重大进展特刊┃华能蒙东公司董事长李学树：高寒环境露天矿电动无人驾驶矿用卡车智能高效运输系统成套技术研发及应用

2025年04月01日 16:02 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

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重大进展特刊

为宣传推广煤矿智能化建设先进经验和创新成果，发挥典型示范引领作用，《智能矿山》于2025年第2期策划出版了《2024年煤矿智能化重大进展成果特刊》，刊登代表新时代煤矿人创造性实践和智慧结晶的11项智能化建设成果，以飨读者。

文章来源：《智能矿山》2025年第2期“2024年煤矿智能化重大进展成果特刊”

第一作者：李树学，正高级工程师，现任华能内蒙古东部能源有限公司党委书记、董事长，主要从事露天煤矿安全智能开采相关的研究和煤矿开采装备智能化技术研究工作。E-mail：lister8239@aliyun.com

作者单位：华能内蒙古东部能源有限公司；华能伊敏煤电有限责任公司

引用格式：李树学，舒应秋.高寒环境露天矿电动无人驾驶矿用卡车智能高效运输系统成套技术研发及应用[J].智能矿山，2025，6(2)：40-46.

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高寒环境下的露天煤矿面临极端气候条件下的设备稳定运行、人员作业安全等问题，露天煤矿剥离环节是生产中的重要环节，国内露天煤矿剥离环节主要采用外委模式生产，安全压力大。目前，华能伊敏煤电有限责任公司伊敏露天矿（简称伊敏露天矿）年度外委工程量约1亿m，峰值作业车辆超过300台，全部采用人工驾驶，从业人员超过1200人，驾驶员综合能力参差不齐，外委安全管控难度大。从安全性、经济性发展角度考虑，外委剥离模式不具备长期可持续性。

因国外技术封锁，矿用自卸卡车发动机、电控系统等定价权均由外企掌控，技术存在“卡脖子”问题。伊敏露天矿自营设备采购、维护成本逐年升高，配件价格逐年递涨10%，为解决此类问题，伊敏露天矿采用创新联合体协同研究，在高寒地区露天煤矿进行数智化转型的探索与实践。以无人驾驶、5G通信、智能换电、智能安全管控等技术为核心，研究了高寒环境下零碳排放智能换电无人驾驶运输系统关键技术与应用。

由华能内蒙古东部能源有限公司（简称蒙东公司）牵头主导，联合徐州徐工汽车制造有限公司、国网商用电动汽车投资有限责任公司、华为云计算技术有限公司、北京科技大学组成的创新联合体共同研制，突破了大型燃油矿用卡车核心部件以及无人驾驶感知系统的“卡脖子”问题，采用光伏绿电用能方式，打造矿山光伏绿电驱动、以电代油零碳智能生产新模式。

智能换电无人驾驶运输系统

智能换电无人驾驶运输系统由无人驾驶卡车、移动式换电站、电池转运车和充电站组成，取消驾驶室的无人换电宽体卡车如图1所示。

图1 取消驾驶室无人换电宽体卡车

（1）整车采用大型矿用自卸卡车刚性梁的设计思想，使用全封闭箱式焊接刚性车架，自重45t、载重85t，动力电池组安装在车头平台，采用三电机动力配置。

（2）无人驾驶卡车采用纯电驱动，作业过程中亏电时自动驾驶至移动式换电站更换电池，保障无人驾驶卡车的有效作业时间，同时电池转运车将亏电电池转运至充电站充电，确保移动式换电站电池保持满电状态。

（3）无人驾驶系统采用车云结合设计，车端搭载激光雷达、毫米波雷达、摄像头、组合惯导定位等感知设备，具备自主感知、规划、决策功能；同时搭建了智能调度平台、设备监管平台等，具备采、运、排及换电等全流程自动化作业能力，取消驾驶室的无人换电宽体卡车路线如图2所示。

