銅陵有色金屬集團有限公司冬瓜山銅礦 安徽銅陵 244031

無人視駕頻駛監(jiān)電控機系車統(tǒng)運為輸輔系助統(tǒng)，是采以用通列信控網(wǎng)技絡(luò)術(shù)為、平信臺集，閉技術(shù)、視頻和圖像處理技術(shù)的一項綜合性技術(shù)[1]。實現(xiàn)井下電機車的遠程無人駕駛，不僅可以改善工人的勞動環(huán)境，減少運輸環(huán)節(jié)作業(yè)人員，提高運輸效率，還可為安全生產(chǎn)提供保障，同時為實現(xiàn)智能化礦山打下良好的基礎(chǔ)。2011 年，銅陵有色冬瓜山銅礦與中國恩菲工程技術(shù)有限公司開展了《地下礦無人駕駛電機車運輸》的課題研究工作，進行了井下無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)技術(shù)試驗、應(yīng)用和優(yōu)化，經(jīng)過多年的研究試驗，形成了前后電機車雙機牽引、前后機車無線通信、裝載站遠程遙控和信集閉機車調(diào)度等多功能于一體的雙機牽引無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)。

1 雙機牽引無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)組成

運輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。2019 年 9 月，該雙機牽引無人駕駛電機車運輸控制系統(tǒng)在銅陵有色冬瓜山銅礦 -1 000 m 運輸中段投入生產(chǎn)試運行，達到設(shè)計運輸能力。運輸牽引設(shè)備為變頻電機車，前后雙機牽引，每列編組由 12 輛 10 m3底側(cè)卸式礦車組成，編組總長 80 m，溜井下設(shè)置XZG3000*1800 型懸吊式振動給礦機。該系統(tǒng)由無人駕駛電機車及控制系統(tǒng)、巷道有線和無線通信系統(tǒng)、裝載站控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)轍機控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、牽引變電所和滑觸線供電監(jiān)控設(shè)備等組成，同時兼顧今后智能化礦山建設(shè)需求，為地下無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)用積累了一些經(jīng)驗和思考。

圖1 無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of driverless electric locomotive transportation system

2 無人駕駛的運行條件

(1) 礦山放礦溜井不能含有較多的水、泥礦和大粒度礦塊，因為這些可能造成放礦時礦石流量難以控制，而發(fā)生跑礦和漏井卡塞現(xiàn)象。

(2) 無人運輸作業(yè)區(qū)域應(yīng)相對封閉，便于管理，避免無關(guān)車輛和人員隨意進入作業(yè)區(qū)域。

(3) 運輸軌道和滑觸線敷設(shè)需規(guī)范，列車運行需平穩(wěn)。

3 電機車牽引方式的選擇

目前國內(nèi)外無人駕駛電機車牽引方式有單機車牽引方式和雙機車牽引 2 種。單機車牽引裝卸載方式又包括有動力源卸載站和無動力源卸載站。單機牽引因在裝載和卸載時無動力源只能依靠機車本身慣性運行，此時電機車為失控狀態(tài)；而有些礦山采用有動力源卸載站或在裝卸載時采用機車側(cè)向位受電等方式，但其投資較大，維護困難，安全管理難度大。因此，冬瓜山銅礦摒棄單機牽引方式，采用前后雙機牽引方式。

4 電機車調(diào)速形式選擇

地下軌道運輸以電機車作為牽引設(shè)備，調(diào)速形式包括電阻調(diào)速、斬波調(diào)速和變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是一項成熟技術(shù)，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而無人駕駛電機車因沒有司機隨車操作，不能根據(jù)實際生產(chǎn)和環(huán)境條件的變化實時調(diào)整電機車的運行狀態(tài)，特別是在電機車減速和停車階段，因此精確可靠的控制是保證電機車運行安全的前提。在目前電機車驅(qū)動方式中，變頻調(diào)速啟動性能好、調(diào)速穩(wěn)定、制動安全可靠，相對更能滿足此要求[2]，故選擇變頻驅(qū)動方案用于無人駕駛系統(tǒng)較為合適。

5 無人駕駛運輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

無人駕駛運輸系統(tǒng)主要包括電機車控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、裝載站控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)轍機、門禁等輔助控制系統(tǒng)。

5.1 電機車控制系統(tǒng)

無人駕駛電機車控制系統(tǒng)是無人運輸系統(tǒng)的“大腦”，保證指令的及時傳遞和準(zhǔn)確執(zhí)行，其直接影響列車的運行和安全。無人駕駛電機車控制應(yīng)具備 3 種控制方式[1]：

