9月中旬，內蒙古呼倫貝爾草原已經入秋，天氣漸涼。位于草原中心的寶日希勒露天煤礦正24小時作業不息，一輛輛總重接近400噸的重型礦車正在礦區內穿梭自如。但是，與其它礦區不同的是，這些礦車內看不到司機的身影。
這是國能寶日希勒能源有限公司聯合航天重型工程裝備有限公司與青島慧拓智能機器有限公司，共同完成的極寒型復雜氣候環境露天煤礦無人駕駛卡車編組安全示范工程中的一景。9月15日，該項目分別通過中國煤炭工業協會組織的工業性示范運行安全評審和科技成果鑒定、國家能源集團組織的項目驗收，成果達到國際先進水平，為期一年多的項目建設收獲了圓滿成效。
寶日希勒露天礦：全天候 真無人駕駛
在礦區不遠處一座臨時調度指揮中心內，95后的楊明成正聚精會神地盯著面前的三個大屏幕，上面展示的是礦車作業實時畫面、各種車輛運行數據以及礦區實時地圖。
所有自動駕駛的礦車均裝備了北斗提供的RTK（實時差分定位）定位，通過5G基站進行位置共享和數據傳輸。但在大多數情況下，無人駕駛調度指揮人員都扮演著一個監測者的角色，只有在礦區情況和環境出現變化時才需要重點關注。
比如在下雪天，通過一鍵開啟雪天模式，讓礦車的平均時速下調到約20公里，無人駕駛控制器也會開啟謹慎的駕駛方式，以適配天氣和路面變化。
“第一次和家人視頻工作場景時，他們一度以為我在打電競游戲。”楊明成在接受記者采訪時笑稱，這可能是最不像煤礦的煤礦工作場景了，“以前從沒想過在煤礦上班也能有如此‘未來感’”。楊明成說道。
楊明成是寶日希勒露天煤礦無人駕駛項目的調試工程師。寶日希勒露天煤礦始建于1998年，有著優質豐富的煤礦資源，核定產量位列全國露天礦前三，是東北煤炭最重要的供應方。由于地處北緯49.22°，寶日希勒露天煤礦也是中國最北端的大型煤礦之一，冬季夜間最低溫度甚至可能達到零下50℃。
極端的天氣、惡劣的作業條件，對寶日希勒煤礦安全生產帶來巨大挑戰。在這種艱難險重的駕駛工作中，如果能用機器替代人工駕駛，不僅能更好保障煤礦人員生命財產安全，還降低了成本，提高了效率。于是，對無人駕駛礦車的需求應運而生。
2020年初，寶日希勒露天煤礦按照國家能源局要求推進智慧礦山建設，布局5G設施；同年5月，無人駕駛項目正式啟動，在仿真測試、封閉場地動態調試、極寒氣候五車編組連續運行、全天候不間斷作業、車內無安全員等一項項充滿挑戰的目標中，最為艱難的便是極寒氣候下“全天候、真無人”的實現。該項目的完成可突破國內該領域的關鍵技術“卡脖子”環節，代表國內智慧礦山無人化的最高水平。
項目技術負責人高玉告訴記者，之所以能實現無人駕駛，是因為在礦車的車前、車后加裝多個攝像頭、毫米波雷達和激光雷達。這些設備像人的“眼睛”和“耳朵”那樣讓礦車可以看得見，聽得著，并通過算法進行感知融合，補齊盲點，排除礦區冬季飄雪、夏季沙塵等復雜環境因素的干擾。此外，礦車還進行了內部相應的線控改造，車上裝載通訊、定位、控制單元，部署無人駕駛軟件。
“項目啟動后，僅僅三個月就完成了對5臺礦車的改造和封閉測試場地與模擬測試場地全部調試內容。”高玉說。
然而，極寒條件對無人駕駛改造還是提出了非常嚴苛的硬件要求。入冬以后，氣溫驟降至零下30度，這不僅遠遠低于許多常規器件的工作溫度，甚至會突破一些電子元器件的存儲溫度，導致設備失靈，乃至徹底損壞。
25歲的嵌入式軟件工程師劉平經歷了那個最艱苦的時刻。90后的他以及同樣年輕的技術團隊，已在寶日希勒露天煤礦工作了一年多。他說，為了能讓傳感器、芯片在零下50℃的極寒條件下安全穩定運行，就需要開發傳感器恒溫控制設備。但新款芯片資料匱乏，只能從底層一步步搭建、調試，期間遇到了戶外程序無法下載、車輛調試難、設備變磚等種種難題。