图2 取消驾驶室无人换电宽体卡车路线

智能换电无人驾驶运输系统依托伊敏露天矿无人驾驶、电动卡车等关键技术研究为基础，以及高寒、软岩、富水等优质工况实验场地，定制化制造适合露天矿山使用的10台取消驾驶室的无人驾驶纯电动卡车，逐步实现外委剥离作业的无人化替代，推动矿山运输向电气化、智能化转变，实现本质安全、无人驾驶、低碳减排的目标，对提升露天煤矿生产效率、保障安全生产、促进绿色发展等方面起到了重要作用。从长远发展角度看，高寒环境下零碳排放智能换电无人驾驶运输系统是露天矿安全、绿色、智能开采的必要手段。

关键技术创新

2.1 无人驾驶与智能调度技术

采用车−云−网协同技术，对比地图差异信息与众包云服务，研发了车辆集群动态调度、排土场自动定位等功能，无人驾驶车具备全天候动态环境融合感知和规划控制能力，实现了地图分钟级更新；创新研发了由图像传感器、激光雷达、毫米波雷达组成的感知系统，实现了多模态冗余能力；基于深度学习模型在特征层面融合多模态信息，提升了中远距离检测准确率。通过多传感器融合、多视角融合、时序融合的系统设计，降低了感知盲区的漏检风险，解决了风沙、激光雷达噪声和毫米波雷达噪声造成的误检问题；基于感知信息、定位信息、底盘信息、作业指令信息，为下游控制模块提供安全合理、高效经济的规划轨迹，车云协同架构的全业务流和云端统一调度系统如图3所示。

图3 车云协同架构的全业务流和云端统一调度系统

取消驾驶室无人换电宽体卡车感知系统由5个激光雷达、5个摄像头、4个毫米波雷达组成，每个RSM1激光雷达视野为120°，通过组合5个激光雷达，实现车辆四周360°环视覆盖，每个相机视野为120°，通过组合5个相机实现车辆四周360°环视覆盖；每个毫米波雷达视野为60°，通过组合4个毫米波雷达，实现车辆前方毫米波雷达覆盖。伊敏露天矿土质松软，无人驾驶车辆控制难度大，排土区作业需要满足车辆精准停、靠、装、卸、跟车等作业的高标准要求。采取多传感器融合定位，完成车辆定位精度要求，同时具备多重冗余机制，系统具有3个方面特点，多传感器融合定位冗余系统架构如图4所示。

图4 多传感器融合定位冗余系统架构

（1）多传感器融合定位包括高精度GNSS/RTK、惯导系统、激光雷达、摄像头、轮速计等，组成整体的定位传感器系统。

（2）车身周围安装了5个激光雷达，满足360°无死角覆盖。激光雷达间存在重复区域覆盖，其中1个失效后仍可正常定位，实现了定位功能冗余。

（3）系统设计了健康监控系统，具备监控各传感器和整体系统工作状态，发现故障后主动切换，并根据严重程度设计不同等级的降级措施。

根据矿区作业场景需求，基于高精地图运控调度的策略优化整体解决方案，具备3个方面的功能，众包更新原始数据与补齐后数据对比如图5所示。

图5 众包更新原始数据与补齐后数据对比

（1）基于全栈专属、物理隔离基础设施，建设了符合等保4级要求的高精地图云服务平台，提供安全可靠的IaaS、PaaS、AI和大数据服务，为地图数据处理和制作提供强大算力，支持高效的地图生产，并提供地图引擎服务。

（2）基于专业高精地图采集车的数据采集、自动化处理、人工验证、质检与数据发布功能全流程的地图制作平台，提供成品地图数据。

（3）利用矿用卡车自身传感器获得了点云、图像、GNSS、IMU等数据，对比原始地图进行变化发现计算，将变化部分的数据上传到众包云服务，自动启动众包地图更新流程，openDrive矢量图更新频率做到小时级更新。

