重大進展特刊┃華能蒙東公司董事長李學樹：高寒環(huán)境露天礦電動無人駕駛礦用卡車智能高效運輸系統(tǒng)成套技術研發(fā)及應用

2025年04月01日 16:02 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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重大進展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設先進經驗和創(chuàng)新成果，發(fā)揮典型示范引領作用，《智能礦山》于2025年第2期策劃出版了《2024年煤礦智能化重大進展成果特刊》，刊登代表新時代煤礦人創(chuàng)造性實踐和智慧結晶的11項智能化建設成果，以饗讀者。

文章來源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進展成果特刊”

第一作者：李樹學，正高級工程師，現(xiàn)任華能內蒙古東部能源有限公司黨委書記、董事長，主要從事露天煤礦安全智能開采相關的研究和煤礦開采裝備智能化技術研究工作。E-mail：lister8239@aliyun.com

作者單位：華能內蒙古東部能源有限公司；華能伊敏煤電有限責任公司

引用格式：李樹學，舒應秋.高寒環(huán)境露天礦電動無人駕駛礦用卡車智能高效運輸系統(tǒng)成套技術研發(fā)及應用[J].智能礦山，2025，6(2)：40-46.

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高寒環(huán)境下的露天煤礦面臨極端氣候條件下的設備穩(wěn)定運行、人員作業(yè)安全等問題，露天煤礦剝離環(huán)節(jié)是生產中的重要環(huán)節(jié)，國內露天煤礦剝離環(huán)節(jié)主要采用外委模式生產，安全壓力大。目前，華能伊敏煤電有限責任公司伊敏露天礦（簡稱伊敏露天礦）年度外委工程量約1億m，峰值作業(yè)車輛超過300臺，全部采用人工駕駛，從業(yè)人員超過1200人，駕駛員綜合能力參差不齊，外委安全管控難度大。從安全性、經濟性發(fā)展角度考慮，外委剝離模式不具備長期可持續(xù)性。

因國外技術封鎖，礦用自卸卡車發(fā)動機、電控系統(tǒng)等定價權均由外企掌控，技術存在“卡脖子”問題。伊敏露天礦自營設備采購、維護成本逐年升高，配件價格逐年遞漲10%，為解決此類問題，伊敏露天礦采用創(chuàng)新聯(lián)合體協(xié)同研究，在高寒地區(qū)露天煤礦進行數(shù)智化轉型的探索與實踐。以無人駕駛、5G通信、智能換電、智能安全管控等技術為核心，研究了高寒環(huán)境下零碳排放智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)關鍵技術與應用。

由華能內蒙古東部能源有限公司（簡稱蒙東公司）牽頭主導，聯(lián)合徐州徐工汽車制造有限公司、國網商用電動汽車投資有限責任公司、華為云計算技術有限公司、北京科技大學組成的創(chuàng)新聯(lián)合體共同研制，突破了大型燃油礦用卡車核心部件以及無人駕駛感知系統(tǒng)的“卡脖子”問題，采用光伏綠電用能方式，打造礦山光伏綠電驅動、以電代油零碳智能生產新模式。

智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)

智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)由無人駕駛卡車、移動式換電站、電池轉運車和充電站組成，取消駕駛室的無人換電寬體卡車如圖1所示。

圖1 取消駕駛室無人換電寬體卡車

（1）整車采用大型礦用自卸卡車剛性梁的設計思想，使用全封閉箱式焊接剛性車架，自重45t、載重85t，動力電池組安裝在車頭平臺，采用三電機動力配置。

（2）無人駕駛卡車采用純電驅動，作業(yè)過程中虧電時自動駕駛至移動式換電站更換電池，保障無人駕駛卡車的有效作業(yè)時間，同時電池轉運車將虧電電池轉運至充電站充電，確保移動式換電站電池保持滿電狀態(tài)。

（3）無人駕駛系統(tǒng)采用車云結合設計，車端搭載激光雷達、毫米波雷達、攝像頭、組合慣導定位等感知設備，具備自主感知、規(guī)劃、決策功能；同時搭建了智能調度平臺、設備監(jiān)管平臺等，具備采、運、排及換電等全流程自動化作業(yè)能力，取消駕駛室的無人換電寬體卡車路線如圖2所示。

圖2 取消駕駛室無人換電寬體卡車路線

智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)依托伊敏露天礦無人駕駛、電動卡車等關鍵技術研究為基礎，以及高寒、軟巖、富水等優(yōu)質工況實驗場地，定制化制造適合露天礦山使用的10臺取消駕駛室的無人駕駛純電動卡車，逐步實現(xiàn)外委剝離作業(yè)的無人化替代，推動礦山運輸向電氣化、智能化轉變，實現(xiàn)本質安全、無人駕駛、低碳減排的目標，對提升露天煤礦生產效率、保障安全生產、促進綠色發(fā)展等方面起到了重要作用。從長遠發(fā)展角度看，高寒環(huán)境下零碳排放智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)是露天礦安全、綠色、智能開采的必要手段。

