我国露天矿智能运输技术现状及发展趋势
王忠鑫1，2，辛凤阳1，陈洪亮1，宋波1，田凤亮1，曾祥玉1，白怡明1
（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015；
2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新123000）
关键词：智能矿山；露天矿；智能运输；带式输送机；矿用卡车；无人驾驶；新能源卡车；低碳运输
基金项目
中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目（2020-ZD002）。
作者简介
王忠鑫（1984），男，内蒙古赤峰人，教授级高级工程师，博士研究生，主要从事煤炭露天开采理论、核心装备及其智能化技术研究工作，E-mail：wzx_syy@qq.com。通信作者：辛凤阳（1994），男，内蒙古赤峰人，蒙古族，助理工程师，硕士，主要从事露天开采理论与优化、智能矿山规划设计、矿山设备数据采集及软件开发等工作，E-mail：1643660267@qq.com。
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引言
露天开采过程的本质是大规模土石方时空移运过程，一般包括穿孔、爆破、采装、运输、排弃（卸载）等环节，其中运输环节是决定露天矿安全、经济、节能、低碳、绿色等属性的最重要因素之一。随着智能化矿山建设目标的提出，露天矿运输环节的智能化成为重点研究对象之一，主要集中在智能运输系统（IntelligentTransportationSystem，ITS）领域和方向。
ITS最初为解决道路交通拥挤、交通事故等问题，由美国、日本等国家的学者提出。随着研究不断深入，系统功能扩展到道路交通运输的全过程及其有关服务部门[1]。我国露天矿ITS与交通行业有着明显的不同，其主要建设目标是生产过程安全、高效、低碳环保。
我国露天矿大多兴建于20世纪80年代，具有工艺先进、设备大型、机械化程度高、设备种类繁杂、产量规模大等特点[2]。随着计算机技术在矿山行业的应用及推广，各露天矿加强了对生产和设备运行数据的重视，建立了管理信息系统、生产调度监控系统等。近年来，设备自动化运行、卡车无人驾驶、新能源汽车等新兴技术突起，通过远程控制、作业区域减人、新能源替代不可再生能源等手段，实现露天矿安全、高效目标，已充分融合在露天矿智能化队列中[3-4]。本文从基础设施、装备、管控、维保、设计5个方面，总结我国露天矿智能化运输关键技术及其应用现状，并对未来发展趋势进行展望。
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露天矿运输系统
1.1露天矿运输系统
露天矿运输系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的多种要素构成的整体。对露天矿运输系统而言，其特定功能是实现物料的空间位移，其要素是实现整个运输功能所需的基础设施、运输工具、运算技术及工作人员等，如图1所示。
运输环节在露天矿各工艺环节中起“动脉”和“纽带”作用，其他工艺环节和管理工作中存在的各种问题往往能在运输环节中得到集中反映[5]。为适应不同的矿床赋存条件和开采要求，露天矿开采中使用的运输方式主要分为铁路运输系统、卡车运输系统、带式输送机运输系统3类。
1.2露天矿ITS
露天矿ITS是以露天矿煤岩高效运输为应用场景，以智能化运输装备为核心载体，将物联网、云计算、大数据、人工智能、移动互联等数字技术与露天矿运输系统运行原理和工艺要求深度融合，建立运输系统内设备、环境、物料的自主协同高效运行体系，进而建立大范围内发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统[6-8]，同时促使系统中人的位置从端侧向云边侧转变，角色由设备操控运维转向智能应用场景开发。