最難的，還是在室外零下35℃環境里調試和安裝設備。劉平說，“即使我們穿著防寒服、防寒鞋，但在冷風里待不到15分鐘，身上的熱量就全沒了，那是我人生第一次感覺到什么叫‘寒冷’，連筆記本電池都撐不了10分鐘。即便如此，我們還要爬到四五米高的礦車上，因為手套影響作業，只能空手扶著寒鐵，直到設備調試完成，大家的手都都凍的紅腫。但不管遇到什么困難，不管要反復試驗多少次，我們當時的信念就是一定要把問題解決。”
最終，項目團隊給每臺無人礦車都安裝了包括耐低溫裝置與傳感器等航空級別接口的零部件，使其具備了在極寒、顛簸環境下運行的可靠性。并研發卸載物料殘留檢測、二次提車卸載、地圖自動采集與一鍵更新、道路平整度自動檢測、防車轍均衡碾壓控制等先進技術確保系統運行安全流暢、提升有效作業時長。
同時，項目組共同起草和制定了《露天煤礦無人駕駛運輸系統總體技術條件》、《露天煤礦無人駕駛礦用自卸車技術條件》等10項企業標準，發布了無人駕駛項目工業運行安全管理辦法和安全作業規范。
去年12月，該項目入圍國資委“大國重器英雄榜”；今年5月，項目實現了24小時連續作業；今年7月，實現了安全員下車；如今，伴隨著項目正式通過工業運行，已實現領域內兩項世界第一、三項國內第一，在智慧礦山無人化領域首開“全天候、真無人”項目先河，在國內起到行業示范引領作用。
高玉表示，如果各礦區無人駕駛項目難度最高為十級，此次寶日希勒露天礦的項目難度幾乎置頂。突破難度系數最高的礦區環境限制，并實現安全員下車的24小時作業，意味著能夠將此項目經驗進行復制，而其搭建起的行業壁壘，最終會推動行業標準形成，加速無人駕駛在更多礦區進行規模化落地。
而對于寶日希勒露天煤礦來說，無人駕駛項目的成功也能帶來顯著的經濟效益和社會效益。一方面，傳統礦區是四班三倒制，每次換班時間大約在1小時左右，而自動駕駛作業則基本不需要占用換班時間，節省出來的時間可以直接用于運輸作業；另一方面，目前無人駕駛的車輛最高車速達到40km/h，超過有人駕駛規定的30km/h，無人駕駛系統可動率大于96.7%，已實現無人駕駛運輸綜合效率不低于有人駕駛。
航天重工項目經理趙毅表示，依照人均年工資20萬元計算，5臺礦卡無人化改造完成后，可替換當前16名礦卡駕駛人員，每年將節約人工成本320萬元；隨著后續系統性能進一步提升，將在運輸量、節油、減少損耗備件等方面取得積極效果。
截至今年8月，無人礦卡累計編組運行5萬余公里，土方運輸量達60余萬立方米。在剛剛結束的項目驗收中，驗收評審組專家一致建議，后續可進一步擴大項目應用范圍，在當前不低于有人駕駛效率基礎上進一步提高運行效率。
無人化勢在必行
如果不曾親臨這座中國最北、冬季最為寒冷的大型露天煤礦——寶日希勒露天煤礦，很難想象礦區的工作條件和生活環境有多么艱苦：每年冬季零下50℃的嚴寒，春秋兩季巨大的日夜溫差，大股風沙、雨雪席卷礦區。
條件艱苦，再加上高強度、高危險性的工作環境，讓越來越多煤礦再難找到年輕的礦車司機。“夏天的時候，車里像烤爐，沙啊，煤灰啊，從車窗縫里不斷灌進來。” 曾有礦車司機在接受媒體采訪時表示，“這個礦幾百個礦車司機里面，一個90后都沒有，現在的娃娃都吃不了這個苦。”
劉平也笑稱，“如果在礦區遇到90后，那多半就是礦山無人化的技術人員。”
