智慧矿山卡特彼勒的无人化掘金术

　　|智慧矿山 |  SMART MINE
　　「工程机械的数字化是不可逆转的。」
　　＂工程机械的数字化是不可逆转的。＂卡特彼勒日本法人的代表执行董事哈里（Harry Kobrak）曾经在公开场合这样说道。的确，如今数字化大有＂席卷全球＂之势，不论是生活领域还是工业领域，数字化已成为诸人口中常聊的话题，而经济的发展也依托数字化进一步跃升。值得注意的是，在数字化浪潮之下，矿山领域的无人化得到了空前发展。
　　01
　　＂优等生＂的智慧进击
　　卡特彼勒(NYSE:CAT)作为享誉世界的工程机械龙头企业，在全球工程机械制造商50强排行榜中，常年稳居第一。2019年营收538亿美元，净利润60.93亿美元，2018年营收为547.22亿美元，净利润61.47亿美元。根据公开信息，特彼勒公司成立于1925年，总部位于美国伊利诺州，是最早推出无人矿山机械的公司之一，并在上世纪80年代开始研究＂自驾＂技术。
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　　同时，无人驾驶在矿上领域的落地不是一蹴而就的，众多合作伙伴的加入更让卡特彼勒如虎添翼，逐步构建起自己的＂智慧王国＂。
　　上世纪90年代
　　上世纪90年代，距离今天已经过去20多年，正是在数字化还不知为何物的当年，中国科学院自动化研究所研究员、复杂系统管理与控制国家重点实验室主任王飞跃帮助卡特彼勒推出了全球第一个无人露天采矿方案。王飞跃堪称无人驾驶领域教父级的人物，他在这一领域的不断探索，也给国内无人露天采矿播下了种子。
　　1996年
　　1996年，卡特彼勒在MINExpo首次推出了第一辆无人驾驶矿用卡车。据不完全统计，目前卡特彼勒目前在全球运营280多辆无人驾驶卡车，型号包括CAT® 789D、793D、793F、797F，同时，CAT® 794 AC电驱动矿用卡车也有望在今年加入卡特彼勒无人矿车的大家庭。此外，截至目前，CAT® 无人驾驶矿用卡车移送运输的物料已达20亿吨。
　　2008年
　　2008年，卡特彼勒在提高集成化矿山运行的核心技术方面与知名大学的机器人研究所合作，开发了大型无人驾驶卡车。
　　2013年
　　2013年，福特斯克金属集团与卡特彼勒公司合作，在索罗门（Solomon）铁矿区签署无人驾驶卡车协议，第一批8台无人驾驶的全自动793F矿用卡车在矿区投入使用，目前无人驾驶卡车已经增加至60辆左右。
　　卡特彼勒方面指出，从2013年CAT® MineStar™（矿山之星）的自动运输系统（CAT® Command for Hauling）投入商用以来，卡特彼勒一直在持续推进CAT® 自动运输系统的实施部署。同时，卡特彼勒也在不断加强其在自动推土机、自动钻机和自动地下铲运机等设备在自动操作方面的研发。
　　业内的一个共识是，卡特彼勒拥有大量忠实用户，即便整个工程机械行业呈现出大幅度下滑的态势，卡特彼勒仍然能够保持逆势增长。这离不开卡特彼勒在智能化领域探索的实力，从一定程度上来说，卡特智能代表了工程机械行业智能化、精准化、无人化的未来。
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　　2019年，卡特彼勒宣布在矿业巨头力拓集团斥资26亿美元开发的Koodaideri铁矿区，为其提供20辆CAT® 793F无人驾驶矿用卡车组成的车队，以及4台CAT® 钻机、装载机、推土机、平地机、洒水车和挖掘机等，助力这一年产量将达到4300万吨巨型铁矿实现矿山自动化和数字化。
　　＂ 力拓铁矿石业务负责人 Salisbury表示，技术创新正在迅速使力拓的开采变得更加安全、智能、高效，与卡特彼勒以及WesTrac进行合作，使得Koodaideri成为皮尔巴拉铁矿石领域里最具科技含量的铁矿开采项目。  ＂
　　卡特彼勒方面曾经公布的一组数据显示，截至2019年3月，201辆CAT®无人驾驶卡车在北美、南美和澳大利亚的矿场运营，安全运送的物料超过12亿吨，矿场的工作效率提升了30%。
　　此外，卡特彼勒及其代理商威斯特与澳大利亚FMG签署谅解备忘录，在该公司的Solomon铁矿执行旨在提高生产率和改善性能的自动化采矿解决方案。该解决方案包括整套CAT® MineStar™（矿山之星）以及首批12台无人驾驶的全自动793F矿用卡车。