關鍵技術創(chuàng)新

2.1 無人駕駛與智能調度技術

采用車?云?網協(xié)同技術，對比地圖差異信息與眾包云服務，研發(fā)了車輛集群動態(tài)調度、排土場自動定位等功能，無人駕駛車具備全天候動態(tài)環(huán)境融合感知和規(guī)劃控制能力，實現(xiàn)了地圖分鐘級更新；創(chuàng)新研發(fā)了由圖像傳感器、激光雷達、毫米波雷達組成的感知系統(tǒng)，實現(xiàn)了多模態(tài)冗余能力；基于深度學習模型在特征層面融合多模態(tài)信息，提升了中遠距離檢測準確率。通過多傳感器融合、多視角融合、時序融合的系統(tǒng)設計，降低了感知盲區(qū)的漏檢風險，解決了風沙、激光雷達噪聲和毫米波雷達噪聲造成的誤檢問題；基于感知信息、定位信息、底盤信息、作業(yè)指令信息，為下游控制模塊提供安全合理、高效經濟的規(guī)劃軌跡，車云協(xié)同架構的全業(yè)務流和云端統(tǒng)一調度系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 車云協(xié)同架構的全業(yè)務流和云端統(tǒng)一調度系統(tǒng)

取消駕駛室無人換電寬體卡車感知系統(tǒng)由5個激光雷達、5個攝像頭、4個毫米波雷達組成，每個RSM1激光雷達視野為120°，通過組合5個激光雷達，實現(xiàn)車輛四周360°環(huán)視覆蓋，每個相機視野為120°，通過組合5個相機實現(xiàn)車輛四周360°環(huán)視覆蓋；每個毫米波雷達視野為60°，通過組合4個毫米波雷達，實現(xiàn)車輛前方毫米波雷達覆蓋。伊敏露天礦土質松軟，無人駕駛車輛控制難度大，排土區(qū)作業(yè)需要滿足車輛精準停、靠、裝、卸、跟車等作業(yè)的高標準要求。采取多傳感器融合定位，完成車輛定位精度要求，同時具備多重冗余機制，系統(tǒng)具有3個方面特點，多傳感器融合定位冗余系統(tǒng)架構如圖4所示。

圖4 多傳感器融合定位冗余系統(tǒng)架構

（1）多傳感器融合定位包括高精度GNSS/RTK、慣導系統(tǒng)、激光雷達、攝像頭、輪速計等，組成整體的定位傳感器系統(tǒng)。

（2）車身周圍安裝了5個激光雷達，滿足360°無死角覆蓋。激光雷達間存在重復區(qū)域覆蓋，其中1個失效后仍可正常定位，實現(xiàn)了定位功能冗余。

（3）系統(tǒng)設計了健康監(jiān)控系統(tǒng)，具備監(jiān)控各傳感器和整體系統(tǒng)工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障后主動切換，并根據嚴重程度設計不同等級的降級措施。

根據礦區(qū)作業(yè)場景需求，基于高精地圖運控調度的策略優(yōu)化整體解決方案，具備3個方面的功能，眾包更新原始數(shù)據與補齊后數(shù)據對比如圖5所示。

圖5 眾包更新原始數(shù)據與補齊后數(shù)據對比

（1）基于全棧專屬、物理隔離基礎設施，建設了符合等保4級要求的高精地圖云服務平臺，提供安全可靠的IaaS、PaaS、AI和大數(shù)據服務，為地圖數(shù)據處理和制作提供強大算力，支持高效的地圖生產，并提供地圖引擎服務。

（2）基于專業(yè)高精地圖采集車的數(shù)據采集、自動化處理、人工驗證、質檢與數(shù)據發(fā)布功能全流程的地圖制作平臺，提供成品地圖數(shù)據。

（3）利用礦用卡車自身傳感器獲得了點云、圖像、GNSS、IMU等數(shù)據，對比原始地圖進行變化發(fā)現(xiàn)計算，將變化部分的數(shù)據上傳到眾包云服務，自動啟動眾包地圖更新流程，openDrive矢量圖更新頻率做到小時級更新。

