露天矿智能运输
运输环节作为露天矿生产工艺的最重要环节之一，其智能化发展是决定矿山整体智能化水平的关键，随着智能化矿山建设目标的提出，露天矿运输环节的智能化成为研究热点。智能运输系统（ITS）起源于发达国家，旨在解决道路交通问题，后扩展至道路交通运输全过程。我国露天矿智能运输系统建设以安全、高效、低碳环保为目标，涉及多种设备和技术，通过计算机技术应用、新兴技术融合等手段，实现设备运输安全、高效等目标，推动露天矿智能化进程。
近年来，中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司矿山智能化团队在露天矿智能运输技术领域进行了系统性的研究和积极的探索，不仅全面分析了行业发展的瓶颈问题，而且为露天矿运输系统的智能化转型提供了科学指导和实践方案。该团队的研究成果《露天矿智能运输技术现状及发展趋势》已在《工矿自动化》期刊发表，为推动我国露天煤矿智能化建设提供了理论依据和技术支持。
露天矿场景（AI生成）
露天矿运输系统
露天矿运输系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。对露天矿运输系统Open-pit Mine Traditional Transportation System，简称Open-pit TTS）而言，其特定功能就是实现物料的空间位移，其要素就是实现整个运输功能所需的基础设施、运输工具、运算技术及工作人员等。
露天矿运输系统示意图
1.2露天矿运输系统的分类
运输环节在露天矿各个工艺环节中起着“动脉”和“纽带”的作用，其他工艺环节和管理工作中的存在各种问题，往往在运输环节中能得到集中反映。根据不同的矿床条件和开采需求，露天矿的运输方式主要分为三种：铁路运输系统、汽车运输系统和带式输送机运输系统。早期广泛使用的铁路运输系统因其局限性逐渐被汽车和带式输送机所取代。汽车运输系统以作业的机动性和灵活性优势，能够简化开采流程并减少基建工程量，但同时也伴随着高运输成本、短经济运距、维护难度大和环境污染等问题。而带式输送机运输系统作为一种连续运输方式，能够支持设备的连续作业，具有大运输能力、强爬坡能力，并易于实现自动控制，减少了工作人员数量，但其初期投资成本较高且灵活性较低。这些运输方式各有优劣，选择合适的运输系统对于提高露天矿的开采效率和降低成本至关重要。
1.3露天矿智能运输系统
露天矿智能运输系统（Open-pit Mine Intelligent Transportation System，简称Open-pit ITS）是专为露天煤矿煤岩高效运输设计的智能系统。该系统以智能化运输装备为核心，深度融合物联网、云计算、大数据、人工智能和移动互联等数字技术，与露天矿运输的运行原理及工艺要求相结合，构建了一个能够实现设备、环境和物料自主协同高效运行的体系。这一系统旨在建立一个实时、准确、高效的运输综合管理平台，改变传统系统中人的角色，从设备操控运维转向智能应用场景开发，并将服务重心从生产管理人员转移到直接参与生产作业的人员。通过将露天矿生产管理人员、作业人员、道路运行和设备维保等要素相结合，Open-pit ITS实现了集中系统化的管理，从而显著提升了露天矿整体的生产运行效率。
露天煤智能运输技术现状
网络通信形式多样，包括电台通信、无线Mesh网络、4G专网、5G-MEC、5G专网及700M+XGHz等，随着技术发展，从无线Mesh网络到5G技术，通信系统的容量、速率、覆盖范围及实时性均得到显著提升，为智慧矿山建设提供了坚实基础。同时，道路网技术更新的准确性和时效性对车辆优化调度至关重要，学者们利用GPS数据获取路网信息，通过算法优化实现道路矢量化。受无人驾驶技术推动，道路智能化成为发展趋势，车路协同技术通过建立通信网络，实现车辆与道路之间的实时信息交互，提高安全性和效率。2020年，顾清华等提出的基于矿区道路特征的图像互补方法及D-LinkNet101网络模型，进一步满足了无人矿车高精度路网导航需求，推动了露天矿区主干路网智能识别和路网建模技术的发展。
2.2装备智能化技术
近年来，露天矿无人驾驶技术发展迅速。宝钢集团、华能伊敏露天煤矿及国家能源集团等矿山企业与科技公司深度合作，研发出具备循迹行驶、智能避障等多种功能的无人驾驶矿用卡车，并已进入动态调试阶段；同时，新能源矿用卡车的研究也在加速推进，主要集中在纯电动、油电混合和氢能源方面，尽管研究较少但发展速度快，已有成功下线的案例；此外，带式输送机连续运输系统的智能化也取得了显著进展，包括运行参数控制、运行状态监测、机器人巡检与维护以及智能管控平台等方面，虽已在露天矿逐步开展试验性应用，但仍需解决露天矿工作面和端帮大倾角连续运输问题，以实现更大范围的应用。这些技术的发展将为露天矿的智能化、高效化生产提供有力支持。
露天矿大倾角带式输送机（AI生成）
2.3管控智能化技术
