馮迭騰

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一種礦山有軌電機車無人自動駕駛系統(tǒng)

馮迭騰

(廈門礦通科技有限公司，福建 廈門市 361000)

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的穩(wěn)中向好，建設智慧礦山，大力發(fā)展礦山信息化和智能化，已經(jīng)成為礦山企業(yè)發(fā)展的趨勢。根據(jù)原國家安監(jiān)總局開展的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動工作目標，目前為實現(xiàn)高危作業(yè)場所減少作業(yè)人員，大幅度提高企業(yè)安全生產(chǎn)水平的關鍵時期。為此，提出了一種礦山有軌電機車無人自動駕駛系統(tǒng)解決方案，通過運行該系統(tǒng)，將大大減少井下現(xiàn)場崗位人員，提高整個礦山生產(chǎn)運輸?shù)男屎桶踩裕瑢崿F(xiàn)礦山減員增效的目的。

智慧礦山；有軌機車；無人駕駛；減員增效

0 引 言

目前，國內大部分礦山井下軌道運輸均采用人工現(xiàn)場駕駛操控，只有少數(shù)幾家礦山采用人工地面遠程遙控駕駛。采用人工現(xiàn)場駕駛操控，每臺電機車需配一名電機車司機、一名放礦工和清礦工，通過相互配合才能完成裝礦、運輸、卸礦過程。生產(chǎn)工藝十分落后，作業(yè)人員密度大，勞動強度和危險性高，造成生產(chǎn)效率低下及人為事故等問題，存在很大的安全隱患，并且有人員上下井換班時間，使得運輸有效時間大大縮短，直接影響產(chǎn)量。采用人工地面遠程遙控駕駛的運輸系統(tǒng)僅實現(xiàn)了部分運輸線路的自動無人駕駛，運輸線路是采用固定區(qū)間閉塞的方法實現(xiàn)安全機制，采用這種技術車與車之間的間隔變長，運輸時間也相應變長，影響生產(chǎn)效率；系統(tǒng)機車沒有采用或采用單一傳感器的前視障礙物監(jiān)測技術，監(jiān)測效果不理想，存在安全隱患。系統(tǒng)放礦作業(yè)車廂定位采用人工遠程駕駛機車前進或后退進行定位，定位時間長，影響生產(chǎn)效率。整個系統(tǒng)的機車運行控制是以調度指揮系統(tǒng)軟件為主，機車與調度指揮系統(tǒng)軟件必須保持實時的通信，如果通信中斷，線路所有機車必須緊急停車，否則有追尾的安全隱患。隨著用工成本的不斷增大，以及人們對井下惡劣環(huán)境造成各種職業(yè)病的擔憂，井下招工越來越難。若要解決以上存在的問題，達到減員增效的目的，就必須有一套高效而且安全可靠的自動化運輸系統(tǒng)來保證，因此，實施有軌電機車無人自動駕駛系統(tǒng)意義非常重大。

1 井下無人駕駛的難點

在礦井軌道上，需要識別的障礙物包括人、機車、礦石、巖石、木頭、遺落的工具等。系統(tǒng)識別的物體體積更小，一個10 cm×10 cm的巖石就有可能影響機車運行。系統(tǒng)判斷障礙物的距離更遠，重載電機車的制動距離需要近100 m才能剎停，判斷難度和反應速度要求更高更快。軌道框架凈空和巷道壁的距離余量更窄，障礙物距離軌道20 cm時就需要判斷物體是否造成危險。誤判會成為一個棘手的問題，在礦井軌道拐彎視覺前方就是巷道壁，布滿了不規(guī)則的礦石，很容易導致障礙物識別的誤判，造成機車緊急制動。在井下軌道上有大量的鐵，需要有效區(qū)別鐵和障礙物。井下軌道地面高度會頻繁變化，對無人駕駛系統(tǒng)設備的抗震要求更高。電機車與調度系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性要求更高，需要做到漫游不掉包，時延小，否則將影響系統(tǒng)對電機車的控制。一般通常認為，無人駕駛汽車所面臨的環(huán)境非常復雜，軌道環(huán)境比較單一，所以技術上應該是無人駕駛汽車的技術更難，但實際上是軌道機車無人駕駛比無人駕駛汽車更具備挑戰(zhàn)性，難度更高。

