矿区自动驾驶烈火燎原，从澳洲开始进击

　　|智慧矿山 | SMART MINE
　　矿区无人化，一个最近几年才兴起的新兴领域，却因为关系矿业的智能化转型而迅速成为焦点。如今，不论是国内还是国外，这一领域都已经成为一片热土，老牌企业率先布局，新兴企业不断加入，同时由于矿区无人化是一个系统性工程，其中涉及到的产业环节十分繁杂，因此生态圈成为这一领域最常挂在嘴边的词汇。
　　而这样一股熊熊烈火在全球市场的蔓延，其火源的中心便是澳洲。那里的矿业十分发达，必和必拓、力拓集团等国际顶尖的矿业公司的根据地都在澳洲。矿区无人化的试验，自然也要从这里开始。
　　01
　　澳洲，自动驾驶的试验田
　　2016年，一篇名为《澳大利亚矿区首次采用无人驾驶卡车》的文章传至国内，引发轰动。该文章介绍称，来自日本小松公司（Komatsu）的73辆无人驾驶卡车开始在力拓集团（ Rio Tinto）在4个矿山中启用，通过精确的GPS导航系统，卡车能自动找到方向，并利用激光传感器和雷达来发现障碍物。
　　力拓集团是国际上铁矿石三巨头之一，也是澳大利亚最早开始引入无人驾驶卡车的企业之一。在上述文章发布之前，力拓位于澳大利亚的几座铁矿已经在2008年开始运营小松集团的无人驾驶卡车，由于地处偏远，控制中心建在了距离矿山约1500公里的大城市珀斯，进行远程控制。那一年，小松的无人驾驶实验刚刚取得成功，商业化部署亦刚刚落地。
　　力拓无人矿车，图片来自网络
　　力拓的举动，显得十分＂时髦＂和大胆。但反之，也正是力拓这样的矿业巨头促进着无人驾驶真正步入正轨。
　　力拓集团无人卡车项目负责人介绍称，这些车可以每天24小时无间断地在矿区工作。按照力拓的工作强度估算，与有人驾驶的卡车相比，每辆无人卡车每年至少能多工作500小时。此外，这种无人卡车可快速、安全地运输铁矿石，更高效地使用燃料，降低能源成本，减少生产每吨铁矿石带来的二氧化碳排放，从而直接推动提高生产率。据力拓集团介绍，相比人工驾驶，无人驾驶卡车大约能降低15%的成本。
　　这正是矿区想要看到的结果，因此，这股无人化的风潮愈吹愈猛，矿区无人化的试验开启之后，便再也不会有暂停的动作。2015年，力拓集团再一次大规模引入69 辆自动驾驶卡车。2016年，力拓又决定在Pilbara（皮尔巴拉）部署150辆无人驾驶卡车。
　　2018年，力拓集团不再满足于单纯的无人驾驶，并开始将10年就想好的＂未来矿山＂计划蓝图落于实践，无人驾驶卡车、无人驾驶火车、自动钻机、自动挖掘机和推土机都是其中的重点。2018年11月29日，力拓集团宣布投资26亿美元的库戴德利项目将于2019年开工，预计2021年底投产。建成后，该矿的年产能将达到4300万吨，为力拓的旗舰产品皮尔巴拉混矿提供支撑。
　　和其他矿山不同的是，＂库戴德利铁矿项目将是力拓迄今为止最具科技含量的矿山。＂力拓首席执行官夏杰思（J-S Jacques）表示，它将利用自动化和大数据提高安全绩效和生产率。据介绍，该项目将采用70多项创新技术，包括加工厂的数字化模拟系统，现场工人可实时访问生产数据；完全集成的自动化矿山和模拟系统；先进的自动化技术应用，包括自动化车间；众多数据分析功能和控制回路，可优化生产并减少停机时间。此外，无人驾驶卡车、无人火车以及无人钻探等也将体现在这一项目中。
　　2019年，力拓还在源源不断的引入最新的无人驾驶卡车装备。当年的5月份，力拓集团宣布将在其位于澳大利亚西部的一个铁矿开采中，使用卡特彼勒的无人驾驶矿卡车以及其它一系列相关设备。作为力拓的合作伙伴，卡特彼勒为力拓的Koodaideri项目提供了大部分工程建设所需的机械设备，一支由20辆CAT® 793F无人驾驶矿用卡车组成的车队即将在该铁矿区开始作业。
