武學(xué)宏

（西山煤電集團西曲礦，山西 古交 030200）

煤礦機車是井下有軌機車運輸?shù)闹匾O(shè)備，當前煤礦機車移動的目標分散，規(guī)律性差，多為物料車、矸石車、空車、空機頭作業(yè)任務(wù)，通常無明顯的時間限制，行車路線不固定，每列車司機單點作業(yè)，經(jīng)常會隨意停放物料空車，造成運輸效率不高，調(diào)度整體性較差。設(shè)計研究礦井機車無人駕駛系統(tǒng)技術(shù)是非常有現(xiàn)實意義的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于系統(tǒng)的功能要求，礦井機車無人駕駛系統(tǒng)集成自動控制系統(tǒng)、智能調(diào)速控制、高清視頻信號處理、機車運輸信號系統(tǒng)、自診斷自適應(yīng)、報警預(yù)警、無線通信等眾多模塊的軟硬件系統(tǒng)。如圖1 所示。

整個控制系統(tǒng)由安放于地面監(jiān)控中心的后臺服務(wù)器及控制軟件、人機交互構(gòu)成了整個控制系統(tǒng)的上位機，安置于每輛機車上的控制中心、各種信號傳感器構(gòu)成了系統(tǒng)的下位機，上下位機通過礦井工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)實現(xiàn)通信。

圖1 礦井機車無人駕駛系統(tǒng)圖

機車控制中心通過機車定位系統(tǒng)確定自己的位置并從后臺數(shù)據(jù)庫中調(diào)出預(yù)設(shè)機車行駛狀態(tài)，同時通過安裝在機車上的礦用防爆攝像機采集軌道和巷道信息對預(yù)設(shè)駕駛狀態(tài)進行自我校正和糾偏。校正糾偏無誤后，將行駛命令下發(fā)給機車電機驅(qū)動裝置，機車按照給定速度自動行駛，機車行駛過程中控制中心循環(huán)執(zhí)行上述指令，最終實現(xiàn)根據(jù)軌道信息自動行駛的目的。機車在自動行駛過程中不斷采集安設(shè)在軌道沿線的各類傳感器信息，并根據(jù)不同信息狀態(tài)從后臺數(shù)據(jù)庫調(diào)出相應(yīng)指令對轉(zhuǎn)轍機、煤倉注煤閘板、電機驅(qū)動裝置等設(shè)備下發(fā)控制指令。同時，機車控制中心將采集到的各類信息通過無線局域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)上傳給上位機，實現(xiàn)上、下位機數(shù)據(jù)傳輸和上位機對下位機的指令控制。最終構(gòu)成上位機為主、下位機平行運行、系統(tǒng)自診斷自適應(yīng)的礦井機車無人駕駛控制系統(tǒng)。

2 無線局域網(wǎng)設(shè)置及通信系統(tǒng)的構(gòu)建

通信系統(tǒng)是該系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，負責(zé)整個系統(tǒng)的信息傳輸和指令傳達。由于礦井環(huán)境的特殊性，為實現(xiàn)巷道通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，采用工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)相結(jié)合的通信方式。通信系統(tǒng)在巷道內(nèi)敷設(shè)井下光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成寬帶流媒體網(wǎng)絡(luò)，通過多功能網(wǎng)關(guān)構(gòu)成有限局域網(wǎng)，與安設(shè)在巷道兩側(cè)的軌旁無線基站構(gòu)成無線局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋全巷道。井下光纖環(huán)網(wǎng)通過主干交換機與控制分站經(jīng)總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機、記軸器、動態(tài)信號機與通信系統(tǒng)的連接，最終構(gòu)成礦井機車無人駕駛網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 礦井機車無人駕駛網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

3 通信可靠性保障及可行性技術(shù)方案

3.1 礦井無線通信的特點

（1）根據(jù)礦井工況選擇相應(yīng)防爆等級的設(shè)備。由于不同礦井瓦斯含量不同，低瓦斯和使用架線電機車運輸?shù)牡V井可選擇礦用一般型電氣設(shè)備，而對于高瓦斯礦井則必須選擇礦用防爆型或者本質(zhì)安全型。