2.2 智能换电技术

无人驾驶运输系统配套的智能换电系统由可移动换电站、充电站、电池转运车组成。采用充换分离、移动模块组合方式，实现了就近设置充电和换电场所，整体系统部署灵活，满足更换作业工作面的换电迁移需求。研发了全自动换电技术，根据无人驾驶云端需求进行换电，保证了无人驾驶车辆连续作业能力；充电系统具备双枪、四枪并充功能，保证了充电速率，提高充电设备整体利用效率，降低了配电容量和设备投资成本；研发了电池热管理系统，具备电池低温预热和液冷散热功能，在电池箱内部增加了保温隔热材料，保证了电池在−40℃环境中正常运行；针对矿山复杂道路，对配套电池箱体、换电连接器、锁止机构等方面进行了防震设计，满足了电动矿用卡车复杂，颠簸、振动、冲击高的运行工况要求，智能换电站换电示意如图6所示。

图6 智能换电站换电示意

（1）换电站整体设计技术

采用轻量化、集成化、模块化设计，换电站采用集装箱预装方式，迁移便捷。换电站底部设计强化钢架构，确保换电站基础无须混凝土浇灌，只需简单推平压实处理。换电站整站结构分为4部分，分别为换电仓、监控仓、电池转运车和承载基础。换电仓包含整体结构框架（底部强化）、换电机器人，负责完成换电功能，设备整体长宽高结构尺寸为12m×3.5m×4.5m，总质量约13t。整体换电站四周设置防撞装置，避免无人驾驶车辆失控造成撞击，使换电站损毁的情况发生，换电站整体设计模型如图7所示。

图7 换电站整体设计模型

（2）换电机器人系统技术

换电机器人由行走机构、机械臂、旋转系统以及提升系统组成。换电时，换电机器人通过行走机构沿着导轨横向移动，并进行定位；完成定位后，机械臂沿着纵向方向伸缩，到达预定位置后，机械臂末端抓取车载电池箱的顶部，再通过提升系统提升电池箱。换电机器人针对低温设计，适应严寒环境；考虑多尘环境，具备IP67防护等级；机械臂高精度、高刚度，确保换电平稳；车辆侧复合检测，高精度抗干扰；矢量变频驱动，精确高效节能。换电机器人模型如图8所示。

图8 换电机器人模型

（3）换电站站控系统技术

换电站站控系统通过以太网方式接入换电设备，充电桩和转运车辆控制系统，通过5G专网方式接入充电桩和转运车辆控制系统，实现对充电桩、换电设备和转运车电池状态数据采集和系统控制，以及对转运车承载电池的充电过程、换电过程的实时监控。

无人驾驶卡车通过5G专网将车辆信息上传到无人驾驶监控云平台，实现对车辆和电池信息的完整数据采集；电动矿卡到达充换电站后，换电站站控系统与无人驾驶监控云平台进行数据交互，获取电动车停车位置，是否具备换电条件等状态，满足换电条件时，发送指令到换电设备开始换电操作。

换电站站控实现了大屏展示、换电管理、换电记录管理、设备管理、能效监控等功能，全面实现了从大屏可视化展示到换电流程管理、历史记录追溯、设备状态监测及能效优化监控的一体化功能，站控系统总体设计流程如图9所示。

图9 站控系统总体设计流程

2.3 取消驾驶室换电矿用卡车的车体技术

借鉴刚性自卸车的优势结构，保持了宽体车标志性的高载质量利用系数，是目前技术含量高、吨位最大的纯电动换电的三桥矿用卡车。矿用卡车配备了6×4驱动系统，额定载重85t，载重自重比为1∶89，超过国内外同类车型，取消驾驶室换电矿用卡车的车体设计主要包括3个方面，取消驾驶室的换电矿用卡车如图10所示。

图10 取消驾驶室的换电矿用卡车

（1）驱动采用国内先进的三电机设计，前置双高速高效电机确保换挡无动力中断，后置大转矩低速电机协同作业，满足矿用卡车重载及高坡度作业需求。变速箱运用了先进的主动压力润滑技术，优化润滑与散热，减少能耗，提升整体效能。

