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摘要： 我国幅员辽阔，矿产资源丰富，随着《中国制造2025》的全面实施及大数据、人工智能、云计算、5G等技术的日趋成熟，无人驾驶为矿区露天运输作业提供了新出路。北京踏歌智行科技有限公司（以下简称“踏歌智行”）专注于矿用车无人驾驶技术研究、产品开发和无人矿山整体工程化解决方案设计及实施，以国家“新基建”和“智慧矿山”战略为发展契机，为露天矿山提供安全、高效、经济、绿色的无人运输服务。
关键词： 无人驾驶 智能制造 矿山无人运输 智能矿山
1.1 政策背景：矿山智能体系搭建，推动无人化进程
我国已探明的大中型露天矿区超过1000 处，露天矿运输作业是矿区生产的重要环节，其中，矿山的智能化、无人化是我国政策鼓励的发展方向。
2016年6月，国家发展改革委和国家能源局对外发布《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，明确了能源技术创新的15个重点任务，其中就包括煤炭无害化开采技术创新，预期将 实现智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化，全国煤矿采煤机械化程度达到95%以上。
2019年1月，国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，明确将大力推动煤矿现场作业的少人化和无人化，将“井下无人驾驶运输车”和“露天矿卡车无人驾驶系统”列为运输类重点研发项目，鼓励全社会参与研发应用。
2020年2月，国家发改委、国家能源局等八部委印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，该意见指出，到2025年，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输；
2020年4月，工信部、发改委、自然资源部三部委联合发布《有色金属行业智能矿山建设指南（试行）》《有色金属行业智能冶炼工厂建设指南（试行）》《有色金属行业智能加工工厂建设指南（试行）》，为加快5G、人工智能、工业互联网等新一代信息通信技术与有色金属行业融合创新，引导有色金属企业智能升级。
2020年12月，工信部印发《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》，计划在新基建方面打造3—5个具有国际影响力的综合型工业互联网平台、形成1—2家具有国际影响力的龙头企业，安全保障能力方面聚焦重点工业领域打造200家贯标示范企业和100个优秀解决方案。
技术、市场、政策均在加速落地，一个全新的行业已经呼之欲出。由此，在无人驾驶赛道中，相对封闭的、工程化的应用场景被寄予率先产业化的厚望。
1.2 行业痛点：招工管理双难，高危矿区事故频发
矿区运输仍存在着三大痛点，阻碍着行业未来的发展。
首先，矿区运输工作环境恶劣，司机老龄化严重，年轻司机从业意愿低，“招工难”“管理难”问题越来越突出。
其次，每辆运输车一般配备3—4个司机，同时因司机操作不当造成的车辆维修问题时有发生，人力成本持续增加。
最后，矿车车型大，盲区多，晚上驾驶作业容易疲劳，导致伤亡事故频频发生。由于露天矿区相对封闭，路线可管控，运输速度低至每小时30km以内，基本上是点对点运输，所以矿区是无人驾驶最好的落地场景。
1.3 行业现状：对标国外市场，更具天时地利人和
放眼世界，国外的矿区早在20多年前就开始进行自动化改造，在近10年前开始商业化应用。美国的卡特彼勒（Caterpillar）和日本的小松（Komatsu）早已把自己的自动驾驶矿用车投放在澳大利亚和智利等地拉矿盈利。与传统的人工驾驶相比，总成本降低了15%，每辆矿卡每年多工作500多小时
，证明了无人驾驶技术在矿区应用的可行性。但国外的无人矿卡数量到目前为止也只有几百台，以卡特彼勒、小松为代表的国外厂商的性质为工程机械厂商，其要求矿山场景适应产品，商业化落地欠佳。而国内则是科技创新企业牵头，联合工程机械企业，以更加开放的态度接受新技术，用AI技术为传统设备赋能。
包钢集团白云鄂博铁矿无人运输