（2）滿足礦井防爆要求的前提下，選擇發(fā)射功率大、抗損耗能力強的無線基站。

（3）機電設(shè)備應(yīng)具有較強的抗干擾能力。

（4）防護性能好，抗故障能力強。煤礦井下環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率高，人為破壞事件時有發(fā)生。因此，礦井無線通信系統(tǒng)應(yīng)具有較強的抗故障能力，應(yīng)有防塵、防水、防潮防腐、耐機械沖擊等性能。

（5）信道容量大，響應(yīng)迅速。由于礦井機車無人駕駛系統(tǒng)多車輛、多傳感器的視頻、語音、控制信號等多數(shù)據(jù)傳輸和車輛移動速度較快的特點，軌旁無線基站需選擇多通道的無線通信模塊。

3.2 礦井無線通信可靠性保障及技術(shù)分析

礦井機車無人駕駛系統(tǒng)技術(shù)核心在井下特殊環(huán)境下無線局域網(wǎng)是否可靠運行，一方面要確保無線局域網(wǎng)信號連續(xù)穩(wěn)定，另一方面要能夠抵抗巷道電纜、電氣設(shè)備帶來的各種物理干擾。

3.2.1 無線局域網(wǎng)通信連續(xù)性保障方法

（1）采用雙回路無線基站。受礦井煤塵、潮濕等特殊環(huán)境的影響，無線基站類電子產(chǎn)品存在故障突發(fā)性的特點。因此采用雙回路無線基站，即一套軌旁無線基站設(shè)置兩套功能完全相同的無線回路，其中主回路采用礦井127V 電源供電，輔助回路采用內(nèi)置蓄電池供電，兩個回路之間可以相互進行通信。正常工作時由主回路輔助基站無線通信工作，同時為輔助回路電源進行充電。當主回路由于電源斷電或者設(shè)備損壞等原因?qū)е虏荒苷９ぷ鲿r，輔助回路會檢測到主回路不能正常工作的信息，輔助回路自動運行，同時將主回路故障信息上傳至上位機，待主回路故障排除后主回路投入使用，輔助回路自動關(guān)閉。

（2）根據(jù)礦井工況合理布置無線基站位置和數(shù)量。礦井無線局域網(wǎng)是否穩(wěn)定，一方面由基站的工作性能決定，另一方面受基站的位置和數(shù)量影響。理論上，基站數(shù)量越多，布置越密集，無線局域網(wǎng)信號覆蓋越廣，信號越強，需根據(jù)礦井實際工況合理布置基站的位置和數(shù)量，既保證無線局域網(wǎng)信號巷道全區(qū)域覆蓋，又能地減少投入基站數(shù)量，以達到保證局域網(wǎng)信號穩(wěn)定的前提下，減少投入資金成本。

（3）車載無線終端防震及保證信號連續(xù)性處理。車載無線終端不同于安設(shè)于巷壁的軌旁無線基站，其需要解決機車在行駛過程中震動對電子器件的損壞。因此通過對電路板用硅膠整體封注的方法來減少震動對電子器件帶來的損壞。

3.2.2 無線局域網(wǎng)信號干擾解決方法

井巷中無線局域網(wǎng)在信號全覆蓋的前提下，外界信號干擾源一方面是井下變壓器、開關(guān)、電纜等發(fā)出的感應(yīng)電磁波，另一方面則是機車無人駕駛系統(tǒng)不同設(shè)備之間相互的信號干擾?？梢酝ㄟ^加入信號濾波模塊對外來信號進行一級濾除，另外通過軟件進行信號編碼解碼，即發(fā)射信號前在信息前加上物理地址及編碼信息，接收裝置在接收信號時對信號進行解碼分析，符合系統(tǒng)設(shè)定要求的信號進行解析使用，不符合要求的則被踢出。