露天矿ITS与传统运输系统的区别在于服务对象的重心由露天矿生产管理人员（如生产技术部、调度中心等部门人员）转向露天矿生产作业人员（如矿山车辆司机、维保人员等），即用先进的科技手段向生产作业人员提供必要的信息和便捷的服务，以减少运输车辆装卸点排队、意外事故等情况发生，提高生产设备利用率，增加设备作业安全性，从而达到露天矿ITS实施目的。露天矿ITS构成要素主要包括基础设施、运输工具和运算技术。基础设施主要是网络布设；运输工具指不同运输方式所采用的装备，如矿用卡车、带式输送机等；运算技术指所需的软件系统、平台和算法等。
露天矿ITS将露天矿生产管理人员、生产作业人员、道路运行、设备维保等相结合，集中系统地进行管理，以提高露天矿整体生产运行效率[9]。
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露天矿智能运输技术现状
2.1基础设施智能化技术
（1）网络布设现状。露天矿网络通信形式主要包括电台通信、无线Mesh网络、4G专网、5GMEC（Multi-accessEdgeComputing，多边缘接入计算）、5G专网、700MHz+XGHz等。何林等[10]指出无线Mesh技术具有容量大、速率高、覆盖范围广、成本低、组网简单等特点，基于无线Mesh网络的通信系统在露天矿具有广泛的应用前景。郭文馨[11]提出了符合露天矿企业实际情况的4G无线通信系统技术方案，实现了专业语音集群通信、高可靠性和高实时性数据传输及多媒体视频调度功能。孙继平等[12]提出了宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键，矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量好等优点。王国法等[13]分析了5G中的高频通信、大规模天线阵列、超密集组网、设备到设备通信、网络切片和移动边缘计算6项关键技术及其特征，提出了矿山应用5G技术的总体架构，展望了5G技术在煤矿智能化中的融合应用。
（2）路网更新技术现状。露天矿路网更新的准确性和更新周期是车辆优化调度的基础，众多学者研究利用GPS数据获取路网信息。孙效玉等[14-16]针对提取露天矿路网路段缺失与偏移现象明显等问题，提出通过求取GPS轨迹点在道路上的概率进行栅格初始化的方法。
随着无人驾驶技术的推广应用，道路智能化重新被提上日程。青岛慧拓智能机器有限公司以安全为目标，在转弯处设置激光雷达，与卡车通信，弥补卡车感知的不足。未来将全方位实施车车、车路之间的实时信息交互，在全时空动态交通信息采集与融合的基础上，开展车辆主动安全控制和道路协同管理将是发展趋势。顾清华等[17]为满足无人矿车高精度路网导航需求，提出了基于矿区道路特征的图像互补方法，基于ResNet101构建更符合露天矿道路提取的DLinkNet101网络模型，可满足露天矿区主干路网智能识别和路网建模的精度要求。
2.2装备智能化技术
（1）无人驾驶矿用卡车应用现状。露天矿卡车无人驾驶技术在国内起步较晚，但近年来发展迅速。2018年，徐工集团工程机械有限公司联合青岛慧拓智能机器有限公司研发了无人驾驶智能宽体自卸车[18]。该车采用X智能控制无人驾驶技术，具有循迹行驶、智能避障、运动跟随、自动转弯、人机交互及感知融合等功能。
2018年8月，中国宝武钢铁集团有限公司联合北京踏歌智行科技有限公司等在白云鄂博矿区进行了无人驾驶矿用卡车测试，目前已完成4台无人驾驶卡车协同2台挖掘机编组测试，与其他车辆混编运行。2020年初，华能伊敏煤电有限责任公司伊敏露天煤矿与百度Apollo公司合作[19]，对4台纯电动宽体卡车和4台172t自卸卡车进行线控化改造，实现了无人矿卡自动编组、设备联动作业、障碍物绕行、挡土墙路由巡迹等功能，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型工程装备有限公司联合开展5G+无人驾驶示范应用[19]，对5辆220t级矿用自卸卡车进行无人驾驶改造，完成矿区5G独立组网、极寒气候5车编组连续运行、全天候不间断作业、车内无安全员作业等建设环节。