(1) 遠程遙控方式 電機車按指令自動運行或操作員在集控室對編組進行遠程實時控制。

(2) 人工控制方式 由電機車司機隨車操作發(fā)出控制指令，控制整列編組。前、后車通過無線通信實現(xiàn)同步運行，用于生產(chǎn)前檢查運輸線路、生產(chǎn)區(qū)域狀況和設(shè)備運行狀態(tài)。

(3) 檢修控制方式 2 臺機車可獨立運行，前后電機車無相互控制關(guān)系，用于設(shè)備檢修、故障車輛入庫和編組的調(diào)配。

5.1.1 電機車須具備的主要控制功能

無人駕駛運輸因無人隨車操控，操作人員在地表或井口集控室遠程遙控完成礦石運輸作業(yè)。如果電機車運行完全依靠人工遠程遙控，不僅增加了操作人員的勞動強度，降低了作業(yè)效率，更無法確保電機車運輸作業(yè)過程的安全性。因此電機車必須具備智能控制系統(tǒng)并按指令要求自動運行，這樣不僅可以減輕操作人員的勞動強度，更使得無人運輸電機車更加安全、高效[1]。電機車控制必須具備以下主要功能。

美日藥物臨床試驗中重大利益沖突的界定和管理探討及對我國的啟示 …………………………………… 蘇 嫻等（17）：2333

(1) 自動運行 電機車接收到集控室指令后，按照設(shè)定的程序自動運行，在直道、彎道、道岔和裝卸載時自動調(diào)整到合理的行駛速度。采用新研發(fā)的抗振、防潮的高精度位移傳感器，精確測量電機車的行駛距離和實時速度。通過對電機車位移的精確測量，并配合設(shè)定的定點位置檢測裝置實現(xiàn)對電機車定點和區(qū)段的速度、加速、減速、集電弓升降、鳴笛的可靠控制。井下多編組運行時，電機車可根據(jù)整體運輸線路情況自動調(diào)整運行參數(shù)，避免與前方機車碰撞，同時自動選擇安全進出穿脈的時機，提高運輸能力。

(2) 電機車同步控制 一列編組通過在前后 2臺電機車的無線通信設(shè)備實現(xiàn)雙機聯(lián)動，替代傳統(tǒng)的同軸電纜。電機車控制系統(tǒng)以前車為控制中心，對整個編組發(fā)出控制指令，實現(xiàn)前后電機車同步前進、后退、調(diào)速、制動及駐車等功能。電機車運行時，通過優(yōu)化軟件實現(xiàn)前車和后車輸出功率自動調(diào)整，使前后電機車輸出功率基本相同[1]，加大了編組的整體牽引力，提高了編組的安全性能和運輸能力。

(3) 電機車與集控室通信功能 電機車控制系統(tǒng)設(shè)有 2 條冗余配置的無線通信系統(tǒng)，確保電機車、巷道和集控室間的無線通信。通過 2 套通信系統(tǒng)自動無縫切換，實現(xiàn)集控室對電機車和相關(guān)設(shè)備運行的監(jiān)控，實時將電機車和各設(shè)備狀態(tài)發(fā)送到集控室。同時電機車上安裝攝像機，實時監(jiān)控電機車運行狀態(tài)和運輸線路狀況，實現(xiàn)運輸作業(yè)全過程監(jiān)控，確保安全運行。

(4) 電機車事故處理 電機車出現(xiàn)故障時，及時向集控室報警并自動減速停車，集控室人員遙控編組退出運輸線路，避免占道影響生產(chǎn)[1]，保證運輸系統(tǒng)的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性。

5.1.2 電機車須具備的主要保護功能

井下實際作業(yè)環(huán)境的高振動、高溫、高濕及高粉塵等因素對電機車運輸系統(tǒng)的安全可靠運行影響較大。無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)因無人隨車操控，操作人員在地表或井口集控室遠程遙控，一旦發(fā)生電機車失控或設(shè)備故障，對安全生產(chǎn)可能造成極大的影響，因此對無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)的自我診斷、故障反饋和安全保護尤為重要。電機車控制系統(tǒng)必須具備以下主要保護功能。

(1) 電機車通信失聯(lián)保護 當(dāng)編組失聯(lián)超過 3 s，電機車應(yīng)自動停止運行并采取停車措施，同時電機車控制系統(tǒng)中具備運行記憶功能，編組運行時又有一定的安全間距，避免了編組間發(fā)生碰撞事故。