　　此外，力拓集团在皮尔巴拉地区拥有15座矿山，这些矿山被1700公里的铁路、11000多节火车厢所连接着。为了开发智能火车系统，力拓集团斥资5.18亿美元，引进全新的信号系统、通讯系统、辅助驾驶技术等。2018年底，力拓宣布自动货运AutoHaul项目已正式投入运行。这标志着力拓已建立了世界上最大的机器人和世界首个自动化重载长途铁路网络。对力拓而言，这家巨头已更接近于通过西澳铁路线的无人驾驶列车实现数十亿澳美元的利润增长。
　　当然，接纳自动驾驶的不只是力拓集团。据《麻省理工科技评论》报道，全球最大的矿业公司必和必拓（BHP Billiton）正在澳大利亚部署无人驾驶卡车和自动化钻机。同样在澳大利亚，日立与澳大利亚电力公司Stanwell Corporation Limited合作，在距澳大利亚东部布里斯班内陆约100公里的Meandu煤矿建立了一个无人驾驶的试验场，以测试配有中央控制系统、倾卸卡车模拟器和三辆配置了混合仿真器的倾卸卡车。这些矿业巨头，都成为了矿区无人驾驶领域的首批用户。
　　事实上，矿卡的自动化改造意味着巨额资金的投入，因此大型矿山往往是自动化改造的首选客户，位于澳大利亚和智利的矿区，也因此成为了矿区自动驾驶的先行军。不论是头部的卡特彼勒、小松，抑或是日立、利勃海尔以及ASI，这些追逐矿区自动化市场的企业，都将澳大利亚作为主要的试验场，也是其未来发展中的主要客户。
　　02
　　巨头忙于构建技术壁垒
　　位于美国伊利诺州的卡特彼勒创建于1925年，在全球工程机械制造商50强排行榜中，常年稳居第一。同时他也是最早推出无人矿山机械的公司之一，上世纪80年代开始研究无人驾驶。
　　上世纪90年代，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，也让卡特彼勒的无人驾驶技术再进一步，为其之后在全球的抢先布局奠定了重要基础。
　　1996年，卡特彼勒在MINExpo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，794 AC。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。
　　实际上，无人驾驶的落地不仅需要自动化技术的充分布局，也需要与机械厂商的通力合作。恰好，在矿山领域浸淫数百年的老牌机械厂商卡特彼勒，在这两方面的优势十分明显。因此，无人驾驶解决方案的落地，自然也无需外人插手。
　　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。这更为卡特彼勒无人驾驶解决方案的商业化布局创造了条件。
　　photo by Jason Jarrach on Unsplash
　　经过几十年的发展，卡特彼勒已形成Cat®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，前者负责帮助客户提高生产效率，比如坡度控制、压实控制、有效载重、自控作业等数字化技术。后者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。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＂。
　　而在未来，卡特彼勒的＂技术生态＂还将持续增加。2020年上半年，卡特彼勒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，这将进一步强化卡特彼勒在自动化和自主化方面的战略壁垒。