　　当然，卡特彼勒的野心并不仅限于矿区无人化。卡特彼勒业已形成Cat®（卡特）智能系统，这套智能系统包括卡特智能科技和卡特智能服务两个部分，其中卡特智能科技在产品层面帮助客户提高生产效率，主要包括坡度控制、压实控制、有效载重、自控作业等数字化技术。卡特智能服务则从服务层面为客户提供设备管理、生产效率、安全保障、绿色发展4个方面的解决方案。此外，3D打印技术、无人机技术、虚拟仿真技术等都是卡特彼勒在智慧化领域的前沿科技。
　　02
　　用系列产品勾勒未来
　　矿区无人化的背后，是用工难和安全性等矿业开采领域一直面对的难题。作为已经运用了无人驾驶矿车的必和必拓金布巴矿山，该矿山透露的数据显示，无人矿车可以使重载矿车的安全事故率降低80%。
　　另一方面，矿区无人化也能帮助矿区实现更高的效益。同样来自金布巴矿山的消息显示，激光技术可以确保每辆矿车接近最大载重，迄今共计增载铁矿石240万吨；而引入机器学习算法的自动化铁路运输网调度系统，让矿车的装卸量每年额外提升1万车。数据显示，与传统的人工驾驶相比，采用自动驾驶矿用车总成本可降低15%，每辆矿卡每年可工作500多个小时。投入百余辆自动驾驶矿车的澳大利亚铁矿石出口商FMG集团（Fortescue Metals Group）F表示，他们的自动驾驶矿车生产效率比传统人工运输提升了30%。而铁矿石巨头＂力拓集团＂（Rio Tinto）曾经发布的报告指出，每台自动驾驶运输车平均比人工驾驶多运营700个小时，装卸单位成本降低了15%左右。
　　无人矿车自然不是简单的机械设备，卡特彼勒的无人驾驶矿车正式投入商业运营之后，也需要向矿山方和设计院派驻员工，为其提供智能解决方案、技术培训等长期服务。卡特彼勒表示，公司的目标是将施工现场的每台车辆、每台机器、每台发动机，乃至无人驾驶卡车的数据都整合到一个平台上。实际上，这一目标不仅能够帮助客户提高运营效率，同时也将帮助卡特彼勒掌握采矿行业的前沿数据，而这些数据将对卡特彼勒未来的发展产生积极影响。
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　　这也正是国内当下已经开始采用的一种商业模式。除了通过改装、提供整机等不同方式帮助矿区完成无人化矿区建设外，还需要提供整体的智能化解决方案，这将真正帮助矿区实现智能化的改造，而非浅尝辄止。目前，国内慧拓、踏歌智行、伯镭科技、希迪智驾（CIDI）、拓疆者等多家矿区无人化解决方案提供商已经逐步推进相关的测试和落地商业运营，并不断获得资本市场的关注。
　　作为智能指控领域的国际知名学者，王飞跃同时也是智能机器人、无人驾驶、智能交通等领域的早期开拓者之一。回国之后，王飞跃回国后研究平行驾驶，推动无人驾驶落地，并担任慧拓首席科学家。
　　2020年5月，神宝集团与慧拓、航天重工展开深入沟通与合作，对神宝露天煤矿进行智能化改造。截至10月底，已完成5G独立组网建设、试验场地规划、卡车改造安装调试、作业场地运行试验及权威检测检验，各项性能指标达到了安全运行要求，并顺利通过由中国自动化学会组织的安全评审。截至目前，项目工业性试运行状况稳定，未发生任何安全事故，不仅有效克服了极寒气候的严峻挑战，并且无人驾驶车速已超过有人驾驶速度，实现了安全与效率的有机统一。
　　世界首个极寒工况5G+无人驾驶卡车编组，慧拓官网
　　另据公开信息，在鄂尔多斯永顺煤矿，由踏歌智行打造的自动驾驶宽体车已经开始进行 24 小时连续作业的测试。踏歌智行创始人兼首席科学家余贵珍对业内媒体表示，踏歌智行选择矿区这个场景最重要的原因之一就是，矿区是封闭管理的工业场景，不受公开道路上法律法规的限制。
　　矿区无人驾驶的技术还在持续深入，在卡特彼勒打造的科技版图中，矿区无人驾驶已然形成＂技术生态＂。以卡特彼勒旗下CAT®MineStarTM （矿山之星）为例，该系统是卡特彼勒智能采矿技术的重要组成部分，可通过车队、地形、探测、健康和命令五大智能模块，帮助矿区管理从物料跟踪到车队、设备健康、无人驾驶等各个方面，提供车队管理以及设备健康系统、自动化设备系统的管理等服务。通过这一系统，无人驾驶卡车在自动调度之下行驶至矿用挖掘机，倒车到指定位置，随后将物料运至倾卸点。它甚至还可以报修，而这些程序的完成都无需操作员在车上。
