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防撞監(jiān)測(cè)器、速度控制器、車道保持輔助系統(tǒng)等，都是汽車上常見(jiàn)的系統(tǒng)?，F(xiàn)在，它們也在采礦車上找到了用武之地。其目的是：提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)安全性。

動(dòng)作規(guī)劃和機(jī)器環(huán)境感知等技術(shù)，正日益推進(jìn)采礦自動(dòng)化。

力大無(wú)比、身形龐大的機(jī)械式電動(dòng)挖掘機(jī)，一鏟下去可以挖起上百噸重的土石方。然后，鏟斗回轉(zhuǎn)至一輛等在一旁的長(zhǎng)途卡車上方，打開鏟斗底門，將這些土石方傾瀉一空。整個(gè)過(guò)程中，鏟斗都要小心翼翼地避免碰到卡車。當(dāng)鏟斗返回，重新開始挖掘時(shí)，飛揚(yáng)的塵土往往會(huì)擋住駕駛員的視線。裝完三鏟斗土石方之后，滿載的卡車緩緩駛離，另一輛卡車立即上前，補(bǔ)上空位。90秒一個(gè)周期，一天24小時(shí)，一年365天，挖掘機(jī)就這樣一刻不停地工作著。

操作世界上大的挖掘機(jī)，并不是一項(xiàng)容易的工作。挖掘機(jī)重達(dá)1600噸以上，其巨大的組件響應(yīng)遲緩，坐在駕駛室里進(jìn)行操控，要求有良好的預(yù)見(jiàn)性和精確性。速度很重要，“每噸成本”是露天采礦的硬通貨。換句話說(shuō)，效率，是重中之重。然而，大多數(shù)時(shí)候，挖掘機(jī)的全部潛能并未得到充分利用。2012年，西門子在加拿大的一座采礦場(chǎng)所開展的案例分析，表明了這一點(diǎn)。對(duì)4輛機(jī)械式電動(dòng)挖掘機(jī)所進(jìn)行的研究顯示，事實(shí)上，它們的平均工作周期太長(zhǎng)。此外，鏟斗也往往未能裝滿。

其結(jié)果是：每輛卡車增加了的裝載周期，以及每天較少的開采量，使得成本更高。并且，挖掘機(jī)駕駛員很難判斷，應(yīng)將鏟斗置于自卸卡車上方的什么高度。為了避免偶然碰到卡車，駕駛員力求穩(wěn)妥，放慢速度，并且/或者從不必要的高度，將鏟斗移近卡車。盡管如此，挖掘機(jī)仍然時(shí)而撞上卡車，造成破壞，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致人員受傷。

使用全自動(dòng)挖掘機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的操作，但這樣的轉(zhuǎn)變不可能在一夜之間實(shí)現(xiàn)。在位于慕尼黑的西門子中央研究院，Robert Eidenberger博士是一位專門研究機(jī)器人和自治系統(tǒng)的工程師，他說(shuō)：“要在采礦場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移動(dòng)模式，必須循序漸進(jìn)。包括引入*面向挖掘機(jī)駕駛員的輔助功能。”

引入數(shù)字輔助系統(tǒng)。兩年來(lái)，攜手來(lái)自喬治亞州Alpharetta的西門子驅(qū)動(dòng)技術(shù)業(yè)務(wù)部移動(dòng)采礦部門的同事，Eidenberger一直在從事這種系統(tǒng)的研究。他的工作涉及傳感器技術(shù)、機(jī)器對(duì)其周邊環(huán)境的“感知”，以及動(dòng)作規(guī)劃。與此同時(shí)，他的美國(guó)同事則專注于傳動(dòng)控制技術(shù)、動(dòng)作執(zhí)行，以及將所有組件集成到一個(gè)完備的系統(tǒng)中。

這些努力旨在打造出與汽車上的輔助系統(tǒng)相類似的系統(tǒng)，以便向采礦場(chǎng)的挖掘機(jī)駕駛員提供支持，幫助他們提高工作效率，同時(shí)增強(qiáng)安全性。名為“回轉(zhuǎn)至卡車/返回至卡車，且避免碰撞”的系統(tǒng)，是專門針對(duì)大型電鏟司機(jī)而設(shè)計(jì)的*批系統(tǒng)之一。這個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)鏟斗回轉(zhuǎn)至長(zhǎng)途卡車、卸貨，然后返回至起始位置的過(guò)程，進(jìn)行無(wú)縫控制，當(dāng)這一過(guò)程結(jié)束時(shí)，將恢復(fù)由駕駛員控制?，F(xiàn)在，一家制造商正在對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

移動(dòng)順序。Daniel Robertson是移動(dòng)采礦部門的軟件和自治系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理，他說(shuō)：“30多年來(lái)，我們一直在開發(fā)面向電鏟的傳動(dòng)控制系統(tǒng)。然而，我們欠缺關(guān)于周邊環(huán)境的信息。”這支團(tuán)隊(duì)攜手西門子中央研究院，將開發(fā)一個(gè)基于傳感器的感知系統(tǒng)，它可以利用紅外光脈沖，持續(xù)不斷地記錄電鏟的周邊情況。當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將生成一幅三維環(huán)境圖，以檢測(cè)出某個(gè)對(duì)象相對(duì)于鏟斗的距離，不論這個(gè)對(duì)象是長(zhǎng)途卡車、推土機(jī)，還是輕型車輛。這個(gè)模塊可以識(shí)別并確定，為了避免發(fā)生碰撞，鏟斗應(yīng)當(dāng)繞開的區(qū)域。它還能感知到任意時(shí)刻鏟斗的裝載程度，以及料堆輪廓，從而可以估算出需要挖運(yùn)多少土石方。