　　但卡特彼勒仍有一家劲敌——小松。这家比卡特彼勒还要早4年创建的工程机械厂商，也是在上世纪90年代开始系统地研究自动驾驶。2005年，小松率先在智利的铜矿进行自动运输系统试验。2008 年，小松的自动驾驶矿用车首次在智利的铜矿实现了商业化部署。小松2020年财报公布，小松共有221辆装备了AHS的车辆在全球部署。截止2020年6月底，小松的FrontRunner自主运输系统（AHS）在三大洲的11个矿山上已经运输了超过30亿吨的物料，包括铜、铁、油砂和煤矿。
　　基于与矿区的常年合作，小松十分清楚矿区究竟需要怎样的自动驾驶。小松的自动运输系统（AHS）是一个综合性的矿山车队管理系统，由装备了高精度定位能力GPS系统的车队监测中心管理，自卸车能在无人操作的情况下实现复杂的装载、运输和卸载循环的自动运行。依靠FrontRunner和Dispatch两大系统，AHS具备了有人驾驶卡车和自动化卡车协同工作的能力，其中，FrontRunner负责车辆操作和导航，Dispatch则负责车队管理、位置跟踪和生产力优化。
　　但小松的野心并不局限在AHS方面，整个矿区的互联网化才能最终推动智能矿山的形成。因此，小松顺势推出了设备运行管理系统-KOMTRAX，负责远程监控。通过这一系统，设备管理者只需要查看手机就能了解自己设备的使用情况。之后小松还推出了KOMTRAX plus，以检测挖掘机的性能变化。
　　实际上，小松最终希望实现的，是智能施工（Smart Construction）的全面发展，这或许是在未来发展中小松是否能够超越卡特彼勒的关键。
　　不论是卡特比勒还是小松，基于自身优势所构建出来的自动化市场，不仅帮助二者拿到了绝佳的市场份额，构建了技术壁垒和优势，更重要的是，在这些源源不断的实践中，巨头们拿到的实践数据远远高于小玩家们，这将继续为之后的研究补充弹药。
　　也因此，财大气粗的二者，并不需要向ASI那样，极力促进系统的兼容性，通过开放接纳更多的玩家，分食矿区无人化的市场。虽然目前尚未有充足数据证明卡特彼勒和小松的发展模式将会获得更显著的盈利，但从发展的自主性上而言，强大所带来的独立将持续推动着二者保持显著优势。业内一直有一种看法，巨头们的自动驾驶技术对外界具有封闭性，不止在知识产权方面，在自动驾驶布局的所有环节中，巨头们都可以一以贯之。
　　03
　　次梯队搭建开放兼容平台
　　能像卡特彼勒和小松那样布局的，毕竟还是少数。2021年2月，ASI与利勃海尔矿山设备公司走到了一起，他们注定会走出与卡特彼勒和小松不一样的发展路径，这一路径的核心，便是兼容性。
　　二者的战略合作协议显示，利勃海尔的新型自主就绪卡车将与ASI的自主指挥和控制平台Mobius兼容。目前，Mobius和ASI的无人驾驶技术几乎可以集成到任何车辆中，以使其具有自主性。这种颠覆性的技术合做正在改变行业的运营方式。一方提供＂硬装＂，一方提供＂软装＂，是个有意思的模式。
　　关于这场合作，利勃海尔似乎早有预谋。利勃海尔一直以来都将自己的卡车定位于——可与任何种类的车队管理系统连接起来。也就是说，利勃海尔研发和销售的卡车，可与任何自动驾驶技术公司合作，从而变成一辆真正的自动驾驶卡车。
　　就像在手机生产领域，不仅能安装安卓系统，还能安装IOS系统，这在手机领域几乎是不可能的，但在矿卡市场，利勃海尔让其变成了现实。面对极具市场潜力的无人驾驶卡车市场，利勃海尔的这一聪明做法将为其带来可观的订单。
　　因此，利勃海尔被深深印上了＂技术互联＂的标签。
　　利勃海尔R9100B矿用挖掘机，利勃海尔官网
　　那么，与利勃海尔达成合作的ASI是一家怎样的公司？ASI旗下子公司ASI Mining主攻机器人技术和自动驾驶技术（包括自动牵引、半自动爆破、钻孔、推土、装载和其他应用），为世界上最大的矿业公司提供解决方案，同时也是多家全球采矿车辆制造商的自动化合作伙伴，其自动化业务布局在农业、军队、建筑业等多个领域。