（2）新能源矿用卡车应用现状。目前，随着我国“双碳”战略的提出，新能源矿用卡车的主要研究方向为纯电动、油电混合和氢能源卡车。在油电混合和氢能源卡车方面，2018年10月，国家能源集团氢能科技有限责任公司开展了200t级以上氢能重载矿用卡车研发，首台国产200t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[19]。徐工集团工程机械有限公司、湘电重型装备有限公司等相继开发并下线了纯电动车、氢能源卡车等。总体来看，我国在油电混合、氢能源矿用卡车方面的研究较少，仍处于实验室研发阶段，但发展速度较快。2021年，程平等[20]构建了基于碳排放成本的露天矿新能源纯电动卡车多目标调度优化模型，采用非支配邻域免疫算法对模型进行求解，提高了新能源纯电动卡车的运输效率和碳排放量。新能源矿用卡车将是矿用卡车的发展方向之一。
2.3管控智能化技术
露天矿运输系统的管控智能化技术主要是卡车智能调度系统（TruckIntelligentDispatchingSystem，TIDS）。作为生产过程中的管控决策大脑，TIDS在我国研究起步较晚，最初是20世纪90年代由本钢（集团）矿业有限责任公司南芬露天铁矿、东北工学院等联合开发生产调度计算机辅助系统。1997年，煤炭科学研究总院抚顺分院等研发了卡车调度优化系统并应用于伊敏露天煤矿[28]。之后露天矿卡车调度系统开始快速发展，以智能化为目标稳步前行，各矿山企业开始大量建立自动化调度系统。2018年，露天矿卡车无人驾驶和新能源矿用卡车相继出现，卡车智能调度系统随之升级，作为矿用卡车和新能源卡车无人驾驶系统的决策系统。将无人驾驶技术与智能调度优化技术有机结合将是今后智能化矿山建设的重要内容。在连续工艺方面，2020年，中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司基于露天矿轮斗连续工艺，开发了一体化智能综合管控平台，有效融合轮斗、转载机、带式输送机和装车仓等的实时运行数据，打通了数据壁垒，实现了连续工艺无人值守、远程操控、自主运行[29]。
2.4维保智能化技术
2.5运输系统设计智能化技术
露天矿运输系统设计智能化是以智能化设计方法为手段，以提高生产效率为目标，进行露天矿开拓运输系统时空演化规律分析。刘光伟等[34]以压缩运距、控制道路运输功为优化目标，以JONG提出的城际高速公路选线方法为理论基础，综合分析了运输系统道路的基本组成、结构形态及线型特点，建立了基于选线道路费用成本最优化的数值计算模型，通过试验验证了该模型对解决此类矿山选线问题可行且有效。之后，刘光伟等[35]进一步研究了基于时空演化的露天矿运输线路存留状态判别问题，提出了一种定量化描述露天采场时空状态演化过程的方法，弥补了现阶段手工定线更新路网的不足，同时为开拓运输系统自动优化定线算法的实现提供了一种路径更新判别的新思路。赵明等[36]基于3DMine软件研究了露天矿境界优化问题，提出了块体价值和附加运输费用计算方法，提高了境界优化的准确性和可靠性。
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露天矿智能运输关键技术
3.1卡车智能运输关键技术
（1）环境感知技术。露天矿卡车环境感知技术基于无人驾驶设备传感器布设（图2），包括激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达及高清摄像头（图3），通过传感器数据感知、相互融合，提供可靠的距离、速度、方向数据，辅助无人驾驶车辆准确感知矿山复杂环境。
多目标智能调度问题求解需要合适的算法。多目标规划是数学规划的分支，研究多于1个目标函数在给定区域的最优化，又称多目标优化。多目标优化算法分为传统优化算法和智能优化算法两大类。传统优化算法包括加权法、约束法等，其本质是将多目标函数转换为单目标函数，通过单目标优化方法求解。智能优化算法中较常见的是多目标进化算法，以NSGAⅡ算法最为普遍。NSGAⅡ算法也称为带精英策略的非支配排序遗传算法。该算法降低了非劣排序遗传算法的复杂性，具有运行速度快、解集收敛性好等优点，成为其他多目标优化算法性能的基准。NSGAII算法流程如图4所示[39-41]。