（2）车架借鉴经典矿用卡车构造，采用全封闭箱式大截面焊接刚性设计，坚韧耐用。结构方面，前桥整体式设计承载力强，后桥采用铸钢桥壳与锻造半轴套管，单桥承载50t，搭配高性能子午胎，确保卓越承载能力。

（3）转向系统采用高低压双动力源，配备双EHI电液转向器及优先阀，实现转向动力冗余设计。制动系统融合EBS+EPB双冗余设计，辅以应急制动阀与复合电制动，确保行车无忧。操控方面，车辆支持近车遥控驾驶、远程接管及无人驾驶3种模式，并设有三重紧急停车机制，确保紧急情况下的安全操作。

2.4 智能换电无人驾驶运输系统的先进性

对比目前国内已有燃油无人驾驶宽体车，无人电动宽体车属于国内外最大吨位、运行速度最快、地图更新频率最快、运行气温最低的纯电动无人驾驶矿用卡车，在露天矿山运输作业中成功实现了全流程零碳排放，攻克了高寒环境下光伏绿电、智能充换电及定制化无驾驶换电的矿用卡车等多项技术难题，为露天采矿行业的零碳、减碳目标提供了成功实践，填补了行业空白。

构建的车-云协同感知系统架构，融合了图像、激光雷达、毫米波雷达技术，并结合云端控制，提升了无人驾驶矿用卡车的环境感知可靠性和效率；露天矿山高精度众包地图技术，实现了运输道路小时级、装载/卸载区分钟级的快速更新，比传统路侧单元结合无人机定期拍摄方式，降低建设成本并提高了更新频率，增强了系统运输的可靠性与效率。针对-40℃的极端环境，突破了换电矿用卡车及智能充换电技术，满足大容量电池快速换电需求。

应用效果与推广前景

3.1 应用效果

高寒环境下零碳排放智能换电无人驾驶运输系统于2023年4月下线投入使用，2024年3月开展三班常态化运行，经过1年的测试，同工况下，作业效率为有人驾驶的120%。相较国内外技术，使用绿电运输全流程零碳排放、分钟级更新的高精众包地图、停车位动态生成与校验、-40°纯电驱动系统连续作业、6min内全自动换电，均属于填补行业空白，车辆载重、自重比，车速等优于行业水平。

2024年5月，9台取消驾驶室无人纯电动矿用卡车常态化编组运行，累计拉运土方剥离量超过130万m。已授权8项、受理63项国家发明专利，授权64项、受理78项实用新型专利。2024年4月，中国煤炭工业协会组织专家对“高寒环境露天矿电动无人驾驶矿用卡车智能高效运输系统成套技术及应用”项目进行科技成果鉴定，达到国际领先水平，同年获得2024年中国煤炭工业协会科学技术进步一等奖、中国华能集团有限公司（简称华能集团）科学技术进步一等奖，被中国煤炭工业协会生产力促进中心评为2024年度煤炭行业新质生产力发展典型案例。

3.2 推广前景

智能换电无人驾驶运输系统通过在伊敏露天矿的运行，表明适用于大部分露天开采行业，耐低温技术特点满足高寒地区露天矿山运行需求；车云网组成的动态感知与调度技术、可移式自动充换电技术，对路网变化频繁、装载排土区动态变化的作业场景，具有较高的适应性。

鉴于此，蒙东公司全资注册了华能智矿（内蒙古）科技有限公司，专门负责无人驾驶车的研制和销售、自动充换电技术及成套装备的制造与销售等业务。在未来3～5年承接伊敏露天矿300台无人电动宽体卡车业务。在华能集团内部，北方魏家峁煤电有限责任公司魏家峁露天煤矿、华能新疆公司沙尔湖矿区五号露天煤矿2个矿也将引进无人电动宽体车，逐步替代外委剥离、承接煤炭运输，在集团内部实现成果转化。

“煤矿智能化重大进展发布会”自 2021年开始，至今已举办4次，发布会吸引了众多煤矿智能化建设领域的专家及科研、工程技术人员，成为展示煤矿智能化建设成果，交流煤矿智能化科技成果的盛会。

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