粘附车厢问题等。3.2.3大吨位卡车研发技术因技术受限，目前纯电动能源矿车的总重量多为90t，载重量为60t，这个载重量不满足煤矿的生产运输需求。增加车辆的配置数量，不仅提高了成本，而且集中调配难度增加。为此，今后必须研发大吨位纯电动矿用卡车，载重量要达到100t以上；同时研发大功率的电动机，以满足持续爬坡要求。4．结语综上所述，露天煤矿生产具有诸多优点，研发无人驾驶及新能源卡车，能保证生产安全、降低生产成本、满足环保要求。文章以无人驾驶卡车、新能源卡车为例，介绍了研发应用现状，指出未来发展需要解决的关键技术问题。希望通过本文，为矿用卡车的研发设计与生产提供新思路，加快智慧矿山的建设速度。参考文献：[1]王忠鑫,辛凤阳,陈洪亮,等.我国露天矿智能运输技术现状及发展趋势[J].工矿自动化,2022,48(6):15-26.[2]赵浩,毛开江,曲业明,等.我国露天煤矿无人驾驶及新能源