与国外的矿山相比，我国矿区工艺和环境更复杂，因此需要开发自主可控的具有中国特色的矿山无人运输系统。在国内我们不仅具有成本优势，同时大数据、人工智能、云计算、5G等无人驾驶相关技术也日趋成熟并在产业化应用中逐步深入，踏歌智行推出的矿山无人驾驶全栈式解决方案，将有助于实现安全、高效、经济、绿色的智能化矿山建设。
踏歌智行以独特技术优势为先导，以工程化落地能力为保障，推出了第二代露天矿无人驾驶运输系统“旷谷™”。“旷谷™”系统，由云端调度子系统“天枢™”，车载子系统“睿控™”，地面子系统“御疆™”组成，实现了由云端智能调度管理、4G/5G车联网通信、智能路侧单元和车载智能终端组成的一整套车、地、云融合架构的矿山运输无人驾驶解决方案。
2.1 技术创新结合工程化突破壁垒
矿山主干道路的运输作业是相对固定而容易的，无人化真正的难点在挖装端及卸载端：
踏歌智行露天矿无人驾驶运输系统“旷谷™”示意图
在挖装端，挖掘机在不断挖掘的时候，它的作业面一直在变化，如何让挖掘机去引导矿车停到适宜的位置是技术突破的关键。踏歌智行利用目前最先进的定位技术、C-V2X车载通信技术、感知技术以及动态路径规划技术，以实现环境变化的识别和建模，以及单车和挖掘机之间的协作，能够让挖掘机以非常便利的方式，通过动态路径规划引导矿卡停靠在挖掘机的操作员最舒服的坐标位置并完成装载。
在卸载端，算法也能够自如适应场地的排土扩展，动态地去引导卡车根据实际作业线均匀地扩大从而调整停靠位置。踏歌智行在技术创新的同时结合工程化落地，在同一个排土场可实现多台车辆按照平台规划有序推进作业，解决路径冲突、完成局域调度策略。
2.2 数据驱动系统运行效能的持续提升
踏歌智行矿卡在运输作业过程中，通过记录大量的现场跑车数据，如感知模块输入的视频流数据与激光点云数据，决策与控制指令以及云端调度及路权控制指令，等等；并将其用于算法模型的持续优化迭代，然后通过硬件在环仿真进行算法有效性验证，最后通过OTA远程升级，实现矿区现场无人矿卡软件的更新，从而提高整套系统的运行效率。
踏歌智行在工程运输实践过程中，逐渐建立起来现场运输作业场景库，为整套解决方案的逐渐成熟和蜕变，提供了可贵的真实运行数据，并通过端到端的闭环，支撑了AI算子库的逐渐丰富，从而实现了露天矿无人运输系统的运输效能持续提升，为整套解决方案的经济性打下良好基础。
2.3 四重安全机制保驾护航
安全隐患是矿山开采的核心痛点：一台矿山卡车造价通常高达几千万，如果出现意外造成的财产损失是非常巨大的。为此，踏歌智行设置了从单车到V2X的区域通信，从平台到现场管理人员的四重安全机制，来确保车辆设备的安全。
首先，单车都配备完备的感知和决策控制系统，单车智能能够确保它对环境、路况的感知和对周围危险的感知。
其次，通过V2X和平台的通信来实现闭塞空间的管理，每台车都有自己的安全闭塞空间，有任何的车辆或者其他东西侵入空间，都会生成平台级预警。
再次，车载控制器采用冗余的硬件方案，安全控制单元不断地侦测主控制器的心跳，如果有任何异常，安全控制单元可以引导车辆安全停车；同时安全控制单元还会对整车线控底盘以及无人驾驶系统进行在线实时故障检测，一旦检测出一级故障，安全控制单元会对车辆进行及时的安全制动。
最后，在现场的工作人员均配有手持设备，当发现某台车的状况异常的时候，现场人员可以通过手持设备实现单点单车和区域的紧急停车。
2.4全栈式解决方案加速落地
由于矿山生产工艺模块之间的接口很难打通，踏歌智行加强了自身技术方案的完备性，将矿山工艺进行了全生产环节的融合，提供了一套完整的矿山无人化全栈式解决方案。该方案不仅包括矿山卡车、挖掘机，也包括与这些车辆有关系的推土机、洒水车等，生产作业相关设备实现统一管控，从而实现了真正的全局范围内最大程度的无人化。相较于把几台无人车硬塞进复杂的矿山环境里，这样的全栈式解决方案避免了生产工艺的断层，并且提高了工程化和落地的程度。
2.5价值分享商业模式灵活双赢
踏歌智行跳出了设备出售的传统商业模式，以一种更为灵活的价值分享模式为客户减负增效并扩大其自身收益。具体来看，在设备采购中，除了可以选择一次性购买，客户还可以选择部分购买，剩余设备款项每年以单车技术服务费的方式来支付。
一台无人驾驶矿车每年可以节省大量的人工费用，提高效能和产值，同时客户还可以选择分期投入的方式来获得技术服务为其创造超额收益。这种方式减轻了客户前期的一次性投入成本压力，也确保了其持续的现金流。
此外，踏歌智行还为客户提供无人车队运营服务，专业高效并可进一步为客户扩大收入规模。