目前井下電機車自動裝礦功能，國內外均未做到。雖然從理論上自動裝礦控制技術已經(jīng)不是難題，但在實際使用上因為現(xiàn)場生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場環(huán)境和安全保障的要求上，還是存在很大難度，尤其在檢測反饋方面，要實現(xiàn)真正的自動裝礦，確保自動裝礦的安全可靠，需長時間采集實際生產(chǎn)中的各項檢測數(shù)據(jù)、放礦控制執(zhí)行數(shù)據(jù)和機車運行情況，然后建立相關數(shù)學模型并優(yōu)化算法。最后把模型化的數(shù)據(jù)應用到放礦控制和電機車控制中，來實現(xiàn)全自動裝礦。

2 自動駕駛系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)電機車能根據(jù)運輸調度指揮系統(tǒng)配礦計劃自主運行，進入指定的溜井進行裝礦，由地面溜井放礦人員結合視頻監(jiān)控和車廂自動精確定位后遠程放礦，裝完礦后自動進入線路運行，按計劃到指定的卸載站進行卸礦，實現(xiàn)電機車的全自動運行。系統(tǒng)具備全自動無人駕駛、中控室遠程遙控駕駛、機車駕駛室人工駕駛3種切換模式。機車運行平時處于機車自主無人駕駛模式，突發(fā)情況可通過遠程遙控或駕駛室人工 干預。

該系統(tǒng)是以WiFi無線通信及工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸平臺，信集閉系統(tǒng)和智能行車控制系統(tǒng)為安全依托，采用大數(shù)據(jù)技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、精確定位技術、信息與通訊技術、無線通信技術、融合傳感技術、自動化控制技術及計算機技術實現(xiàn)井下有軌電機車的無人自動駕駛。系統(tǒng)電機車可以根據(jù)調度計劃自主運行，進入指定的溜井進行裝礦時，由溜井放礦人員結合視頻監(jiān)控和車廂自動精確定位后遠程放礦，裝完礦后自動進入線路運行，按計劃到指定的卸載站進行卸礦，實現(xiàn)電機車的全自動運行。具備全自動無人駕駛、中控室遠程遙控駕駛、機車駕駛室人工駕駛3種切換模式。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由智能行車控制系統(tǒng)、信集閉系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)、機車跟蹤定位系統(tǒng)、放礦遠程控制系統(tǒng)、卸礦坑位監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)7個子系統(tǒng)組成。

2.2 子系統(tǒng)主要功能

2.2.1 智能行車控制系統(tǒng)

包括變頻電機車、智能車載控制器(含行車智能控制軟件和前視障礙物監(jiān)測軟件)和前視障礙物監(jiān)測系統(tǒng)等。

(1) 變頻電機車。變頻電機車具有司控駕駛模式、遠程和自動駕駛模式切換。機車除了控制前進、后退、制動和速度外還應控制車燈和鳴笛。可以通過電控升降受電弓，同時需要檢測受電弓下降的狀態(tài)。機車采用排氣制動，在斷電和缺氣的情況下，保證機車可靠制動，同時需要檢測氣缸的氣壓狀態(tài)。機車變頻控制器具有對外通訊接口與智能車載控制器通信。

(2) 智能車載控制器。智能車載控制器是智能行車控制系統(tǒng)的核心設備。它能通過行車智能控制軟件自主接收運輸調度指揮系統(tǒng)主機分配的運輸任務，獲悉運輸路徑信息，通過前視障礙物監(jiān)測軟件對路況實時分析識別，結合機車狀態(tài)、定位信息和調度指揮系統(tǒng)狀態(tài)等，進行自主運行調整、啟停和速度控制等(與變頻控制器主板通訊完成)。實現(xiàn)除放礦區(qū)域外的自動駕駛。智能車載控制器在運行過程中能自動計算速度，可根據(jù)直道、彎道、岔道等不同的路段進行動態(tài)限速設置，實現(xiàn)動態(tài)限速。

