Трансформация производств // Дмитрий Луковкин

В будущее на самосвале: как работает беспилотная тяжелая техника в российских карьерах

21 0
Посмотреть на
В этом материале Дмитрий Луковкин расскажет о совместном с белорусским заводом «БелАЗ» проекте по созданию одного из крупнейших в мире и тяжелейших грузовых автомобилей — карьерного самосвала-беспилотника.

В мае «Цифра Роботикс» представила новый релиз своей автономной системы грузоперевозок с улучшенными алгоритмами сканирования окружения, позволяющими беспилотникам избегать очередей и эффективно работать в условиях повышенной запыленности, при тумане или во время града. По данным компании, число ложных остановок роботизированных карьерных самосвалов под управлением новой системы сократилось в 3,5 раза, а время простоев — в 5 раз.

Что нужно установить на самосвал, чтобы он стал автономным

Начнем с базового. Чтобы сделать из обычного самосвала самосвал автономный, 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 нужно 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 высокопроизводительные или не очень высокопроизводительные 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 с умной работой не только программистов. Здесь нужны инженеры, которые разработают целый комплекс аппаратных решений — от кронштейнов, кожухов и шкафов с защитой от воздействия окружающей среды до системы питания и даже бортовых вычислителей нужной нам конфигурации.

Почему автоматизацией одной машины не обойтись

Важно понимать, что в отличие от легковых автомобилей автоматизировать отдельный самосвал на руднике — бессмысленно. Карьер или участок горных работ — это целый оркестр, и нужен дирижер, 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 вайфай, либо сеть private 5G или private LTE. От пропускной способности сетизависит многое, но еще большее значение имеют задержки. 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 сервера информацией, а потом начнет тормозить по траектории и остановится. С точки зрения безопасности это хорошо, а с точки зрения производительности — не очень.

Кто формирует задания для автономного самосвала и управляет им

В целом задачи, которые стоят перед самосвалом-роботом, 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, также разработанном «Цифра Роботикс». Там можно конфигурировать маршрут, выставлять статус 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 машинами.

Насколько беспилотник на базе самосвала БелАЗ — российско-белорусский продукт — зависит от западного импорта

«Цифра Роботикс» полностью разрабатывает то, что касается программного обеспечения. С оборудованием ситуация такая:ты делаешь то, что экономически оправдано. То есть у нас есть компоненты оборудования, которые мы закупаем: те же лидары, радары, сенсоры и часть электронных компонентов.

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, этосборная солянка. У нас есть два вида бортовых компьютеров. Один, условно говоря, — просто промышленный компьютер на Intel, но конструкция carrierboard, корпуса и разъемов — это наша совместная с отечественным производителем плат разработка. 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 JetsonTX2, 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». Например, так как серверной комнаты в самосвале нет, мы долго и упорно в несколько итераций создавали бортовой шкаф для размещения в нем всего оборудования. Сейчас мы собираемся запатентовать эту разработку, потому что оказалась, что те шкафы, которые подходят по характеристикам, не влезают в самосвал, а те, которые влезают, не удовлетворяют нашим требованиям по защищенности.

Конечно, существенная часть того, что нужно для автоматизации самосвала пока непонятно на что заменить. У 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 специфику. А разъемов нашей системе нужно очень много.

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

Наши беспилотники в мировом контексте

Такие бренды, как Caterpillar и Komatsu, начали делать беспилотную технику раньше. У Caterpillar первый эксперимент относится к концу 90-х, а первое внедрение Komatsu произошло в 2008 году. 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 неэффективны.

Например, Caterpillar очень сильно зависит от устойчивости и соединения с сервером. Поэтому когда самосвал Caterpillar теряет сигнал, то бьет по тормозам и останавливается, потому что не знает, что делать. А нашамашина 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 м над уровнем моря.

Кроме того, внедрение автономных машин должно быть экономически целесообразно. Где оно необходимо? Втруднодоступных местах с тяжелыми условиями работы: Крайний Север, Дальний Восток или очень глубокие выработки, как на Кольском полуострове.

Глубина Ковдорского карьера более 600 м. Воздух в нижней части карьера очень загрязнен, после проведения буровзрывных работ выработку надо проветривать, чтобы там смогли работать люди. В таких условиях роботы будут востребованы в первую очередь. Я думаю, что в подобных местах роботизированная техника станет использоваться повсеместно через 5 лет. Атам, где условия менее экстремальные — к примеру, в районе Курской магнитной аномалии, в Юго-Западной Сибири, — внедрение будет происходить позже.

Беспилотник против обычного самосвала: кто кого протаранит

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, приводящих к травмам. 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 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.

Что ждет автономные машины в будущем

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 алгоритмированию. То есть человек с ними работает интуитивно, а машина так пока не может. Поэтому здесь мы надеемся на прорыв в области симуляции и машинного обучения.

Второй прорыв 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 всё равно, в какую сторону ехать

А дальше нужно 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 раскрыться, — еще даже не на горизонте.

Будь первым, кто оставит комментарий

This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