（4）有人无人混编设备群智能协同技术。露天矿间断工艺由有人驾驶向无人驾驶过渡的同时，存在有人无人混编过程。将无人驾驶技术与卡车调度系统、信息基础设施和综合管控平台相结合，建立有人无人混编设备群智能协同技术是非常必要的。在无人驾驶卡车路径规划过程中，根据配备的矿区高精度三维地图及当前车辆位置和制定的重点位置进行全局行驶路径规划，充分利用卡车调度系统，建立有人无人混编设备智能管理调度系统[42]。通过V2X车联网通信控制协议连接有人卡车、无人卡车、管控中心及其他设备，实现有人无人混编设备群智能优化动态调度，提高矿山有人、无人驾驶设备的生产效率。
3.2带式输送机智能运输关键技术
实现工作面带式输送机自主横移的关键技术如下。
（2）自移式大倾角带式输送机运输技术。目前露天矿深部煤炭连续运输主要采用普通带式输送机沿出入沟运输方式。普通带式输送机运输角度小于边坡角，难以沿端帮直接运输到地面，且不便于移设，严重制约内排跟进。解决该问题的关键在于实现运输设备的大倾角运输、自主移动和适应端帮形态变化[43]。自移式大倾角带式输送机可实现沿端帮的大角度运输、随内排跟进的快速移设、随端帮形态变化的姿态自适应调整等功能，成为露天矿深部煤炭高效连续出坑运输的最优解决方案。
自移式大倾角带式输送机运输技术避免了带式输送机连续运输系统坑内到地面段运输对内排、边坡和剥离卡车运输的影响，使高效的连续运输系统服务露天矿深部煤炭运输成为可能。该技术与露天矿广泛采用的卡车运输出坑方式相比，运输距离缩短80%以上。
带式输送机运行智能控制技术可根据工况将带式输送机运行参数调整至最佳状态，减少不必要的冲击和磨损，延长部件寿命，节省电能消耗。
（4）带式输送机状态在线检测技术。实时监测电动机、减速器、滚筒、托辊、输送带等主要运转部件的运行状态，实现故障提前预测与及时维护，是带式输送机可靠安全运行的基本保障。
带式输送机状态在线检测技术可更加全面地检测带式输送机运行状态，实现带式输送机故障早期预警，减少故障停机的发生率，提升设备维护的及时性，从而保障带式输送机安全运行。
（5）带式输送机智能巡检技术。带式输送机常见运行故障包括托辊损坏、轴承温度异常、输送带跑偏、转载点堵料、输送带撕裂、输送带断带等。传统方式以人工巡检为主、视频监控为辅。人工巡检工作量大、效率低，且难以及时发现早期故障。视频监控摄像头难以实现带式输送机全线覆盖，且需要人工观察分析视频图像，判断是否出现故障。带式输送机智能巡检技术主要采用搭载图像、红外、声音、粉尘、烟雾等传感器的机器人沿带式输送机线路往复巡检，对带式输送机沿线运行状态进行检测、分析与报警。其关键技术主要集中在以下4个方面。
受环境、振动、样本库等影响，巡检机器人对故障检测的准确率尚不能达到100%，但已经可以取代人工巡检的大部分工作，同时能完成人工难以巡检部位的检测及故障预测等功能，进一步提高了带式输送机运行状态监测水平。随着巡检机器人各项检测准确率的不断提高，带式输送机巡检工作将逐步实现无人化。
（7）带式输送机运输系统智能管控平台。带式输送机运输系统智能管控平台以运输系统生产、运营、维护端为业务域，进行运输系统装备智能运维服务，对运输系统装备进行运行状态监测、故障诊断、预防性维护、远程维护、维修决策、优化运行、库存优化、精准采购和技术服务等。通过收集装备设计资料、试验数据、使用记录、故障信息、实时数据等，构建基于小样本数据的融合经验公式、机理模型、动态模型的性能可靠性计算与评估方法，并应用于带式输送机运输系统装备。其核心关键技术如下。
带式输送机运输系统智能管控平台是露天矿带式输送机连续运输系统发展的必然需求，通过大数据、云平台、在线检测、故障诊断、智能运维、数字孪生等技术与装备的应用，实现露天矿带式输送机连续运输系统的高效协同，全面提升带式输送机连续运输系统的智能化水平。
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露天矿智能运输发展趋势
4.1连续化