(3) 前視障礙物監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是智能行車控制系統(tǒng)的眼睛，是無人駕駛系統(tǒng)的安全依靠。它包括智能車載控制器內的前視障礙物監(jiān)測軟件和融合傳感器網(wǎng)絡。系統(tǒng)配置超聲波雷達、激光掃描儀、毫米波雷達、AI紅外攝像機和紅外線傳感器5種傳感設備。通過多個傳感器協(xié)同工作提供全方位傳感數(shù)據(jù)監(jiān)測，然后進行建模，通過智能AI將監(jiān)測的多路數(shù)據(jù)整合并智能識別為：障礙物、參照物、無關物體，并判斷物體是否在軌道限界內、移動或靜止。監(jiān)測物體清單和列車運行狀態(tài)整合形成全局模型，并不斷自身學習。系統(tǒng)可全天候在惡劣環(huán)境穩(wěn)定運行，可在白天、夜晚、雨水、粉塵、大霧、高低溫等極端氣候下有效運行。系統(tǒng)可在小于300 ms的時間內有效探測到200 m內障礙物。

系統(tǒng)可將運行路線中已有固定物體設定為標準環(huán)境，對于闖入環(huán)境中的物體自動判斷是否處于機車運行線路；判斷闖入物體是否會對機車的運行造成影響，以及影響的程度如何；判斷為無影響的物體，如塑料袋，紙屑等，則不發(fā)出警告，不對進入物體進行響應；如判斷闖入物體會對機車運行造成危害，則根據(jù)危害程度給出機車急剎車或者緩慢剎車信號。

本系統(tǒng)傳感器配置基本與汽車的無人駕駛技術一致，傳感器種類與谷歌、特斯拉等領先無人駕駛車企配置一致，同時還多了紅外線傳感器。

2.2.2 機車跟蹤定位系統(tǒng)

包括電機車、車廂以及升降弓位置的定位。機車定位通過采集變頻器速度計算位移并結合軌道GIS地圖實現(xiàn)定位，由于變頻器基礎速度數(shù)據(jù)存在一定誤差，需要經(jīng)過通訊基站和RFID校正來實現(xiàn)精確定位，定位精度可達2 m。

放礦時機車車廂精準地?？吭诜诺V機臺板下，是通過安裝在車頭的激光傳感器和限位開關以及模型化的軟件行車控制來完成。由于每列機車車廂間距都不一致，定位需要通過采集實際每列機車每節(jié)車廂停靠的運行數(shù)據(jù)，然后建立每輛車的數(shù)學模型并優(yōu)化算法。每列機車通過激光傳感器或限位開關定位后根據(jù)自己模型化的數(shù)據(jù)來控制機車減速?？?，實現(xiàn)機車車廂的精準?？?。

機車在經(jīng)過道岔、裝礦站和卸礦站時需要掌握精準降弓和升弓的時機，通過車載激光傳感器和車載限位開關實現(xiàn)機車升降弓動作位置的快速精確定位。

2.2.3 網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)

整個通訊網(wǎng)絡包含工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)和無線WiFi網(wǎng)絡，核心部分采用光纜傳輸，通過百兆、千兆、萬兆交換機構建一個工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)。通過在巷道頂或巷道壁安裝軌旁基站，實現(xiàn)井下無線WiFi信號的全覆蓋。機車車頭安裝有車載基站，采用雙模塊設計，實現(xiàn)車載基站在漫游過程中穩(wěn)定過渡，不斷線不丟包。保證無線通信的穩(wěn)定可靠。

2.2.4 信集閉系統(tǒng)

該系統(tǒng)借鑒鐵路、地鐵列調技術，實現(xiàn)機車運輸集中調度以及道岔等設備的自動化控制。包括運輸調度指揮系統(tǒng)軟件和道岔信號燈控制。負責對智能行車控制系統(tǒng)下達裝、卸礦指令和運行系統(tǒng)監(jiān)控，對井下信號燈、電動道岔的集中控制。為了實現(xiàn)安全可靠、高效率的運輸要求，系統(tǒng)軟件建立了數(shù)學模型，根據(jù)模型演算、形成了一套完整的運行機制。