(2) 電機車位置保護功能 為保證無人駕駛電機車安全可靠地運行，運輸線路的道岔、裝礦點、卸礦站等處配置定點位置檢測裝置。電機車每次運行都應(yīng)與指定的定點位置進行同步，以消除電機車運行中的累積誤差，保證編組位置的準(zhǔn)確性，確保電機車與位置有關(guān)的控制功能的可靠執(zhí)行。特別是當(dāng)電機車接近特定位置時 (如主、副井口)，通過定點位置檢測裝置發(fā)出接近位置極限信號，電機車立即實施制動，避免機車墜井事故的發(fā)生。

(3) 防碰撞保護 對于同一線路多編組運行電機車，通過信集閉預(yù)占道和電機車定位功能實時反饋，結(jié)合各編組運行速度、運行方向，列控系統(tǒng)可發(fā)出加減速或停車指令，防止發(fā)生追尾和碰撞事故。

(4) 電機車減速、制動、制動失效保護 檢測電機車在減速、制動、停車狀態(tài)下的速度和減速度，及時發(fā)現(xiàn)調(diào)速、制動失效，并采取緊急停車措施，確保機車的安全。特別是對于電機車駐車時出現(xiàn)的溜車情況，控制單元迅速診斷電機車移動狀態(tài)，并實施緊急停車。

(5) 電機車脫軌保護功能 電機車脫軌是無人駕駛電機車運行中的嚴(yán)重事故，如果不能發(fā)現(xiàn)或者發(fā)現(xiàn)不及時，可能造成整個運輸中段的生產(chǎn)停頓。通過檢測電機車運行狀態(tài)，控制系統(tǒng)對位置、速度等參數(shù)的分析，以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)電機車脫軌，防止事故的擴大。

5.2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是無人駕駛的“中樞神經(jīng)”，需及時、有效、可靠地傳遞指令。其同樣直接影響列車的運行和安全。

無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)有兩路無線通信[1]。一路是前、后電機車通信，實現(xiàn) 2 臺電機車的同步控制。采用 2 套互為冗余的無線通信系統(tǒng)，確保 2 臺電機車控制數(shù)據(jù)傳輸可靠。另一路是巷道通信，巷道沿途布置通信網(wǎng)絡(luò)基站，以通信基站為節(jié)點，通過有線或無線的形式將電機車、裝載站、轉(zhuǎn)轍機、分段開關(guān)等控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)拈]環(huán)控制。為確保電機車、裝載站、轉(zhuǎn)轍機等與集控室之間的網(wǎng)絡(luò)通信可靠，各子系統(tǒng)通過各子系統(tǒng)無線發(fā)射接收裝置將運行數(shù)據(jù)實時傳送到集控室[3]，同時把集控室的指令發(fā)送給各設(shè)備。各設(shè)備與巷道干線通信網(wǎng)絡(luò)配置兩套互為冗余的通信系統(tǒng)，同時整個運輸區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)無線通信信號全覆蓋，避免出現(xiàn)通信死角[4]。冬瓜山銅礦采用無線工業(yè)以太網(wǎng)和總線通信互為冗余的通信形式。

對冬瓜山銅礦 -1 000 m 中段無線通信的實地測試表明，井下運礦編組的運行對無線通信影響非常明顯。在機車運行的巷道，無線通信有效截面相比空巷道減小近以上，通信距離縮短為空巷道的巷道斷面對通信距離影響也非常大。經(jīng)實地測定 12 m2巷道斷面，直線空巷道通信距離約為 150 m，彎道通信距離則更短。冬瓜山銅礦 -1 000 m 主運輸巷道通信系統(tǒng)沿途直線巷道按間距 50 m 布置通信網(wǎng)絡(luò)基站，彎道按間距 25 m 布置基站，每個基站采用獨立隔離電源供電模式并配置 UPS 電源，減少斷電事故。

5.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)遠程遙控裝礦和電機車運行的安全、可靠、可視化、實時性的要求，采用高清數(shù)字?jǐn)z像機采集圖像，通過光端機和光纜實現(xiàn)圖像信號的傳輸。攝像機布置在電機車前后端、裝載站、卸載站、轉(zhuǎn)轍機、牽引變電所及門禁處?？紤]到生產(chǎn)的需要，對畫面實時性要求較高，采用 1080P 網(wǎng)絡(luò)高清攝像機，以滿足現(xiàn)場對實時性和畫質(zhì)的要求。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，采用光纖傳輸，配合網(wǎng)絡(luò)高清光端機進行視頻數(shù)據(jù)傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備一段時間的錄像回放功能。在集控室布置電視墻，用于實時顯示電機車運行狀態(tài)，裝載站、卸載站和卸載坑料位，電機車位置、占用區(qū)段以及巷道模擬，并根據(jù)需求通過網(wǎng)絡(luò)將信號傳輸?shù)降乇怼?/p>