　　另据介绍，通过使用传感器、车载激光雷达和雷达系统等技术，CAT® 无人驾驶矿用卡可识别周围环境，并对道路上的障碍物做出反应，在全球各地矿山实现全天候无人驾驶。通过这样一种自动运输系统，卡车运行的出错率会降低，矿区对人工的需求也会降低，这将着力改善矿区因事故而引发的停产的窘境。卡特彼勒标榜这一系统将帮助矿场降低成本、提高生产效率及利润。
　　＂ 卡特彼勒技术研发有限公司产品经理Sean McGinnis曾表示：＂CAT®MineStarTM （矿山之星）的自动运输系统（CAT® Command for Hauling）已证明了其对采矿客户的价值。卡车生产效率和利用率的提升、稳定的运营和成本降低为矿业公司带来极大好处，他们的车队快速发展壮大、产量持续增加。＂
　　另据了解，卡特彼勒将在今年推出该公司首款无人工程机械的＂压路机＂。今后，还将推进利用图像识别技术和AI，扩大无人工程机械的产品线。卡特彼勒的产品经理弗雷德·里奥认为，＂建筑现场95％的作业能实现自动化＂。据悉，新团队由在机器人行业有深厚背景的顶尖机器人专家组成。卡特彼勒宣称，打算利用该团队完全集成的车载自主技术继续为客户提供智能、安全、更高产和更具成本效益的解决方案。
　　03
　　加固自动化和自主化战略
　　值得注意的是，卡特彼勒在2020年上半年收购了总部位于美国旧金山的机器人和自主技术解决方案公司Marble Robot Inc.的部分资产并雇佣了员工。Marble前CEO、现卡特彼勒技术专家Kevin Peterson表示，＂随着这次收购，我们将共同推动卡特彼勒客户在建筑业、采石业、工业等行业的下一代自主解决方案。＂据悉，此次收购正是卡特彼勒自动化和自主化战略的一部分。这或将加大卡特彼勒与小松对垒的筹码。
　　作为行业中第一批关注自动化的企业以及首先推出无人驾驶矿用卡车的企业，卡特彼勒在其智能领域有着明确的目标和计划。卡特彼勒全球副总裁陈其华曾表示，＂借助CAT智讯系统（Cat VisionLink）和自动驾驶等智能技术，卡特彼勒机械设备帮助客户显著降低持有和运营成本，同时提升功率密度，允许设备使用替代燃料，并使动力系统效率实现最大化。＂
　　此外，陈其华还曾公开研讨了智能机器时代工程器械的发展。他指出，在智能机器时代，3D打印、远程测量等前沿科技都将在基础设施建设中得以广泛应用，从而使得建设进程更加高效、环保。同时，建设过程将实现人、机、物、信息、组织之间的无缝集成与合作，建设模式实现自动化、智能化、无人化，最终进入一个全新的、智能建设时代。另外，工程机械内部发动机和零部件之间、设备之间、机队之间依托互联互通技术，具备了彼此通讯的能力，变得更加智能。挖掘机可以实现自动化挖掘、推土机可以自动化地进行土地平整，且不同机器乃至机队之间可以实现智能匹配与合作施工。
　　此外，信息与数据将被智能机器以及相应的智能解决方案转化为资产管理效率、生产效率，并实现更高安全保障的绿色建设。最后，设备之间、企业之间、流程之间的数据与信息壁垒将被消除，无论是设计信息、工地现场数据、设备状态信息等，都会在数字层面实现统一的融合，施工企业的决策优化与效率将会大幅提升，并向着产业链的高端延伸，推进产业升级与转型。
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　　但卡特彼勒并不是目前无人矿车领域的唯一赢家，其老对手小松也在这一领域颇有实力。
　　1996年，小松公司研制了第一辆无人驾驶卡车。
　　2005年，小松公司研制了无人运输系统，并在智利铜矿启动了无人运输系统的试验。
　　2008年，小松公司无人运输系统实现了商业化。
　　2016年，小松公司研制了首款无人驾驶的矿用卡车。
　　目前，小松的无人运输系统已在澳大利亚、南北美洲的矿山应用，小松AHS（自动运输系统）已在全球4个国家的10个矿山应用。
　　数据显示，如今卡特彼勒和小松占据着全球最主要的无人矿车市场。比如澳大利亚矿业巨头必和必拓、力拓、FMG等都与双方有展开着深度合作。
　　随着新技术的发展，许多采矿公司早已将自动化视为行业未来发展的关键。
　　＂ 正如中国恩菲矿山事业部信息化智能化中心主任葛启发所言，全球矿业目前也正经历着一场新的革命，大数据、人工智能、物联网这些技术和矿山的结合越来越密切。  ＂
　　矿山生产模式不断更新，采矿工业向规划化、集约化、协同化方向发展，采矿工程迈入遥控化、智能化乃至无人化阶段，选冶过程全面实现自动化。
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