(1) 運輸調度指揮系統(tǒng)軟件。智能車載控制器將位置信息和車號傳回調度中心，系統(tǒng)主機軟件以電子地圖形式直觀顯示機車位置和車號，實現(xiàn)機車實時動態(tài)跟蹤。系統(tǒng)主機軟件還具有實時監(jiān)控信號機、道岔、區(qū)段以及整流變、分區(qū)開關功能。監(jiān)控室生產(chǎn)調度人員能實時、準確地掌握各臺機車的運行狀況及各運輸子系統(tǒng)的狀態(tài)，通過WiFi通信系統(tǒng)對機車進行控制。系統(tǒng)主機軟件同時還能以柱狀圖形式顯示各倉位高度，根據(jù)錄入的礦石品位數(shù)據(jù)，自動生成機車運輸任務計劃，調度人員只需設置機車運行目的地，通過WiFi通信系統(tǒng)下達運輸指令給機車智能車載控制器，即可讓機車自動駕駛。

機車運行方案可實時調整下達，運行調整方案是直接指揮行車的重要環(huán)節(jié)，調整方案的前提是有礦車運行的變化情況、準確位置和時間，在此基礎上與計劃實時進行比較，然后根據(jù)約束邏輯條件實時提出當前所需要的運行調整方案。

系統(tǒng)軟件具有電機車運行軌跡回放；自動記錄運行過程數(shù)據(jù)，能夠自動記錄井下運輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)，并統(tǒng)計形成生產(chǎn)報表，用于現(xiàn)場生產(chǎn)運行分析，生成管理報表等功能。

(2) 道岔聯(lián)鎖控制和敵對進路聯(lián)鎖。由于機車具有實時動態(tài)跟蹤和前視障礙物自動識別,可以實現(xiàn)大部分軌道所有機車運輸?shù)囊苿娱]塞功能。運行過程道岔和信號的申請控制由機車車載控制器和系統(tǒng)主機軟件自動完成，實現(xiàn)信號機和轉轍機聯(lián)鎖控制和敵對進路聯(lián)鎖功能。當有多輛機車需要通過同一個道岔口時，由系統(tǒng)主機軟件以機車申請的先后順序判斷哪輛機車優(yōu)先通過，然后其它機車依次通過，實現(xiàn)敵對進路聯(lián)鎖功能。

2.2.5 放礦遠程控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用地面人工遠程裝礦模式，溜井裝礦工作人員結合視頻監(jiān)控和車廂自動精確定位后遠程遙控裝礦，裝礦完成后自動進入線路運行。

2.2.6 卸礦坑位監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并上傳至運輸調度指揮系統(tǒng)主機，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時會報警提示。系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括機車跑偏、爬軌監(jiān)測和車廂閉合狀態(tài)監(jiān)測。跑偏和爬軌通過在重要位置安裝接近開關，通過接近開關來判斷；車廂閉合狀態(tài)通過在軌旁安裝光柵傳感器對射，車廂底部如果未閉合，則會遮擋光柵，即可判斷出車廂未閉合。

2.2.7 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡紅外攝像機，必須滿足井下重要位置的全方位無死角視頻監(jiān)控，以及保證視頻存儲時間超過3個月。

3 結 語

系統(tǒng)實現(xiàn)了以智能行車控制系統(tǒng)為主，運輸調度指揮系統(tǒng)為輔，保證通信故障情況下機車運行的安全，杜絕追尾事故發(fā)生的可能。實現(xiàn)了機車之間的移動閉塞，機車之間運行間距保持在剎車距離范圍內，在保證安全運行的前提下減少了每輛車運輸?shù)臅r間，提高了運輸效率。實現(xiàn)機車在放礦作業(yè)環(huán)節(jié)的機車無人駕駛和精確停靠，較人工遠程遙控停車定位縮短2/3時間，裝礦作業(yè)效率高。具有適應多種環(huán)境下的前視障礙物監(jiān)測系統(tǒng)，保證每個障礙物都被正確識別，避免碰撞事故發(fā)生，提高生產(chǎn)運輸?shù)陌踩?。系統(tǒng)部分功能已在紫金礦業(yè)軌道運輸平臺應用。系統(tǒng)達到了建設智慧礦山，減員增效、保障安全的效果。

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(2018?08?15)

馮迭騰(1987—)，男，福建人，工程師，從事電子通信與自動化類產(chǎn)品的研發(fā)工作，Email：ternloon@qq. com。