В будущее на самосвале: как работает автономная тяжелая техника на российских карьерах

Начнём с базового. Чтобы сделать обычный самосвал автономным, нужно две вещи. Во-первых, обеспечить возможность электронного управления его исполнительными механизмами, такими как передние (поворачиваемые) колеса, трансмиссия, тормозная система, тормоз-замедлитель и т. д. То есть фактически надо сделать так, чтобы самосвалом можно было управлять не посредством механических воздействий на руль или педали, а отсылая соответствующие электронные сигналы и получая обратную связь.
Во-вторых, необходимо «научить» его определять свое положение в пространстве и воспринимать окружающую обстановку. Для этого необходимо иметь в распоряжении набор сенсоров: лидары, радары, цифровые видеокамеры, IMU-датчики, способные отслеживать несколько параметров одновременно, коммуникационное оборудование и высокоточную систему спутниковой навигации — например GPS, ГЛОНАСС или «Галилео».

Но еще нужны «мозги», чтобы всем этим управлять. Мы ставим на самосвал так называемый шкаф, где располагаются разной производительности бортовые вычислители и прочее вспомогательное железо. Так как конструкция самосвала не предусматривает обеспечение питанием сенсоров или дополнительных электронных блоков, значительная часть всего комплекса — обеспечение питания. Самосвал — не то устройство, где есть надежное питание 220 вольт. Да, в машине установлен генератор бортовой сети, но напряжение в нем скачет и могут быть помехи. Поэтому существенная часть роботизации производства связана не только с работой программистов, здесь нужны инженеры, которые разработают целый комплекс аппаратных решений — от кронштейнов, кожухов и шкафов с защитой от воздействий окружающей среды до системы питания и даже бортовых вычислителей нужной нам конфигурации.

Важно понимать, что в отличие от легковых автомобилей автоматизировать отдельный самосвал на руднике — бессмысленно. Карьер или участок горных работ — это целый оркестр, и нужен дирижёр, чтобы управлять им как единым целым.
Нужно менять участок горных работ: сделать, например, дистанционно управляемый погрузчик, а на остальную технику поставить систему высокоточной навигации и систему связи. Таким образом можно эффективно управлять участком месторождения и повышать производительность.

Чтобы это стало возможным, всю технику, которая работает в автономном режиме, нужно подключить к беспроводной сети передачи данных, то есть как минимум на участке нужно поставить антенны беспроводной связи и точки доступа.

На рудниках и месторождениях используется объектовая связь. Это либо объектовый Wi-Fi, либо сеть private 5G или private LTE. Когда самосвал едет в автономном режиме, для него пропускная способность сети не очень важна, в отличие от задержек. Поэтому, если теряется связь с сервером, находящаяся в движении машина некоторое время будет оперировать последней полученной от него информацией, а потом начнёт тормозить по траектории и остановится. С точки зрения безопасности это хорошо, а по производительности — не очень.

Задачи, которые стоят перед самосвалом-роботом, в целом достаточно простые. Основная функция автономного самосвала — перевозка горной массы, руды или полезных ископаемых. На автоматизированном участке обычно работают два сотрудника.

• Оператор-водитель, который раньше рулил машинами, а теперь следит за движением работа-самосвала и подключается в случае необходимости. Сейчас мы исходим из соотношения четыре-пять самосвалов на одного оператора-водителя.
• Диспетчер участка, который выдает задания на всю автономную технику.

Машины управляются с помощью бортового компьютера и серверной части системы, которая сообщает, куда ехать, с какими скоростными ограничениями, а также что и где грузить.

Задания диспетчер формирует в специальном графическом интерфейсе, разработанном «Цифра Роботикс». Там можно конфигурировать маршрут, выставлять статусы готовности техники, назначать задания. После этого диспетчер может по карте следить за работой машин. Оператор-водитель, в свою очередь, находится перед экраном рабочего места оператора (РМО) и может переключаться между подключенными машинами.

Дальше интереснее — часть решения, которая связана с управлением системой электропитания и системой так называемой аварийной остановки самосвала — наши. Мы используем компонентную базу, но это именно наши электронные блоки — мы разрабатываем их сами.

Что касается бортового компьютера — это сборная солянка. У нас есть два вида бортовых компьютеров. Один, условно говоря, просто промышленный компьютер на Intel, но конструкция carrier board, корпуса и разъемов — это наша совместная разработка с отечественным производителем плат. Второй тип — это компьютер для обработки больших объемов поступающей информации с лидаров, радаров и так далее. Это компьютер с промышленным ускорителем Nvidia: раньше был модуль Jetson TX2, сейчас AGX Xavier. Там ситуация такая: все платы — это off-the-shelf решения, то есть созданные не под нас, но их сборка в готовый конструктив, обрамление интерфейсами и корпусирование — наша разработка. Потому что мы не нашли на рынке конструктив, который бы нас полностью устраивал. Кроме того, мы разрабатываем железо.