露天矿运输系统的管控智能化技术以卡车智能调度系统（Truck Intelligent Dispatching System，简称TIDS）为核心，该技术在国内起步较晚，但自上世纪90年代由本钢南芬铁矿、东北工学院等单位联合开发的生产调度计算机辅助系统开始，已逐步发展。1997年，煤科总院抚顺分院等单位在伊敏露天矿研发了卡车调度优化系统，标志着国内露天矿卡车调度系统的快速发展。随着2018年露天矿卡车无人驾驶和新能源矿用卡车的出现，TIDS也迎来了升级，将无人驾驶技术与智能调度优化技术有机结合成为智能化矿山建设的重要内容。在连续工艺方面，2020年沈阳设计院基于露天矿轮斗连续开采工艺系统独立开发了轮斗一体化智能综合管控平台，实现了连续工艺无人值守、远程操控、自主运行的效果，为露天矿的智能化生产提供了有力支持。
2.4维保智能化技术
露天矿维保智能化技术涵盖了设备在线监测、故障诊断及预测等多个方面。2017年，田凤亮等人提出了基于自然语言技术的矿用卡车故障分析方法，为故障信息管理提供了新途径。随后，白润才等人在2018年为提高故障率预测精度，引入了基于ARMA模型的露天矿卡车故障率预测方法，并验证了其有效性。2019年，刘威等人提出了一种基于马尔可夫蒙特卡罗方法的故障发生时间预测算法，能精确预测露天矿典型设备的故障时间和类别。到了2020年，毛清华等人设计了矿用带式输送机智能监测系统，结合弱磁检测、红外热成像温度检测和视觉检测等多种方法，实现了故障诊断和智能监测功能。
2.5运输系统设计智能化技术
露天矿运输系统设计智能化旨在通过先进的设计方法提升生产效率，深入分析露天矿开拓运输系统的时空演化规律。2019年，刘光伟人等以压缩运距和控制道路运输功为优化目标，借鉴JONG的城际高速公路选线理论，建立了基于道路费用成本最优化的数值计算模型，有效解决了矿山选线问题。2020年，刘光伟人等进一步研究了基于时空演化的露天矿运输线路存留状态判别算法，提出了量化描述露天采场时空状态演化过程的新方法，为自动化优化定线算法的实现提供了新思路。2021年，赵明等人利用3DMine软件对露天矿境界优化进行了研究，提出了块体价值和附加运输费用的计算方法，确保了境界优化的准确性和可靠性。
露天矿智能运输关键核心技术
3.1工卡车智能运输关键核心技术
（1）环境感知技术：露天矿卡车环境感知技术是基于无人驾驶设备传感器布设，涵盖激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达以及高精度摄像头，通过传感器数据感知、相互融合，实现在距离、速度、方向上提供可靠的数据，辅助无人驾驶车辆准确地感知矿山复杂环境。
（2）卡车线控技术：通过改造卡车转向、制动、举升等系统，加装控制阀组和传感器，实现线性比例控制和数据反馈，提升无人驾驶卡车的工作效率与安全性。
（3）多目标智能调度：露天矿车辆智能调度需考虑产量、等待时间、出动车数及稳定性等多个目标，采用多目标优化算法如NSGA-Ⅱ进行求解，实现最优调度。
NAGA-II算法流程图
（4）有人-无人混编设备群智能协同技术：在露天矿无人驾驶技术过渡期间，建立有人-无人混编设备群智能协同技术，利用高精度三维地图、卡车调度系统和车联网通信协议，实现设备群的智能优化动态调度，提高生产效率。
3.2带式输送机智能运输关键核心技术
（1）工作面带式输送机自主横移技术
轮斗及自移破半连续工艺高效环保，但工作面带式输送机移设难度大。西北煤机与沈阳设计院合作研发的自主横移式带式输送机，结合桁架与履带技术，实现自主横向移动，减轻移设负担。其面临的技术挑战包括：
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1）多履带协同行走控制：需根据空间关系规划行走轨迹，实时调整速度与方向，确保协同移动。
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2）行走不同步容差技术：通过释放位移与转角约束，吸收行走误差，避免桁架变形，保障安全行走。
（2）自移式大角度带式输送机运输技术
露天矿深部煤炭运输面临挑战，普通带式输送机难以满足大倾角、自主移动及适应端帮变化需求。沈阳设计院研发的自移式大倾角带式输送机，实现大角度运输、快速移设及姿态自适应调整，成为最优解决方案。
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1）大倾角连续输送技术：采用压带带式输送机，通过覆盖带施加压力防止物料下滑，实现20°~40°大倾角连续运输。承载带和覆盖带由变频电机驱动，保持同步运转。
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2）多履带协同移动技术：自移式设备采用多履带结构实现快速移动，通过实时获取位置信息，分析行走误差，调整速度和方向，实现协同移动。并建立自由度释放机构，吸收相对误差，保证设备灵活性和结构安全。