踏歌智行全栈式解决方案在每个阶段都有相应目标，在既定的规划中，设定了由单车运行到多车编组，再到运营交付的三步战略。这既是技术迭代的过程，也通过进阶服务获取客户信任，逐步深入项目合作实现共赢。
3.1 第一阶段：单车矿区测试
“0到1”的难点不在于技术上如何让单车运行，突破点在于如何让客户相信并接受产品的效用。
阶段成果：2018年年初，踏歌智行采用自主研发的智能机器人和车辆线控技术在荣恒煤矿、纳林庙煤矿、白云鄂博铁矿等进行无人矿卡单车作业实测，完成倒车入位—重载爬坡—精准停靠—自动倾卸—自主避障—空载下坡等的整个运输闭环测试，实现了满足露天矿工艺流程“装、运、卸”的单车无人运输。
3.2 第二阶段：多车编组运行
在真实的矿区场景进行多车编组作业阶段困难最多。首先是车队协同问题，踏歌智行最早尝试的通信方案不是C-V2X，而是美国和日本普遍使用的“DSRC”；其次，挖装端、卸载端的复杂变化使得车辆无法适应，也是车与车之间通信的难点。在这一过程中，客户思想上也出现动摇，无人驾驶完成度在60%左右难以提升。最终在挖装端、卸载端的智能识别和停靠算法的技术突破，使得解决方案实现了质的飞跃，无人驾驶效能达到80%。
阶段成果：2018年年底到2019年，踏歌智行在包钢白云鄂博铁矿引用C-V2X和4G/5G通信技术，实现车与铲、车与车、车与路协同运作，一车感知，数据共享，全局可知，使矿区运输作业高效、安全。同时，其突破了路车融合决策、智能感知、高精定位等无人驾驶关键技术。路车融合决策能够有效弥补单车智能的不足，让矿区无人驾驶运输作业由单兵作战转变为有组织的高效协同，实现了在白云鄂博铁矿多车混合编组运行的重大进展。
3.3 第三阶段：试运营尾矿达到真正无人化
进入第三阶段，包括停靠算法在内的两端智能识别技术有了更好的突破，踏歌智行面临的问题是如何把剩下20%做好，为客户创造更多价值。
目前基本可以实现无人驾驶效能追平人工，但超越人工并节约更多成本，是更为长远的目标。现阶段，在全局技术明确的情况下，踏歌智行出于提升可靠性及效率的考虑，对算法进行大幅度更新，对单点及单个模块技术进行完全颠覆。
例如，踏歌智行在一开始采用智能机器人+半线控底盘的技术实现了对老旧矿卡的快速改造和无人驾驶技术验证。但是在面临系统大规模部署和长期商业运营的需求时，该方案在可靠性及稳定性上距离真正的“无人驾驶”存在差距，成了“安全员下车”的一个制约项。踏歌智行在2019年及时进行了技术方案的彻底颠覆，废弃了这种半线控方案，全面采用与主机厂合作，进行彻底线控化改造和安全冗余设计。同时随着多个单点技术的逐步成熟，整个系统的可靠性和稳定性得到了极大提升，完全具备了“安全员下车”的条件，从而满足了矿区的无人化和少人化要求。
阶段成果：2020年10月，踏歌智行根据需求不同及单点技术的逐渐完善，不断颠覆自己的技术方案。试运营尾矿达到真正无人化，与人工效率接近，具备优秀的连续运作能力。
传统的有人驾驶模式下，以每天三个班次进行计算，考虑到司机休息、吃饭及换班需求，每天真正运输时间约18个小时。应用无人化矿车后，除去设备必要的加油及检修的时间外，矿车可以不间断地进行运输，作业时间延长至22个小时，每天多贡献20%的产值。同时也节约了司机人力成本及油料成本，例如，一台大型矿卡一天的油耗为2万元人民币左右，使用无人驾驶优化油门控制，能够节约10%以上的油耗，每日节省柴油价值约2000 元。
4.1 市场应用
截至2021年3月，踏歌智行无人驾驶矿卡已实现890天无事故运行，累计无人驾驶运行51406公里，运输矿石、土方，共计324325吨。
4.1.1 包钢集团白云鄂博铁矿15台无人驾驶项目
2019年9月，踏歌智行与包钢集团签订了15台矿用卡车无人驾驶改造合同，2020年9月，项目通过一期验收。该项目是踏歌智行与包钢集团、内蒙古移动等合作伙伴在白云鄂博铁矿打造的国家级无人驾驶露天铁矿示范样板工程，是全国乃至全球基于5G网络条件下无人驾驶矿车的首个应用。目前，实现了在5G网络下，东矿区全矿无人驾驶。
4.1.2 中环协力永顺煤矿200台宽体自卸车无人驾驶项目
2019年9月，踏歌智行与国内矿山工程EPC总承包龙头企业中环协力签订200台宽体自卸车无人驾驶项目合同，该项目是目前国内数量最大的宽体自卸车矿区无人驾驶项目，在国内率先完成无人驾驶宽体自卸车夜班作业，打造了宽体自卸车无人运输系统样板工程。
包钢集团白云鄂博铁矿无人驾驶项目