Конечно, существенную часть того, что нужно для автоматизации самосвала пока непонятно на что заменить. Для некоторых вещей есть аналоги в отечественной элементной и компонентной базе, но доходит до смешного — аналог одного из блоков системы питания оказался в 30 раз дороже и в 3 раза больше по габаритам. Естественно, он нам не подошел. Тяжелая ситуация и с, казалось бы, такой банальной вещью, как промышленные разъемы типа M — отечественные варианты существуют, но имеют свою специфику. А разъемов в нашей системе нужно очень много.

Конечно, нас интересует взаимодействие с российскими разработчиками. На уровне RnD мы бы хотели поработать поблочно с отечественными вариантами комплектации.

Такие бренды, как Caterpillar и Komatsu начали делать беспилотную технику раньше. У Caterpillar первый эксперимент относится к концу 90-х, а первое внедрение Komatsu — это 2008 год. Конечно, в связи с этим у них больше опыта накатки в реальной обстановке и шире диапазон условий, в которых они испытывали свою технику.

В России же подобные технологии внедряют только последние пару лет. В результате мы сразу начали применять решения, которые актуальны. Российским компаниям, в отличие от Caterpillar и Komatsu не нужно тянуть за собой груз разработанных технологий, которые, возможно, уже не эффективны.

Например, Caterpillar очень сильно зависит от устойчивости и наличия соединения с сервером. Поэтому когда самосвал Caterpillar теряет сигнал, он бьет по тормозам и останавливается, потому что не знает, что делать. А наша машина в таком случае может некоторое время аккуратно катиться по траектории, замедляться и останавливаться.

В целом, в России развитие подобных технологий идет медленнее из-за того, что предприятий, которые уже их используют, не так много. Например, автономные БелАзы применяет угольная компания СУЭК. Эти машины ездят на производственном полигоне предприятия «Гранит», частично это тестовый полигон, а частично — площадка, где добывают полезные ископаемые. Также мы находимся в стадии реализации проекта по автономным самосвалам с компанией ERG на их месторождении в Казахстане. А наш автономный бурстанок уже трудится на месторождении меди в Перу, на высоте более 4000 метров над уровнем моря.

Кроме того, внедрение автономных машин должно быть экономически целесообразно. Какие это ситуации? Труднодоступные места с тяжелыми условиями работы: Крайний Север, Дальний Восток или очень глубокие выработки, как на Кольском полуострове.

Случаи травматизма и летальных исходов — не редкость в горнодобывающей отрасли. Это один из главных драйверов внедрения автономной техники. Травматизм и летальные исходы сопряжены с огромными моральными и материальными издержками. Внедрение роботов как раз помогает, потому что самый главный фактор риска — людей — мы из кабины и с участка горных работ таким образом убираем.

Caterpillar, который на 10−15 лет раньше нас начал делать автономные самосвалы, утверждает, что у него максимально снизилось число инцидентов с травматизмом. Это в какой-то степени лукавство, потому что если у вас полностью автономный участок, то и травматизма там не будет, но при этом могут иметь место столкновения автономной техники.

В мировой практике на одном участке горных работ не допускается или не приветствуется одновременная работа автономной техники и ручных самосвалов.

У нас однажды возникла ситуация, когда автономный самосвал въехал в обычный — проект тогда находился в опытной фазе. Этого бы не произошло, если бы оба самосвала на участке были автономными и обменивались бы сигналами о своем местоположении.

Этот пример хорошо показывает, что подход к автономизации горнодобывающих и других сложных промышленных объектов должен быть комплексным. Только тогда на место травмам придет эффективность.

Существует два витка, по которым в ближайшие годы будут развиваться роботы в промышленности. Во-первых, не все машины легко автоматизировать. Например, в погрузчиках и бульдозерах работа ковша плохо поддается алгоритмизации. Человек с ними работает интуитивно, а машина так пока не может. Поэтому здесь мы надеемся на прорыв в области симуляции и машинного обучения.

Второй виток связан с тем, что единицей автономизации является участок. В данный момент наши роботы-самосвалы похожи на первые машины, которые были как кареты, только без лошадей. Соответственно и карьеры с рудниками сейчас создаются для машин с ручным управлением. Это должно измениться, так же, как и сами самосвалы. Например, у них должна исчезнуть кабина, потому что она не нужна. Возможно, уйдет понятие заднего хода: роботам-самосвалам будет все равно, в какую сторону ехать.

А дальше надо будет менять конфигурацию участков: убирать защитные полосы, бровку и другие элементы, которые необходимы для работы людей. Уменьшать ширину проезжей части. Потому что для зрелой автономной технологии всё это не нужно.
Тем не менее, на данный момент автономные самосвалы — это карета, у которой есть двигатель. Большая часть потенциала, который может открыться — ещё даже не на горизонте.