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3）自适应姿态调整技术：自移式设备应用自适应调整技术，如俯仰、横向调平等，实现沿随机变化的露天矿端帮自主行走。
（3）带式输送机运行控制技术
带式输送机的运行面临着启动动态效应引起冲击载荷影响设备使用寿命、小煤量工况工频运行能耗高、逆煤流启动设备空转待机时间长等问题。
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1）带式输送机平稳启停控制技术：采用可控驱动形式，如变频电机等，实现带式输送机启动和停机的精确控制，配合自动张紧技术，消减动态张力，延长部件寿命。
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2）带式输送机自适应调速技术：根据煤量变化自主调整带速，降低能耗。采用多种煤量识别技术，实时计算最优带速，实现节能减排、降低损耗的效果。
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3）带式输送机顺料流启动控制技术：通过视频图像识别技术预判料流到达时间，确定下游带式输送机的合理启动时间点，减少空转时间，缩短过渡期，节约能耗，降低损耗。
（4）带式输送机状态在线检测技术
实时监测电机、减速器、滚筒、托辊、输送带等主要运转部件的运行状态，实现故障提前预测与及时维护是带式输送机可靠安全运行的基本保障。
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1）钢丝绳输送带在线检测技术：利用X射线或电磁式原理，对输送带钢丝绳芯进行在线监测，通过智能分析处理图像或信号，自动识别输送带内的接头抽动、断头等缺陷，确保输送带的安全运行。
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2）带式输送机智能点检技术：在带式输送机的关键部位安装无线温度和振动传感器，实时监测设备的运行状态。通过远程监控系统，可以实时查看并记录设备的振动、温度等异常数据，实现远程点检。同时，系统还能根据异常情况进行分级报警，并发出停止带式输送机运转的命令，确保设备的安全运行。
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3）带式输送机故障诊断系统：集数据采集、融合、分析及知识库、模型库于一体，通过在线传感器数据推理提取故障特征，自动匹配故障模型，检索相似案例并推理，最终生成故障诊断结果。
（5）带式输送机智能巡检技术
带式输送机智能巡检技术针对托辊损坏、轴承温度异常等常见故障，摒弃了人工巡检与视频监控的局限，采用搭载多传感器的巡检机器人进行全线往复巡检。机器人集成图像、红外、声音、粉尘及烟雾传感器，实时检测、分析带式输送机运行状态，并对异常情况报警。智能巡检技术主要包括高清摄像与视频分析、热成像与温度监控、声音收集与异音识别及烟雾粉尘监测等方面。
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1）高清摄像与视频分析技术。高清摄像头对带式输送机沿线进行实时观测和录像，通过视频识别分析技术，实现对输送带跑偏、托辊卡滞、人员闯入等异常情况进行报警。
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2）热成像与温度监控技术。热成像仪实时捕捉设备辐射的热红外线，对巡检机器人视野范围内的带式输送机部件进行红外热成像，将部件的温度分布实时显示在监控画面中，并且自动识别高温部件及其位置，及时发现早期设备故障产生的发热现象，实现故障预警。
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3）声音收集与异音识别技术。麦克风阵列实时采集带式输送机运行现场声音，通过与标准系列库中的声音进行匹配和比对判断托辊、滚筒等转动部件的异常状态，可实现故障的早期预警。
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4）烟雾及粉尘传感器。烟雾传感器主要检测带式输送机沿线环境中的烟雾浓度，与设定值实时比对，超限预警，防止火灾事故发生。粉尘传感器检测带式输送机沿线尤其是转载点空间内的粉尘浓度，实现超限预警。
（6）带式输送机无人化维护技术
带式输送机日常维护包括托辊更换、注油、调偏、拉紧调整等多项工作，难以实现完全无人化。托辊更换频繁，是首要解决的问题。托辊更换机器人通过协同托举与更换机械手，实现精准更换。同时，机器人还可配备注油脂、调偏等机械手，实现多功能维护，减轻维修人员负担，减少维修人员数量。