4 路況識別與機車速度控制

4.1 機車定位

機車定位是通過軌道沿線布置的軌旁無線基站和機車控制中心共同實現(xiàn)的。軌旁無線基站按照固定距離固定于礦井大巷墻壁上，多個軌旁無線基站之間相互通信形成一個巷道控制中心傳來的定位網(wǎng)絡(luò)。定位網(wǎng)絡(luò)通過接收機車蓋精準定位，同時將定位信息上傳至上位機（監(jiān)控中心）和下發(fā)給下位機（機車），實現(xiàn)車速度、位置等信息的共享。

4.2 路況識別

機車控制中心通過安設(shè)在機車上的礦用防爆錄像機接收路況信息，同時根據(jù)機車定位車信息與預(yù)存數(shù)據(jù)庫進行信息查表比對，進而實現(xiàn)機車控制中心對路況的識別。同時機車在運行過程中，根據(jù)錄像機采集的路況和機車定位信息對路況數(shù)據(jù)進行不斷更新，實現(xiàn)礦井機車無人駕駛控制系統(tǒng)自診斷自適應(yīng)功能。

4.3 機車速度控制

系統(tǒng)運行初期，通過對軌道路況進行實際測量和采樣，根據(jù)測量采樣信息建立位置速度對照表和路況-速度對照表。根據(jù)實際情況設(shè)定巷道具體位置對應(yīng)機車設(shè)計速度以及根據(jù)具體路況對應(yīng)機車設(shè)計速度，最終形成相應(yīng)初始數(shù)據(jù)庫。機車運行時，根據(jù)機車位置信息從數(shù)據(jù)庫內(nèi)查找對應(yīng)速度，并通過機車電機驅(qū)動裝置控制機車以設(shè)定速度運行。同時，機車通過車載礦用防爆攝像機不斷采集路況信息，對應(yīng)查找路況-速度數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對機車速度的調(diào)校和糾偏。機車正常運行后，機車每運行一個周期都會對系統(tǒng)信息根據(jù)實際情況進行優(yōu)化，并對數(shù)據(jù)庫進行更新，實現(xiàn)控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的功能。

5 道岔轉(zhuǎn)轍機控制及煤倉自動注煤控制

5.1 道岔轉(zhuǎn)轍機控制

井巷機車運輸過程中，根據(jù)井田設(shè)計一個水平會設(shè)計多個石門。根據(jù)生產(chǎn)需要會在石門處設(shè)立臨時儲煤倉，每個石門會設(shè)置石門道岔，用于機車進入石門儲煤倉后將生產(chǎn)原煤運出。機車通過各石門道岔是進入石門還是繼續(xù)前行是通過石門轉(zhuǎn)轍機來實現(xiàn)，常規(guī)生產(chǎn)礦井石門道岔是通過人工實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機的工作。礦井機車無人駕駛系統(tǒng)可以通過對機車設(shè)置終點石門，終點石門設(shè)置好后，機車在運行至距該石門一定距離時，轉(zhuǎn)轍機將自動轉(zhuǎn)向石門方向，待機車全部進入石門后轉(zhuǎn)轍機將自動復(fù)位，進而實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍機的自動控制。

5.2 煤倉自動注煤控制

機車進入石門通過煤倉時需將煤倉內(nèi)的原煤運走，常規(guī)礦井是通過人工控制煤倉閘板將原煤注入每節(jié)礦車內(nèi)。為實現(xiàn)煤倉無人值守，可以通過在煤倉巷幫內(nèi)安裝激光傳感器來準確判斷機車位置，進而實現(xiàn)煤倉自動注煤。

6 結(jié) 語

基于西山煤電集團西曲礦機電運輸管理存在的問題，設(shè)計了一種基于無線局域網(wǎng)的礦井機車無人駕駛系統(tǒng)，提高了工業(yè)自動化水平，利于實現(xiàn)礦井開采自動化和智能化。