用來裝載渣土和煤炭的重型礦卡是煤礦作業中最重要的運輸工具，一個煤礦幾百名員工里，大多數都是礦車司機，但眼下司機難招成為各大煤礦共同面臨的困境。
此外，礦區通常是四班三倒制，夜間班次凌晨三四點作業，本就是最容易犯困的時候，礦車司機的工作又是在一段兩三公里的路上重復、枯燥地來回運輸，一不留神就可能引發運輸事故。
對于礦區來說安全重于一切，用自動駕駛的礦車替代人力司機，避免駕駛風險，同時又能節省人力成本，提高效率，是當下中國各礦區智慧升級的關鍵一環。
于是，在勢能強大的黑科技支撐下，如火如荼的智能化改造讓礦區煥發出蓬勃的生命力。例如在寶日希勒露天礦，常常能見到礦山無人化工程師，自如調度與管理無人礦用車智能作業，并耐心細致地為礦區工作者講解操作規范。
事實上，中國礦山無人化進程堪稱是國際行業發展的快進版。上世紀八九十年代，美國、澳大利亞等國已開始推動采礦自動化技術研發以降低勞動力成本。而我國在80 年代開始推行綜合機械化開采并自行研制大型煤礦機械裝備，即便采礦業發展突飛猛進，但仍與發達國家存在明顯差距。
而隨著國際礦山自動化的發展，礦車自動駕駛的可行性、安全保障性和降本增效性已經被驗證。卡特彼勒、小松等工程機械企業，在多地露天礦通過礦卡自動駕駛解決方案，已漸漸實現了自動駕駛的商業化應用。
卡特彼勒從2012年開始與FMG集團合作開展自動駕駛運輸項目，截至2019年9月，其無人駕駛礦車已經運行了近33500萬千米，物料運輸量達10億噸。而FMG集團測算，其自動駕駛礦車生產效率比傳統人工運輸提升了30%。
在全球礦產資源總產量第一的中國，近年來勞動力短缺問題日益嚴峻，相關政府部門逐步加大對礦業智能化的引導。2016年，國家發改委和國家能源局對外發布《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》行動計劃，提出要在2030年實現煤炭智能化開采。
2020年在疫情催生下，智能化政策加速出臺。2020年3月，在國家發改委、能源局等八部委印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》。2021年5月，工業和信息化部發布了“5G+工業互聯網”第一批重點行業和應用場景，礦業成為首批重點推廣的五大行業之一。2021年6月，國家能源局、國家礦山安全監察局聯合印發《煤礦智能化建設指南（2021年版）》，對煤礦智能化建設提出了更為明確的目標與重點。
在國家政策的鼓勵下，從2017年開始，智慧礦山無人化賽道如雨后春筍般涌現了大批技術型公司。2019年，伴隨著國內首個無人運輸系統商業化運營在大唐寶利落地，礦山無人化進入到真正意義上的元年。在各路企業的積極參與下，行業進程不斷加快，應用表現也越發得到礦企認可，規模化商用逐漸成熟。平安證券在《新基建助力礦山升級，智慧礦山時代到來》報告中預測道，各類煤礦將在2035 年基本實現智能化，存量煤礦改造市場規模將達到上萬億。
這個萬億市場中，已有公司脫穎而出。2021年8月23日，在寶日希勒露天煤礦無人駕駛項目中與寶日希勒能源、航天重工攜手的慧拓，正式宣布完成超2億元B1輪融資，再創賽道內單筆最大融資紀錄。此輪融資由國新央企運營投資基金領投，中科院自動化所投資平臺中自投資、知名創投機構子今投資、善金資本、日出安盛資本跟投，現有股東投資人賽富投資基金繼續加持。
此前，這家于2017年正式運營的科技企業先后獲得來自國科嘉和、賽富投資基金、凱輝基金、方和資本、漢能創投、海創母基金的投資。目前累計融資金額超5億元。