2.2 智能換電技術

無人駕駛運輸系統(tǒng)配套的智能換電系統(tǒng)由可移動換電站、充電站、電池轉運車組成。采用充換分離、移動模塊組合方式，實現(xiàn)了就近設置充電和換電場所，整體系統(tǒng)部署靈活，滿足更換作業(yè)工作面的換電遷移需求。研發(fā)了全自動換電技術，根據無人駕駛云端需求進行換電，保證了無人駕駛車輛連續(xù)作業(yè)能力；充電系統(tǒng)具備雙槍、四槍并充功能，保證了充電速率，提高充電設備整體利用效率，降低了配電容量和設備投資成本；研發(fā)了電池熱管理系統(tǒng)，具備電池低溫預熱和液冷散熱功能，在電池箱內部增加了保溫隔熱材料，保證了電池在?40℃環(huán)境中正常運行；針對礦山復雜道路，對配套電池箱體、換電連接器、鎖止機構等方面進行了防震設計，滿足了電動礦用卡車復雜，顛簸、振動、沖擊高的運行工況要求，智能換電站換電示意如圖6所示。

圖6 智能換電站換電示意

（1）換電站整體設計技術

采用輕量化、集成化、模塊化設計，換電站采用集裝箱預裝方式，遷移便捷。換電站底部設計強化鋼架構，確保換電站基礎無須混凝土澆灌，只需簡單推平壓實處理。換電站整站結構分為4部分，分別為換電倉、監(jiān)控倉、電池轉運車和承載基礎。換電倉包含整體結構框架（底部強化）、換電機器人，負責完成換電功能，設備整體長寬高結構尺寸為12m×3.5m×4.5m，總質量約13t。整體換電站四周設置防撞裝置，避免無人駕駛車輛失控造成撞擊，使換電站損毀的情況發(fā)生，換電站整體設計模型如圖7所示。

圖7 換電站整體設計模型

（2）換電機器人系統(tǒng)技術

換電機器人由行走機構、機械臂、旋轉系統(tǒng)以及提升系統(tǒng)組成。換電時，換電機器人通過行走機構沿著導軌橫向移動，并進行定位；完成定位后，機械臂沿著縱向方向伸縮，到達預定位置后，機械臂末端抓取車載電池箱的頂部，再通過提升系統(tǒng)提升電池箱。換電機器人針對低溫設計，適應嚴寒環(huán)境；考慮多塵環(huán)境，具備IP67防護等級；機械臂高精度、高剛度，確保換電平穩(wěn)；車輛側復合檢測，高精度抗干擾；矢量變頻驅動，精確高效節(jié)能。換電機器人模型如圖8所示。

圖8 換電機器人模型

（3）換電站站控系統(tǒng)技術

換電站站控系統(tǒng)通過以太網方式接入換電設備，充電樁和轉運車輛控制系統(tǒng)，通過5G專網方式接入充電樁和轉運車輛控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對充電樁、換電設備和轉運車電池狀態(tài)數(shù)據采集和系統(tǒng)控制，以及對轉運車承載電池的充電過程、換電過程的實時監(jiān)控。

無人駕駛卡車通過5G專網將車輛信息上傳到無人駕駛監(jiān)控云平臺，實現(xiàn)對車輛和電池信息的完整數(shù)據采集；電動礦卡到達充換電站后，換電站站控系統(tǒng)與無人駕駛監(jiān)控云平臺進行數(shù)據交互，獲取電動車停車位置，是否具備換電條件等狀態(tài)，滿足換電條件時，發(fā)送指令到換電設備開始換電操作。

換電站站控實現(xiàn)了大屏展示、換電管理、換電記錄管理、設備管理、能效監(jiān)控等功能，全面實現(xiàn)了從大屏可視化展示到換電流程管理、歷史記錄追溯、設備狀態(tài)監(jiān)測及能效優(yōu)化監(jiān)控的一體化功能，站控系統(tǒng)總體設計流程如圖9所示。

圖9 站控系統(tǒng)總體設計流程

2.3 取消駕駛室換電礦用卡車的車體技術

借鑒剛性自卸車的優(yōu)勢結構，保持了寬體車標志性的高載質量利用系數(shù)，是目前技術含量高、噸位最大的純電動換電的三橋礦用卡車。礦用卡車配備了6×4驅動系統(tǒng)，額定載重85t，載重自重比為1∶89，超過國內外同類車型，取消駕駛室換電礦用卡車的車體設計主要包括3個方面，取消駕駛室的換電礦用卡車如圖10所示。

圖10 取消駕駛室的換電礦用卡車

（1）驅動采用國內先進的三電機設計，前置雙高速高效電機確保換擋無動力中斷，后置大轉矩低速電機協(xié)同作業(yè)，滿足礦用卡車重載及高坡度作業(yè)需求。變速箱運用了先進的主動壓力潤滑技術，優(yōu)化潤滑與散熱，減少能耗，提升整體效能。