（7）带式输送机运输系统智能管控平台
带式输送机智能管控平台涵盖生产、运营、维护，实现装备智能运维、状态监测、故障诊断、预防性维护等。通过收集多源数据，构建性能可靠性评估方法，并应用于系统装备。其核心关键技术如下：
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1）海量数据存储与计算。带式输送机运输系统智能管控平台首先应解决高并发、高时效和多场景数据应用技术，实现结构化、非结构化和半结构化的多维异构海量数据的统一存储和查询。
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2）微服务架构集成。平台集成微服务架构实现算法工具、分析工具、业务应用、APP等的快速灵活接入；建成复杂事件处理引擎，用于文本挖掘、知识本体构建、知识发现与推理；集成开源人工智能算法框用于数据分析与挖掘建模；支持微服务的弹性扩展，具备分权限管理、负载均衡、防火墙等功能。
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3）大数据分析及预测。在数据分析引擎，设备机理大数据分析基础上，分析潜在因子关联，建立数理模型，量化失效模式，实现故障诊断与寿命预测等预测性维护。
露天矿智能运输发展趋势
4.1连续化
露天矿开采工艺正由间断向连续、半连续转变。卡车运输虽灵活但能耗高、效率低、污染大，且随开采深度增加，问题更凸显。带式输送机为核心的连续、半连续工艺效率高、能耗低、污染小，但灵活性曾受限。随着技术进步，如自主横移、大倾角运输技术，带式输送机灵活性大幅提升，解决了制约问题，使深部煤炭连续运输成为可能。因此，露天矿将主要采用轮斗连续开采和单斗自移破半连续开采工艺，带式输送机将逐步替代卡车成为主要运输方式。
4.2无人化
无人化智能运输解决露天矿劳动强度大、招工难等问题，降低人为干扰，是智能化建设方向。露天矿无人化运输发展包括卡车无人驾驶和带式输送机连续运输。卡车无人驾驶基于线控改造、环境感知、智能调度等技术实现；带式输送机则依赖智能巡检、在线检测、自主运维等技术实现无人化运行。
4.3低碳化
随着“双碳”政策推进，露天矿需实现低碳开采运输。运输系统是主要能耗环节，减排对双碳目标至关重要。卡车运输将转向电力和氢动力，替代柴油，降低碳排放和污染。带式输送机连续运输将更广泛应用，电力驱动将替代大量卡车，实现高效绿色低碳运输。未来，露天矿将以电力、氢动力卡车和电力带式输送机为核心，构建清洁能源低碳运输系统。
4.4.高效协同
露天矿运输系统智能化无人化发展需要高效协同，这是提质增效的保证。随着智能化深入，露天矿将进入少人化、无人化生产阶段，智能管控平台将替代人进行决策指挥。降低了人为干预的不确定性，也让运输设备需自主高效协同作业。智能管控平台分析生产数据后发布指令，运输设备执行指令时交互通信，在平台统一部署下高效协同作业以提升效率。
4.5本质安全
安全是露天矿发展的根本前提，也是露天矿智能化建设的基本要求。露天矿智能运输系统迈向无人化，本质解决人员安全问题。设备智能巡检、在线检测等技术提升故障预警能力，有效控制故障，保障设备运行，全面增强运输系统的可靠性和安全性。
结论
（1）露天矿智能运输系统是满足安全生产的前提下，以智能化运输装备为载体，将数字技术与智能化应用场景深度融合，建立的实时、准确、高效的运输综合管理系统。
（2）露天矿智能运输技术主要从网络布设、无人驾驶卡车、新能源卡车、带式输送机连续运输智能化、管控智能化、维保智能化和设计智能化等方面基本实现智能化，但是依旧存在网络覆盖不全、无人矿卡效率低、新能源卡车电池性能等因素制约所带来的问题。
（3）露天矿卡车运输系统的智能化关键技术主要包括：①矿山复杂路况的环境感知技术；②研究无人驾驶的卡车线控技术；③多目标的智能调度技术；④有人驾驶和无人驾驶的混编设备智能协同等。但是依旧存在网络覆盖不全、无人矿卡效率低、新能源卡车电池性能等因素制约所带来的问题实现技术突破。
（4）露天矿带式输送机连续运输系统智能化关键技术主要包括：①工作面带式输送机自主横移技术；②自移式大角度带式输送机运输技术；③带式输送机运行智能控制技术；④带式输送机状态在线检测技术；⑤带式输送机智能巡检技术；⑥带式输送机无人化维护技术；⑦带式输送机运输系统智能管控平台。但是，带式输送机运输系统的适应性、带式输送机在线检测与故障预警准确性、设备智能维护全面性以及连续运输系统的智能管控平台等还有待进一步完善。
（5）从煤炭工业高质量发展对露天矿提出的要求分析，连续化、无人化、低碳化、高效协同和本质安全是露天矿智能运输技术发展的必然趋势。
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