是什么讓慧拓持續受到資本市場青睞？依據億歐《2021中國礦區自動駕駛研究報告》，礦區自動駕駛市場中的技術服務市場包括自動駕駛相關改裝、前裝銷售以及平臺運營。作為目前國內唯一全棧式無人礦山整體解決方案、產品和運營服務提供商，慧拓是少數能提供技術服務市場中的上述全部三種服務的企業，礦種與場景覆蓋行業領先。
愚公YUGONG：無人礦山整體解決方案
2021年是慧拓商業項目規模化落地的一年，截至本年7月末，其訂單總額達3.5億元，項目覆蓋了煤炭、冶金、有色、水泥四大行業，并分別打造出這四大行業具有標桿意義的商業落地項目，加速了整個礦山無人化行業的標準化進程。
除露天礦外，慧拓從2020年開始布局地質環境更惡劣復雜的井工礦，在一年多的時間內完成了關鍵技術的落地轉化，在井工礦無人運輸關鍵技術取得重大進展，并于2021年6月與陜煤集團小保當煤礦、中國電信攜手建設5G+智慧井工礦區。這讓慧拓成為國內唯一多礦種、兼顧露天礦及井工礦的全場景解決方案、產品和運營服務提供商。
與此同時，慧拓同步加緊產品化步伐，目前已完成域控制器、遠程駕駛系統、V2X車路感知協同系統、線控VCU、防碰撞系統等產品的研發和批量交付。預計在下半年將實現產品訂單量300%的增長。慧拓聯合創始人、CEO陳龍教授表示，慧拓致力于研發完全自主可控的智慧礦山無人化技術，多維構筑技術、產品、運營等商業護城河，立志成為中國高科技企業“國家隊”代表。
據國新央企運營投資基金投資負責人的公開表示，之所以投資慧拓，在于公司是中科院孵化的高科技企業代表，一直深耕礦山無人化領域，其自主研發的軟硬件產品，在業內具有技術領先水平，也得到了較充分的礦山場景驗證。國新央企運營投資基金作為一家央企背景基金，本次投資慧拓，對于推進礦業央企智能化升級、推動提升礦山安全生產水平具有重要的意義。
該負責人還表示，下一步，國新央企運營投資基金將充分整合資源，精準實施賦能，加速慧拓智慧礦山無人化產品體系在礦山的廣泛應用，打造智慧礦山無人化的標桿企業。
平行理論打造平安礦山
推進礦業智能化轉型必須以卓越技術創新為支撐。慧拓是由中科院孵化的高科技公司，技術研發團隊有著近30年的技術沉淀，首席科學家王飛躍教授更是全球智慧礦山無人化先行者，提出了具有世界首創性的ACP平行駕駛技術，并以此為基礎加速礦山無人化的落地。
目前比較流行的礦車無人駕駛方案是，裝有攝像頭、毫米波雷達、激光雷達和北斗定位的礦車將實時數據通過4G/5G網絡傳導至后方具備超高計算能力的服務器上，而這個服務器就如同一個“云端大腦”，能精準控制所有礦車的行動軌跡。但一個礦區幾百輛礦車穿梭在不斷變化的礦區道路中，對云端大腦的計算能力提出了極大挑戰，而這其中，如何讓無人礦車安全、高效的通過十字路口成為最大的難點。
此前，礦區有人駕駛的車輛通常采用先到先行通行規則，以及此后工程師設定的紅綠燈通行規則，均無法很高解決礦區十字路口通行難題。“這兩張方案，路口總會有礦車停下，而這個路口不一定是平路，礦車裝載了幾十噸的貨物停在坡道上，時間久了，剎車片就會失靈，會造成溜坡，非常危險。”慧拓工程師付華博士說。
但是在平行駕駛方案中，與實際無人礦車、礦山場景等相對應，會建有一個虛實互動的平行礦山作為整個無人礦山系統的描述系統，采礦作業全程受到平行管控中心的監管和調度指揮，基于虛擬礦山數據與真實礦山車輛數據的學習積累，管控中心能夠實現對所有無人礦卡設備運行狀態的智能化預測，并實現對無人運輸整個作業流程安全、高效引導。在必要時，遠程應急接管平臺對異常設備進行安全接管。