（2）車架借鑒經典礦用卡車構造，采用全封閉箱式大截面焊接剛性設計，堅韌耐用。結構方面，前橋整體式設計承載力強，后橋采用鑄鋼橋殼與鍛造半軸套管，單橋承載50t，搭配高性能子午胎，確保卓越承載能力。

（3）轉向系統(tǒng)采用高低壓雙動力源，配備雙EHI電液轉向器及優(yōu)先閥，實現(xiàn)轉向動力冗余設計。制動系統(tǒng)融合EBS+EPB雙冗余設計，輔以應急制動閥與復合電制動，確保行車無憂。操控方面，車輛支持近車遙控駕駛、遠程接管及無人駕駛3種模式，并設有三重緊急停車機制，確保緊急情況下的安全操作。

2.4 智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)的先進性

對比目前國內已有燃油無人駕駛寬體車，無人電動寬體車屬于國內外最大噸位、運行速度最快、地圖更新頻率最快、運行氣溫最低的純電動無人駕駛礦用卡車，在露天礦山運輸作業(yè)中成功實現(xiàn)了全流程零碳排放，攻克了高寒環(huán)境下光伏綠電、智能充換電及定制化無駕駛換電的礦用卡車等多項技術難題，為露天采礦行業(yè)的零碳、減碳目標提供了成功實踐，填補了行業(yè)空白。

構建的車-云協(xié)同感知系統(tǒng)架構，融合了圖像、激光雷達、毫米波雷達技術，并結合云端控制，提升了無人駕駛礦用卡車的環(huán)境感知可靠性和效率；露天礦山高精度眾包地圖技術，實現(xiàn)了運輸?shù)缆沸r級、裝載/卸載區(qū)分鐘級的快速更新，比傳統(tǒng)路側單元結合無人機定期拍攝方式，降低建設成本并提高了更新頻率，增強了系統(tǒng)運輸?shù)目煽啃耘c效率。針對-40℃的極端環(huán)境，突破了換電礦用卡車及智能充換電技術，滿足大容量電池快速換電需求。

應用效果與推廣前景

3.1 應用效果

高寒環(huán)境下零碳排放智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)于2023年4月下線投入使用，2024年3月開展三班常態(tài)化運行，經過1年的測試，同工況下，作業(yè)效率為有人駕駛的120%。相較國內外技術，使用綠電運輸全流程零碳排放、分鐘級更新的高精眾包地圖、停車位動態(tài)生成與校驗、-40°純電驅動系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)、6min內全自動換電，均屬于填補行業(yè)空白，車輛載重、自重比，車速等優(yōu)于行業(yè)水平。

2024年5月，9臺取消駕駛室無人純電動礦用卡車常態(tài)化編組運行，累計拉運土方剝離量超過130萬m。已授權8項、受理63項國家發(fā)明專利，授權64項、受理78項實用新型專利。2024年4月，中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織專家對“高寒環(huán)境露天礦電動無人駕駛礦用卡車智能高效運輸系統(tǒng)成套技術及應用”項目進行科技成果鑒定，達到國際領先水平，同年獲得2024年中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學技術進步一等獎、中國華能集團有限公司（簡稱華能集團）科學技術進步一等獎，被中國煤炭工業(yè)協(xié)會生產力促進中心評為2024年度煤炭行業(yè)新質生產力發(fā)展典型案例。

3.2 推廣前景

智能換電無人駕駛運輸系統(tǒng)通過在伊敏露天礦的運行，表明適用于大部分露天開采行業(yè)，耐低溫技術特點滿足高寒地區(qū)露天礦山運行需求；車云網組成的動態(tài)感知與調度技術、可移式自動充換電技術，對路網變化頻繁、裝載排土區(qū)動態(tài)變化的作業(yè)場景，具有較高的適應性。

鑒于此，蒙東公司全資注冊了華能智礦（內蒙古）科技有限公司，專門負責無人駕駛車的研制和銷售、自動充換電技術及成套裝備的制造與銷售等業(yè)務。在未來3～5年承接伊敏露天礦300臺無人電動寬體卡車業(yè)務。在華能集團內部，北方魏家峁煤電有限責任公司魏家峁露天煤礦、華能新疆公司沙爾湖礦區(qū)五號露天煤礦2個礦也將引進無人電動寬體車，逐步替代外委剝離、承接煤炭運輸，在集團內部實現(xiàn)成果轉化。

“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”自 2021年開始，至今已舉辦4次，發(fā)布會吸引了眾多煤礦智能化建設領域的專家及科研、工程技術人員，成為展示煤礦智能化建設成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會。

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END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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