中环协力永顺煤矿宽体自卸车无人驾驶项目（夜班作业）
4.1.3 国家电投南露天煤矿无人驾驶项目
2019年9月，踏歌智行与国家电投签订了国内首个公开招标的煤矿无人驾驶运输项目合同。在南露天煤矿完成了2台SF31904型矿用自卸卡车的无人化改造，实现云端调度平台建设和车辆编组运行。于2020年6月，完成项目验收，获得客户高度认可，随即进入下一阶段合作。
国家电投南露天煤矿无人驾驶项目
4.1.4 北方股份10台前装无人驾驶矿卡项目
2020年4月，踏歌智行与北方股份签署了10套“无人驾驶控制系统”供货订单，将10台型号为NTE200AT的新车装配无人驾驶系统。踏歌智行与北方股份作为合作伙伴，将致力于把我国露天矿无人驾驶矿卡打造成为“中国智造”新时代大国重器的典范，引领行业发展。
4.2 无人驾驶在矿山的运用成效
无人驾驶运输系统的落地应用不仅能够降低运营成本、提高运输效率和管理水平，更能有效降低因运输带来的人员安全风险，还能彻底解决招工难的问题。
降低运营成本：每台矿用卡车需要配备2—4名司机，司机薪资成本需要30万—60万元，并且随着人力成本不断上升的趋势，无人化运输服务的性价比会越来越高。在矿用卡车整个生命周期，燃油成本占比通常在40%以上，在巴西著名铁矿石生产和出口商淡水河谷公司采用无人驾驶后，运营数据表明燃料成本下降10%以上。另外，无人驾驶还可使车辆维护费用降低10%、轮胎磨损降低25%。
提高运输效率：传统的人力无法满足车辆24小时运输，而无人驾驶可以满足车辆全天候运输。根据澳大利亚矿业技术集团2017年数据，人工驾驶下每辆矿卡每年可工作5500—6000 小时，而在无人化后每年能工作7000 小时；同时，无人驾驶系统与传统的卡车调度相比，它能准确地获取实时更新的三维地图信息、运输道路网络信息、设备速度位置信息、装载信息、卸载信息、设备故障信息、卡车的空重信息、辅助设备信息等，数据的准确性和实时性使得智能调度具备实现基础，优化调度会使设备效率提高20％左右。
优化管理模式：传统作业模式智能化程度低，无人运输系统能够提升数据的准确性和实时性并优化调度系统，帮助矿山企业优化业务管理流程，提升整体生产经营管理和决策水平；同时，工作人员的减少，可显著降低管理的复杂性。
4.3 未来展望
矿山无人驾驶运输是一个千亿级的市场，踏歌智行作为矿山无人运输领域的技术领导者，将以国家“新基建”和“智慧矿山”战略为发展契机，积极联合产业上下游企业，共建产业生态，推进标准制定，培育国内市场，进军国外蓝海，不断为露天矿山提供安全、经济、高效、绿色的无人运输服务，引领矿山开采行业新未来。
4.3.1 共建产业生态
踏歌智行致力于携手设备制造商与矿山承包商建设产业生态：在设备制造商方面，促进无人化设备纳入其产品前装体系；在矿山承包商方面，通过成立合资公司、提供无人运输技术服务等方式参与矿山承包商总包运输的部分经营，从而实现矿主、设备制造商、承包商、无人驾驶解决方案商共建产业协作生态。
4.3.2 推进标准制定
当前，无人化矿山的相关标准在国内仍是空白，以往的安全标准在矿山无人化运输领域不具有普适性。踏歌智行将致力于推进相关标准的制定，包括矿山无人化运输的安全标准、技术标准、通信标准、设计标准、矿山文化改造标准等等。
4.3.3 开发国内国际市场
踏歌智行具有清晰的近期、中期、远期发展规划：近期，在国家新基建、智慧矿山等政策的推动下，借助政策激励培育国有客户，打造标杆项目；中期，以标杆项目的高效益吸引私有矿山客户，使得国内矿山无人化市场规模、效益进一步完备；远期，在深耕国内市场的基础上，继续开辟国外蓝海市场。
1.社会效益
能源工业是国民经济基础和支柱产业之一，先进技术、智能装备的应用将有助于新产业业态的建设，提升绿色安全开采效能并促进产业智能化发展。无人驾驶技术及解决方案在能源开采领域的应用，实现了科技创新在能源业及制造业的突破，为国家能源技术强国战略提供了有力支撑，为产业结构、人力结构转型升级提供了可行方案。
2.创新价值
踏歌智行露天矿无人驾驶全栈式解决方案在技术层面上，实现了设备端、系统端、云端的三端协同，基于车载智能硬件、高速智能算法和多语义高清地图等关键技术为矿区开采、运载场景提供了智能化应用方向，并从人员效率、车辆效率、安全效率等维度入手，助力能源安全、经济开采，突破行业既有降本增效模式，并链接产业链上下游企业共同发展，创新合作模式及商业模式实现共赢。