依據平行駕駛的核心理念：“車端感知、云端管控”，“車端簡單、云端復雜”，無人礦車采用中心端智能化調度，可完全避免礦車在交叉口發生停車、排隊、碰撞等現象，比“先到先行”的通行規則能節省近30%的通行時間，大幅度提高作業安全與運輸效率、降低燃油消耗，并降低單車成本。
“這就像《盜夢空間》一樣，就是利用當前世界去造一個夢出來，然后在夢里面你規定了每個車怎么走，你讓他真的走一遍，但是那個走的速度很快，你在虛擬世界跑一個小時，可能真實世界可能只用幾秒就全都跑完了，相當于你看到未來。” 付華博士說道。
事實上，早在上世紀90年代，王飛躍便帶領團隊承擔了世界上最大的工程機械和礦山設備生產廠家卡特彼勒的自動化項目，這一方案卡特彼勒至今仍在使用。
王飛躍教授挖掘和裝載無人車著作
自上世紀80年代末開始，王飛躍先后擔任NASA/RPI空間探索智能機器人系統中心系統集成驗證主管、美國紐約州制造與生產力轉移中心網絡分析主管，后成為NASA/UA本地行星資源利用空間工程研究中心無人系統主管與空間機器人首席研究員，亦擔任美國亞利桑那大學礦業系教授、復雜系統高等研究中心主任等職務。
回國后，王飛躍教授任中科院自動化所副所長，牽頭創辦復雜系統管理與控制國家重點實驗室并擔任主任，先后獲得國家杰出青年基金支持、國家自然科學二等獎和IEEE 諾伯特•維納獎等。2021年6月，王飛躍教授入選2021年TOP 1000計算機科學與電子領域全球頂尖科學家榜單。
在中國，王飛躍教授一直在堅定實踐平行駕駛技術，而扎根礦區的慧拓正是其中的卓越代表。在王教授的傾力指導下，慧拓科研團隊自主創新，憑借領先的人工智能技術實力，以及卓越的產品設計能力和工程能力，用三年多時間打造了基于平行駕駛技術的國內首個無人礦山整體解決方案——“愚公YUGONG”。
“愚公YUGONG”由云端智能調度與管理系統、礦車無人駕駛系統、挖機協同作業管理系統、無人運輸仿真系統、遠程駕駛系統和V2X車路協同感知系統六大系統組成。相比傳統作業方式，“愚公YUGONG”不僅可以將礦山作業整體效率提高，并在減少耗油、輪胎壽命提升與降低人工費用等成本節約方面產生積極影響，最終幫助客戶實現智慧礦山無人化作業全流程，有效提高礦企的效益和競爭力。歷經多年打磨，“愚公YUGONG”目前已成為全世界唯一全機型適配，國內唯一多礦種、全場景解決方案。
慧拓的技術成就曾獲得中科院自動化所黨委書記牟克雄的中肯評價。他表示：“慧拓是中科院自動化研究所圍繞‘四個面向’，在具有產業戰略性的礦業孵化出的高科技公司代表。其立足雙碳目標下產業無人化的迫切需求，以自主研發的平行駕駛技術，推動科技成果與生產能力雙向驅動，不僅填補了世界極寒氣候相關領域的空白，并且切實守護了礦區的生命財產安全，助力礦業高質量、低能耗發展。”
慧拓聯合創始人、CEO陳龍教授也公開表示：“礦山無人化不是昨天的剛需，也不是今天的剛需，更不是明天的剛需，它是大前天的剛需。慧拓有幸參與行業變革的偉大歷史征程中，未來會不斷提升服務能力，聚焦客戶價值，積極推動與能源、資源企業、礦用工程機械廠商、國內外頂尖科研院所、以及上下游合作伙伴的深度合作，共同構建產學研用一體化的無人礦山、智能礦山產業生態布局，加速礦山無人化產業推進，助力行業實現安全、綠色、高效、智能發展，賦能零碳礦山建設與雙碳目標實現，最終建設人與自然和諧共生的現代化。”