5.4 裝載站控制系統(tǒng)

在無人駕駛運輸環(huán)節(jié)中，影響裝載站自動裝礦的因素較多，如礦石塊度、料位高度、溜井含水量以及含泥量等。礦石流量、放礦速度難以均衡穩(wěn)定，要實現(xiàn)自動裝礦，難度和投入成本較大。因此，冬瓜山銅礦采用集控室遙控電機車編組運行至合適的裝礦位置，并利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)人工遠程遙控裝礦。裝礦站需具備以下 3 種控制方式。

(1) 遠程遙控方式 用于設(shè)備正常運行，接受集控室遠程遙控。

(2) 就地控制方式 用于設(shè)備就地操作，不接受遠程控制。

(3) 檢修控制方式 用于機械和電氣設(shè)備檢修。

這 3 種控制方式的優(yōu)先權(quán)為：檢修控制方式 ＞ 就地控制方式 ＞ 遠程遙控方式。

集控室通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與各裝載站的遠程子站實現(xiàn)通信。操作人員通過各裝載站的遠程子站在集控室對裝載站進行控制。

5.5 轉(zhuǎn)轍機、門禁等輔助控制系統(tǒng)

(1) 轉(zhuǎn)轍機控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)轍機采用就地和遠程兩種控制方式。集控室發(fā)出指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機遠程控制，完成運輸線路的調(diào)度和各個編組運行線路的控制。轉(zhuǎn)轍機采用分布式控制結(jié)構(gòu)，在地下總線網(wǎng)絡(luò)上掛接遠程子站，完成對各個轉(zhuǎn)轍機的控制和信號采集工作。轉(zhuǎn)轍機采用電動驅(qū)動方式，通過動作節(jié)點反饋信號，提供給集控室控制系統(tǒng)?？紤]到電機車的安全，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機發(fā)生故障或反饋信號不準(zhǔn)確而造成列車編組運行線路錯誤時，電機車自動診斷出運行線路錯誤，自動停止運行并發(fā)出報警。考慮到在發(fā)生設(shè)備故障和設(shè)備檢修時，控制系統(tǒng)設(shè)有就地人工控制方式。

(2) 門禁系統(tǒng) 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定：14 t 以上大型電機車 (或雙機) 牽引運輸，列車制動距離不超過 80 m。因井下巷道實際環(huán)境所限，無關(guān)人員和車輛在 80 m 外難以被電機車上的攝像機及時發(fā)現(xiàn)。另人員走動沒有規(guī)律，加上巷道狹窄，使得防撞人判斷困難。同時電機車本身十分緊湊，加裝防撞檢測設(shè)備的位置也存在較大困難。因此設(shè)置安全門并結(jié)合視頻監(jiān)控構(gòu)建門禁系統(tǒng)，禁止無關(guān)車輛和人員進入運輸區(qū)域更為切合實際。同時也可結(jié)合“礦山六大系統(tǒng)”中的人員定位系統(tǒng)，以確保無人運輸作業(yè)區(qū)域內(nèi)沒有無關(guān)人員進入。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

自 2019 年 9 月冬瓜山銅礦 -1 000 m 中段有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)投入生產(chǎn)以來，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)場高溫、高濕、高粉塵、頻繁振動的惡劣環(huán)境，各項運行指標(biāo)均達到要求，最高運輸能力達 1 萬勞動定員減少 54.5%，有效運行時間和生產(chǎn)能力提升 20%以上，節(jié)能 10.5%，超過預(yù)期目標(biāo)，極大提升了生產(chǎn)效率，減少了勞動定員和勞動強度。

7 結(jié)語

隨著我國金屬礦山從淺部開采逐步走向了深井開采，帶來開采成本和安全風(fēng)險的增加，工作環(huán)境的惡劣，在新的開采條件下，傳統(tǒng)的設(shè)備和安全管理理念已不能適應(yīng)當(dāng)前安全生產(chǎn)需要，無人駕駛電機車運輸遂成為新時代下機械化、自動化、智能化地下礦山發(fā)展的必然趨勢。冬瓜山銅礦經(jīng)過長期實踐，總結(jié)出了無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)應(yīng)具備的條件和注意事項，探究無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)在地下礦運輸中的具體應(yīng)用，為其他地下礦山采用無人駕駛電機車運輸提供了參考。