張志勇，陳 闖，張立偉，馬繼偉，張玉林，鄧小軍，郭大偉

（1.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司南露天煤礦，內(nèi)蒙古 通遼 029200；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030020）

1 傳統(tǒng)模式下電鏟存在的問(wèn)題

電鏟作為露天礦常用的挖裝設(shè)備，用于露天礦山進(jìn)行剝離或采掘等工作，是露天礦山間斷和半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其綜合性能直接決定著整個(gè)礦山開采的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)模式主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)操作，工作環(huán)境存在現(xiàn)場(chǎng)溫差大、高粉塵，設(shè)備沖擊負(fù)荷、震動(dòng)、顛簸強(qiáng)烈。同時(shí)，電鏟本體存在體積大、操作難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作易疲勞等問(wèn)題[1-2]。從作業(yè)、人機(jī)交互、節(jié)能環(huán)保、成本、安全生產(chǎn)等方面采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說(shuō)明，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)操控模式的影響因素

2 電鏟傳統(tǒng)模式操控存在的問(wèn)題

2.1 電鏟傳統(tǒng)模式操控的危險(xiǎn)

從駕駛員、電鏟設(shè)備本體、配合的裝卸車輛等方面進(jìn)行具體舉例說(shuō)明。

1）一旦發(fā)生車體傾覆，威脅司機(jī)的生命安全。電鏟最大爬坡角度一般不超過(guò)15°，實(shí)際裝載作業(yè)時(shí)不能超過(guò)4°，在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，司機(jī)一旦沒(méi)有按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，沒(méi)能及時(shí)調(diào)整電鏟的姿態(tài)，或操作過(guò)程中發(fā)生設(shè)備故障等問(wèn)題導(dǎo)致車體傾覆，威脅司機(jī)的人身生命安全。

2）視覺(jué)盲區(qū)導(dǎo)致的磕碰事故、人員誤傷。大型礦用電鏟的盲區(qū)是指操作人員的視線看不到的設(shè)備工作運(yùn)動(dòng)涉及的空間區(qū)域。盲區(qū)存在的主要原因是設(shè)備體量過(guò)大和駕駛室布局狹窄。體積過(guò)大，駕駛員無(wú)法實(shí)時(shí)掌握后方及側(cè)方的視野及回轉(zhuǎn)半徑，一方面生產(chǎn)過(guò)程中容易與裝載設(shè)備發(fā)生磕碰，另一方面對(duì)附近的人員產(chǎn)生安全威脅。

3）作業(yè)時(shí)電鏟與礦卡的碰撞。電鏟在施工過(guò)程中，尤其是裝車環(huán)節(jié)，空間高頻率大角度旋轉(zhuǎn)，很容易因?yàn)橐曇胺秶芟藁驒C(jī)手操作失誤等原因，無(wú)法瞄準(zhǔn)地點(diǎn)、碰撞卡車、卸料時(shí)誤砸卡車，甚至還可能出現(xiàn)人員傷亡等嚴(yán)重事故。所以，在設(shè)備作業(yè)期間，需要對(duì)工作裝置移動(dòng)范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行判斷與規(guī)避，防止碰撞以及可能造成人員受傷、設(shè)備損壞以及自機(jī)損傷等問(wèn)題[3]。

4）容易產(chǎn)生駕駛疲勞，誤操作等威脅安全生產(chǎn)。當(dāng)任務(wù)緊張，開采作業(yè)量較大，需要人員加班加點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，因疲勞而導(dǎo)致反應(yīng)遲鈍或判斷力下降、操作失誤增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)車輛失去控制，造成事故的發(fā)生。同時(shí)，電鏟在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)中，也會(huì)造成疲勞，不僅影響機(jī)械性能，還會(huì)造成嚴(yán)重事故，見圖2。

