矿山无人化的现状与发展

矿山无人化的现状与发展

蔡毅1,2

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆  400039；

2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

作者简介：蔡毅（1984-），四川省宜宾市人，工程师，本科。2004年毕业于重庆大学电子信息工程专业，主要从事瓦斯监测系统现场应用技术、仪器仪表、综合自动化等方面的研究与技术推广等工作。

摘要：煤矿作为我国基础能源行业，也是传统高危行业，发展不平衡、不充分的矛盾依旧突出，更应该先行一步，全方位、全链条推动人工智能与煤炭行业融合，抢占传统产业转型升级的制高点，提高全要素生产率，这是推进煤矿安全生产治理体系和治理能力现代化的必然要求。也是在煤炭领域安全生产管理层面探索人工智能治理实践新模式的必然选择。同时，在智慧矿山建设背景下，井下固定岗位无人值守作业。基于此，本篇文章对矿山无人化的现状与发展进行研究，以供参考。

关键词：矿山无人化；现状分析；发展策略

引言

矿山智能化建设尤其是矿山无人驾驶在国内发展迅速，截至2022年8月底，国内新增无人驾驶项目多达20余处，在建或已投入运行的无人驾驶车辆总数超过600台。作为无人驾驶关键技术之一的网络通信技术，如何支撑无人驾驶快速稳定在矿山落地，成为各大矿企、通信运营商、通信设备厂商、无人驾驶研发厂商需要共同面对的主要问题。为此，从矿山无人驾驶通信需求分析出发，研究适合无人驾驶实际应用的无线组网覆盖方式和数据回传分流方式，并根据实际案例分析应用效果。为矿山无人驾驶快速推广提供技术支撑。

1矿山无人化的必要性

矿产是国家能源的支柱产业。高效性、安全性、绿色环保性是现阶段矿山开采的新要求。然而，由于环境恶劣、矿工老龄化严重、矿难事故频发等问题，矿山采运系统装备的智能化改造势在必行，同时也是国家能源安全的核心保障和实现安全、绿色和高效智慧矿山的核心环节。在这些特定场景中，矿山场景一直存在行业极度高危、劳动力极度紧缺和人力操作成本逾高的问题，迫切需要无人化改造升级，为平行驾驶技术的迅速落地提供了契机。

2矿山无人驾驶通信需求分析

矿山无人驾驶通信需求主要集中在车云通信和车车通信。车云通信主要依托矿区内无线覆盖网络，实现无人驾驶矿卡与云控平台之间通信。车车通信依托V2V和V2I技术实现矿卡之间通信、矿卡与路侧设备之间通信。车云通信主要为无人驾驶矿卡数据上传和云控平台数据下发。上传数据包括各项车辆监测、感知、视频等数据。下发数据包括各项控制指令、任务信息等。就数据带宽分析，大带宽上行数据主要集中于车载视频实时上传，雷达数据上传等方面。大带宽下行主要集中于OTA升级数据下发。单车上行带宽需满足至少4路实时高清视频上传或至少2路激光雷达数据上传的需求，根据此要求计算上单车上行带宽不低于20Mbit/s。基于远程遥控指令延时要求，车云通信数据延时不大于50ms，最好控制在30ms以内。车云通信整体网络可靠性，要求不因单一链路或设备故障而导致整体网络不可用。数据安全方面要求满足生产数据安全存储的要求。无线网络覆盖方面需适应矿区生产作业推进需求，基站覆盖区域可随生产区域变化进行快速部署和移设，最大程度减少因地形变化造成盲区。基站整体数量需考虑总体造价和日常运维成本。