　　除了与利勃海尔携手合作以外，2020年9月，ASI Mining还与实时矿山管理和优化解决方案提供商MS4M达成了合作协议，促进ASI Mining的Mobius平台与MS4M的ControlSense车队管理系统（FMS）软件之间兼容。如果合作顺利的话，ASI的技术实力将通过MS4M的ControlSense取得突破性发展。
　　换言之，这将使现有的MS4M用户能够使用开放的FMS / TMS接口实施ASI Mining的自主运输系统（AHS），未来的MS4M客户也将通过利用相同的界面来确保获得通往AHS的途径。
　　从上述文字不难发现，解决方案是ASI的金字招牌。
　　具体到业务中，ASI主要肩负着对传统矿卡的自动化改造。比如，2019年，ASI对Ferrexpo Yeristovo（FYM）矿上的15辆运输卡车车队进行了自动化改造，该矿区位于位于乌克兰，因此也成为了东欧首批主要的自主运输部署之一。另外，2018年开始ASI与Barrick Gold合作进行自动驾驶运输项目，初期ASI将对5辆小松930-EUltra-Class的矿卡进行改装，而拥有欧洲最大铁矿床的Ferrexpo公司和ASI通过改装卡特彼勒793D矿卡，于2019年10月成功完成了自动驾驶的商业部署测试。
　　ASI的技术奔袭还在继续。2020年8月，ASI在获得了美国陆军作战能力发展司令部地面车辆系统中心（以前为TARDEC）的第二阶段拨款之后，将继续开发深度学习（DL）架构，这将使设备在GPS完整性受到限制或根本无法使用GPS的环境中提供更清晰地图。比如，在恶劣天气和环境下，自动驾驶汽车如何获得清晰的周边环境，是行业中颇具挑战的难题，ASI要研究的DL便是一种通过算法演算出精准指令的技术。
　　此外，ASI还在研发自动调节功能，这一技术可实现车辆能够在执行任务期间自动改进这些系统，实现自主学习和调节。
　　在这一系列的技术蓝图中，ASI以技术的开放性打造自身优势。未来，＂ASI们＂是否最终可以实现APP化的技术布局，更加便捷地让矿区使用自动驾驶技术，成为矿区自动驾驶领域下一阶段无法忽视的看点。
　　尽管ASI占据的自主运输系统市场非常有限，但它们的自动驾驶系统已经在全球的农业、国防、清扫、安保等行业商业化应用，有数据显示，ASI改装运营的车辆超过1000辆，涉及75类车型。
　　Photo by Macau Photo Agency on Unsplash
　　如果说ASI在技术发展中不断结合新的技术厂商，以实现无人驾驶解决方案的完整性，那么日立则基于自身的数字化优势，推出AHS+FMS的完成方案。AHS系统可根据车队管理系统（FMS）的指令，自主控制自卸卡车，而车队管理系统（FMS）则可实时监控每辆自卸车，以优化车辆操作并支持高效的采矿作业。这两大系统的协同，让远在澳大利亚的矿区无人驾驶多了一个重要的参与者，也使得日立与全球最为著名的工程机械设备生产商卡特彼勒和小松并肩齐驱。
　　此外，日立还以96亿美元的价格收购了硅谷科技公司GlobalLogic，该公司拥有金融、通信、汽车、医疗等广泛行业的400多家客户，日立希望面向这些企业扩大销售日立自主的系统。这一步，似乎比ASI想得更远一些，同时也是面对卡特彼勒、小松拥有忠实用户的优势下，日立的一次主动进击。毕竟，获得订单，才不枉在技术上的高成本投入。
　　目前，国内的智慧矿山无人化也积极接纳了这样的形式，比如有着中科院背景、与卡特彼勒同样汲取王飞跃博士平行理论的慧拓，其研发的愚公系统已经兼容世界所有机型，并与国内全部顶级主机厂展开了合作，加之能源企业的参与，一个智慧矿山无人化生态圈已然成形。兼容并包，大抵如此。
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