圖2 疲勞駕駛的表現(xiàn)及危害

5）電鏟的斗齒掉落問(wèn)題導(dǎo)致粉碎機(jī)破壞。電鏟鏟斗的斗齒在工作時(shí)因受到礦石物料較大的反作用力而容易發(fā)生脫落現(xiàn)象，操作者很難第一時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)鏟斗的斗齒掉落，并且時(shí)刻關(guān)注設(shè)備斗齒情況，會(huì)分散操作者的注意力，降低生產(chǎn)作業(yè)效率。裝車結(jié)束后，裝有掉落斗齒的車將其運(yùn)送到下一流程，進(jìn)行破篩，因斗齒材質(zhì)、硬度等方面都與礦石等土料有差異，脫落的斗齒連同礦石物料一同進(jìn)入碎石機(jī)中會(huì)導(dǎo)致碎石機(jī)損壞，進(jìn)而引發(fā)整條采掘—破碎生產(chǎn)線的停工，給礦山造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 電鏟遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以霍林河南露天煤礦的電鏟遠(yuǎn)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由電鏟本地端圖像聲音采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程端的圖像聲音重現(xiàn)系統(tǒng)、通訊模塊接入（5G/4G/WIFI）、控制操作臺(tái)及整套控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電鏟操作臺(tái)采用仿真駕駛室的結(jié)構(gòu)，操作方式與實(shí)際在挖掘機(jī)中操作類似，操作者可快速適應(yīng)遠(yuǎn)程操作模式。同時(shí)，操作臺(tái)通過(guò)多路顯示屏，傳輸現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息，在遠(yuǎn)程操作過(guò)程中，司機(jī)面向的2D 電子屏幕需要提供全面的場(chǎng)景覆蓋的同時(shí)，也需要通過(guò)各類傳感器合理的布局，為遠(yuǎn)程操作手傳遞充足且條理清晰的現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，以及車體傾斜角度等物理傳感數(shù)據(jù)。

其實(shí)景顯示屏系統(tǒng)采用6 塊顯示器進(jìn)行顯示，能同時(shí)觀察A 型架（自動(dòng)彈窗行人識(shí)別）、左視，主視角采用圖像拼接技術(shù)由中間上下兩塊顯示屏構(gòu)成，支持主視角下切屏到鏟和地面的切角，司機(jī)室（天輪視角、樓梯后視）、右視等，彈窗可通過(guò)操作員按下手柄按鍵彈出畫面，操作員松開按鍵，畫面收回。

6 塊顯示屏能夠完整呈現(xiàn)鏟斗運(yùn)行狀態(tài)以及工作面情況，消除電鏟四周盲區(qū)，清晰顯示電鏟外部四周情況；顯示內(nèi)部主要位置運(yùn)行情況；顯示電鏟行走狀態(tài)以及尾部電纜狀態(tài)；完整顯示卡車位置等。

3.2 遠(yuǎn)控系統(tǒng)的多項(xiàng)智能化功能

1）車態(tài)感知功能。系統(tǒng)采用傾角傳感器來(lái)測(cè)量角度，該傳感器集成多種傳感芯片和處理芯片，可以采集處理多個(gè)姿態(tài)信息。傳感器內(nèi)置濾波算法，有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度，快速計(jì)算當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，反饋設(shè)備傾斜情況。在無(wú)干擾的情況下，水平方向測(cè)量誤差在0.05°之內(nèi)，垂直方向測(cè)量誤差在1°之內(nèi)。儀表盤展示電鏟車體的傾斜角度，該儀表盤既具備圖像指示的交互方式，又清晰明確地標(biāo)注傾角數(shù)據(jù)，有效提示駕駛員目前電鏟的實(shí)際傾斜狀態(tài)，從而規(guī)避左右側(cè)翻、前后傾覆的危險(xiǎn)。當(dāng)傾斜角度大于等于3°時(shí)，主顯示屏邊框發(fā)出持續(xù)警告，提示遠(yuǎn)程操作手盡快處理。此功能能夠有效減少側(cè)翻、跌落等工程機(jī)械成本的損耗和現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)公關(guān)的成本支出，見圖3。