35G智能运输

对矿山井下有轨电机车运输系统来说，大部分需要现场岗位人员与驾驶员配合操作。每台电机车需配司机和矿工，二者相互配合才能完成。这经常会造成装矿效率低下、装载异常等问题，同时存在很大的安全隐患。5G智能运输依托于矿山5G专网，在运输车辆上增设测距雷达、AI摄像机、高精度GPS定位模块和北斗定位模块数据采集终端，将采集的信号实时传输到信息处理平台。通过部署无人驾驶控制系统的矿车调度平台综合处理后发出指令，实现矿卡远程操控、精准停靠、自主避障等无人驾驶功能，减少现场作业人员，有效降低安全事故发生率，同时可适应不同条件下生产系统的连续运行，大幅提高矿山运输效率。在方案层面，以高速5G无线通信及工业环网为传输平台，以矿用轨道运输监控系统为安全依托，采用精确定位技术、图像识别处理技术和机车安全运调技术，结合矿井安全生产运输综合监控系统来实现具体的运输作业。具体包括以下几个部分。电机车自动控制改造：实现电机车自动运行，需要对机车的电气回路、机械回路、自动化系统与电气回路的连接进行改造测试，并安装车载控制系统（5G无线通信设备、协议转换设备、测速装置、障碍物检测装置、精确定位设备、机车视频等），同时进行牵引系统与机车本体控制融合调试，实现电机车远程自动控制。精准定位系统：机车通过UWB精准定位系统，结合5G定位，将无人机车的每节车厢定位至自动放矿口下方。溜井远程遥控装矿系统：远程操作台可安装于地表控制中心，每套遥控操作台设置一套操作装置，实现远程手动遥控装矿。无人机车车厢精准定位后，远程自动放矿系统开启放矿模式，机车车厢矿石物料高度及视觉AI系统可控制每节车厢的放矿数量，实现与放矿机的连锁，使无人机车运输系统与远程放矿系统高度兼容统一。视频监控系统：基于5G高清视频回传能够清晰地传递井下机车行驶情况，保障行驶安全。

4矿山无人化的现状分析

国外无人矿山系统研发已近30年，商用落地超10年，无人化开采量超过80亿吨。在露天矿无人运输系统装备领域，国外企业如卡特、小松、日立、沃尔沃等均已实现了不同程度的矿山无人化作业，其中卡特和小松已经实现了无人矿车在国外矿区的商业运行，然而其设备极为昂贵且对中国矿山环境适配性差。我国露天矿无人运输技术装备处于空白状态，长期被欧美垄断，是典型的“卡脖子”技术。矿山无人化存在极端场景数据不足、极端条件下测试困难、复杂场景下超大型车辆规划控制难度大、大规模车辆调度效率低和精确度差等难点。

5矿山无人化的发展趋势

具体内容：（1）矿区智能化发展趋势，带动智能化转型升级：在人工智能、5G等新一代信息技术加速应用的背景下，未来矿山的发展唯有向精细化管理、数字化运行转变，才能真正建成智慧矿山，实现本质安全。（2）人才的培养：通过实施无人驾驶项目建设，形成一大批次智能化人才技术骨干，服务于无人驾驶系统；依托精准的无人运输平行仿真系统，建设形成一套完善的无人驾驶智能化运维培训系统平台。（3）改变矿区传统的作业生产模式：生产工艺变化、外委土方剥离变化（逐步转换为无人驾驶作业）。

结束语

总而言之，部分企业已经采用智慧矿山系统。在智慧矿山工程应用的过程中，可以清楚地认识到科技的优势，这也成为采矿行业未来发展的必要步骤之一，只有充分保障工作人员的安全，才能有效做到提高工人的工作积极性，让采矿成为安全、高效的工作。在采矿行业不断发展的过程中，已经有越来越多的采矿企业意识到了技术升级的重要性，建设了自身的技术团队对智慧矿山系统工程进行建设和升级，了解矿山的具体情况，能够让矿山的开采具有更高的安全性，提高矿山开采的效率。未来将形成一个丛林环抱、绿色环保，无人机在空中巡检，通过智能感知对环境和设备出现的问题及时报警，生产现场设备无人驾驶，各系统应用数信息可进行远程诊断，智能决策集中管理的智能化示范矿山。

参考文献

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