露天矿开采工艺将逐步从间断工艺向连续、半连续工艺转变。卡车间断工艺灵活性好，在露天矿应用广泛，但存在能耗高、效率低、污染大等问题。随着露天矿开采深度不断增加，卡车在边帮折返运输煤炭出坑的运输距离显著增加，卡车运输效率和环保等问题更加凸显，成为制约露天矿高质量发展的重要因素之一。以带式输送机为核心运输设备的露天矿连续、半连续运输工艺系统具有效率高、能耗低、污染小等优点，但存在灵活性差的缺点，难以在露天矿运输领域广泛应用。随着工作面带式输送机自主横移、自移式大倾角带式输送机运输等技术的发展，带式输送机运输的灵活性大幅提高，工作面带式输送机移设慢制约工作面和内排推进、端帮大倾角连续运输制约内排阻断卡车运输道路等问题得以有效解决，采用连续、半连续工艺系统将深部煤炭向地面运输成为可能，因此，露天矿轮斗连续开采工艺、单斗自移式破碎机半连续开采工艺系统将逐步演变为露天矿主要开采运输工艺，带式输送机连续运输方式将逐步替代卡车运输，成为露天矿主要运输方式。
4.2无人化
无人化智能运输可有效解决露天矿面临的工人劳动强度大、招工难等问题，还能有效避免人为因素对露天矿生产的干扰，降低生产的偶然性。无人化是露天矿智能化建设的主要发展方向之一。露天矿运输系统的无人化建设主要沿卡车无人驾驶和带式输送机连续运输2个方向同步发展：卡车无人驾驶以卡车线控改造为主，以卡车环境感知、智能调度系统、设备智能协同等技术为基础，逐步实现卡车无人驾驶常态化运行；带式输送机连续运输系统以智能巡检、在线状态监测、自主运维及智能管控平台等技术为依托，逐步实现连续运输系统的无人化运行。
4.3低碳化
随着“双碳”政策的逐步实施，低碳化将成为露天矿高质量发展的重要方向。露天矿运输系统是露天矿生产的主要能量消耗环节，减少运输系统的碳排放对露天矿实现“双碳”目标意义重大。露天矿卡车运输主要以柴油为动力，能量转化率低，且碳排放高，环境污染大。未来卡车将逐步发展电力驱动和氢动力驱动技术，全面替代柴油动力卡车，实现卡车运输系统的低碳化运行。此外，随着带式输送机连续运输系统逐步推广应用，电力驱动的连续运输系统将替代大部分卡车运输，实现露天矿高效、绿色、低碳运输。未来柴油动力设备将逐步退出露天矿，露天矿必将发展出以电力驱动、氢动力驱动卡车及电力驱动带式输送机为核心装备的清洁能源低碳运输系统。
4.4高效协同
高效协同是露天矿运输系统智能化、无人化发展的必然要求，是露天矿实现提质增效的重要保证。随着智能化建设的逐步深入，露天矿将逐步进入少人化和无人化生产阶段。人在露天矿生产中的决策指挥等作用将逐步由智能管控平台替代，这一方面降低了人随机干预的不确定性，另一方面给露天矿运输设备提出了自主高效协同作业要求。智能管控平台在综合分析全矿生产数据的前提下，向运输设备发布作业指令，各运输设备在执行智能管控平台作业指令的同时进行交互通信，在智能管控平台的统一部署下进行高效自主协同作业，全面提升运输系统作业效率。
4.5本质安全
安全是露天矿发展的根本前提，也是露天矿智能化建设的基本要求。露天矿ITS将逐步实现少人化运行，最终实现无人化运行，这在本质上解决了露天矿生产人员安全问题。同时，随着设备智能巡检、在线监测、运行状态分析、智能运行等技术的发展，设备故障预警全面性和准确性将不断提高，设备运行故障得到有效控制，运输系统的可靠性和安全性全面提升。
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结论
（1）露天矿ITS是在满足安全生产的前提下，以智能化运输装备为载体，将数字技术与智能化应用场景深度融合，建立的实时、准确、高效的运输综合管理系统。
（2）露天矿智能运输技术主要体现在网络布设、路网更新、无人驾驶卡车、新能源卡车、带式输送机连续运输、管控、维保、设计等方面。
（3）露天矿卡车运输系统的智能化关键技术主要包括矿山复杂路况的环境感知技术、无人驾驶卡车线控改造技术、多目标智能调度技术、有人无人混编设备群智能协同技术等。目前仍存在网络覆盖不全、无人矿用卡车效率低、新能源卡车电池性能有限等问题，亟需实现技术突破。
（4）露天矿带式输送机连续运输系统智能化关键技术主要包括工作面带式输送机自主横移技术、自移式大倾角带式输送机运输技术、带式输送机运行控制技术、带式输送机状态在线检测技术、带式输送机智能巡检技术、带式输送机无人化维护技术、带式输送机运输系统智能管控平台等。带式输送机运输系统的适应性、带式输送机在线检测与故障预警准确性、设备智能维护全面性、连续运输系统的智能管控平台等有待进一步完善。
（5）从煤炭工业高质量发展对露天矿提出的要求分析，连续化、无人化、低碳化、高效协同和本质安全是露天矿智能运输技术发展的必然趋势。