除感知系統(tǒng)之外，他們還開發(fā)了一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)，以將計(jì)算出的鏟斗移動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)化為面向傳動(dòng)系統(tǒng)的控制輸入。來(lái)自喬治亞州Norcross的傳動(dòng)技術(shù)專家，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)連接至挖掘機(jī)現(xiàn)有傳動(dòng)控制系統(tǒng)的位置控制接口，從而免去了駕駛員手動(dòng)輸入的麻煩。這個(gè)系統(tǒng)使得電鏟能夠沿著一條經(jīng)優(yōu)化調(diào)整的移動(dòng)路徑，自動(dòng)執(zhí)行所有動(dòng)作，從而縮短工作周期，提高動(dòng)作效率。

未來(lái)，諸如“回轉(zhuǎn)至卡車/返回至卡車”等輔助系統(tǒng)可以避免延誤，更加快速地執(zhí)行移動(dòng)模式，從而節(jié)約能源。案例分析表明，每個(gè)工作周期可以節(jié)約大約4秒鐘的時(shí)間。這意味著每輛挖掘機(jī)每天的裝車數(shù)量可以增加12%，從而能提高生產(chǎn)率，降低成本。這種系統(tǒng)有可能在短短兩年內(nèi)面市。

實(shí)際上，進(jìn)一步發(fā)展存在無(wú)限可能。但要實(shí)現(xiàn)全自治采礦——*不需要人類介入的采礦作業(yè)——依然還有很長(zhǎng)的路要走。在那之前，仍將需要技藝*的挖掘機(jī)駕駛員和駕駛員輔助功能系統(tǒng)。

Nicole Elflein

面向世界上大的自卸卡車的傳動(dòng)系統(tǒng)

怎樣才能讓世界上大的卡車開動(dòng)起來(lái)？2011年，一家白俄羅斯汽車制造商BelAZ公司，帶著這個(gè)問(wèn)題來(lái)向西門子求助。那時(shí)，BelAZ公司正在為其新開發(fā)的自卸卡車，物色電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。這輛卡車自重高達(dá)360噸，額定高載荷為450噸——相當(dāng)于大約350輛大眾汽車公司的高爾夫轎車，或者6架滿載的空客A320-200飛機(jī)——比上一個(gè)“世界上大的自卸卡車”的紀(jì)錄保持者，提高了25%。計(jì)劃也要求這輛新卡車降低每噸的運(yùn)輸成本，并且在空載時(shí)實(shí)現(xiàn)高64公里/小時(shí)的行駛速度。要知道，那些從事地下和露天采礦的企業(yè)不僅必須遵守環(huán)境法規(guī)，而且也要考慮所涉及的成本。

正因如此，采礦業(yè)使用的卡車必須可靠、高效。西門子開發(fā)面向自卸卡車的傳動(dòng)系統(tǒng)已有15年左右，其目標(biāo)始終是設(shè)法提高這些礦場(chǎng)巨獸的效率。“無(wú)軌電機(jī)車”的開發(fā)就是其中一例，這種卡車從高架電線獲得電能。歸功于這一創(chuàng)新，哪怕是在陡坡道上行駛，這種卡車的速度也幾乎提高了一倍。但是，對(duì)于西門子驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)的工程師而言，BelAZ公司提出的挑戰(zhàn)不同以往。BelAZ公司請(qǐng)他們開發(fā)一個(gè)電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅要推動(dòng)毛重高達(dá)810噸的卡車行進(jìn)，同時(shí)還要確保這輛卡車能夠又快、又可靠地運(yùn)送礦物原料。此外，這個(gè)項(xiàng)目的日程安排也相對(duì)比較緊張。從客戶前來(lái)詢問(wèn)，到*輛卡車投運(yùn)，只有不到兩年的時(shí)間。較之于過(guò)去的車型，這輛新卡車配備了8個(gè)輪胎，因?yàn)槊總€(gè)輪胎的設(shè)計(jì)載荷都僅為100噸左右。為此，紐倫堡的西門子牽引傳動(dòng)專家決定開發(fā)一個(gè)使用4臺(tái)電機(jī)、功能強(qiáng)大而又可靠的全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一個(gè)屢經(jīng)檢驗(yàn)的傳動(dòng)系統(tǒng)，充當(dāng)了這個(gè)新系統(tǒng)的模型。工程師們還開發(fā)了一個(gè)新的控制解決方案。這個(gè)電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的所有組件均來(lái)自西門子，這確保了所有組成部分能夠配合得天衣無(wú)縫。全輪驅(qū)動(dòng)配置為工程師開辟了新的可能性，如在卡車的兩個(gè)輪軸之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)動(dòng)力分配。此外，如果一臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障，卡車仍將具備應(yīng)急驅(qū)動(dòng)能力，這意味著它能靠自身動(dòng)力，行駛至修理廠。換句話說(shuō)，它不需要拖帶，也不會(huì)造成諸如堵塞等問(wèn)題。這個(gè)系統(tǒng)使用了兩臺(tái)輸出功率約為1700千瓦的16缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共同提供了電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)所需要的動(dòng)力。2013年10月，這輛卡車向世人揭開了神秘面紗。它長(zhǎng)達(dá)20多米，寬近10米，高約8米。其全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和四輪液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，確保了其直徑長(zhǎng)達(dá)4米左右的輪胎不會(huì)被卡在崎嶇的路面上。現(xiàn)在，這輛卡車正在西伯利亞的一座露天煤礦接受測(cè)試，預(yù)計(jì)將從今年下半年開始銷售。以后，它將被主要用于運(yùn)輸煤和鐵礦石。