圖3 傾角儀狀態(tài)顯示

2）行人識(shí)別功能。本系統(tǒng)通過(guò)AI 引擎，使得設(shè)備具備車尾行人識(shí)別功能。車身后方安裝有車尾攝像頭，可以看到設(shè)備后方的全景圖像。常規(guī)情況下，操作員的屏幕不顯示后視視角。當(dāng)有人員或其他設(shè)備出現(xiàn)在設(shè)備后方時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)追蹤檢測(cè)到目標(biāo)對(duì)象，并將后視圖以彈窗的形式展示到主屏幕上，并將人員和設(shè)備用紅色線框標(biāo)注，使得提示作用更為明顯。此功能通過(guò)人工智能的方式，掃除了操作手的視覺(jué)盲區(qū)，能夠規(guī)避施工現(xiàn)場(chǎng)的最大安全隱患，大幅降低了工程和施工方的安全成本和運(yùn)營(yíng)成本。該功能既能及時(shí)識(shí)別人員，提醒司機(jī)注意保護(hù)，又能保證顯示畫面井然有序不雜亂，盡量不分散司機(jī)注意力，在安全可用的基礎(chǔ)上，保障了遠(yuǎn)程作業(yè)的工作效率。

3）避障控制功能。本系統(tǒng)研發(fā)了定點(diǎn)卸料功能，遠(yuǎn)程操作手可以通過(guò)手柄上的“記錄當(dāng)前位置”按鍵，記錄下當(dāng)前鏟斗，大臂和轉(zhuǎn)臺(tái)的傳感器角度值，在作業(yè)臂運(yùn)動(dòng)到任意其他位置后，可以使用“復(fù)位”鍵。這時(shí)會(huì)通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)的變化自動(dòng)計(jì)算出一條軌跡回到記錄位置，完成卸料點(diǎn)的定位。該功能可以避免操作手因系統(tǒng)延遲、網(wǎng)絡(luò)卡頓、2D 屏幕無(wú)法判斷3D 景深的遠(yuǎn)程控制無(wú)法避免的一系列問(wèn)題，造成的誤傷卡車等事故，同時(shí)能夠極大的提高遠(yuǎn)程裝車效率。除此之外，為了防止自動(dòng)復(fù)位時(shí)意外的發(fā)生，操作手執(zhí)行抬起大臂操作會(huì)終止自動(dòng)復(fù)位；為了方便操作手自動(dòng)復(fù)位和卸料的流暢性，挖斗向外翻的操作也會(huì)終止自動(dòng)復(fù)位；如果檢測(cè)到電鏟履帶移動(dòng)，軌跡規(guī)劃會(huì)受到影響，這時(shí)會(huì)清除已記錄的位置信息。

4）信號(hào)心跳監(jiān)測(cè)制動(dòng)功能。本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程終端與智能控制系統(tǒng)之間，設(shè)計(jì)一套完整的信號(hào)心跳監(jiān)測(cè)機(jī)制，流程如下頁(yè)圖4 所示。當(dāng)遠(yuǎn)程終端的指令與智能控制系統(tǒng)的指令不能同步，差值超過(guò)500 ms時(shí)，智能控制系統(tǒng)立即停止電鏟的動(dòng)作指令。待二者同步后，智能控制系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)電鏟的動(dòng)作指令輸出。除此之外，智能控制系統(tǒng)與控制器之間，有命令檢測(cè)機(jī)制，如果智能控制系統(tǒng)無(wú)法成功的向控制器發(fā)送指令，則控制器立即停止電鏟的動(dòng)作，待二者之間可正常收發(fā)指令后，控制器恢復(fù)電鏟的動(dòng)作輸出。該功能有效保障電鏟的動(dòng)作執(zhí)行結(jié)果符合預(yù)計(jì)。

圖4 信號(hào)心跳檢測(cè)機(jī)制

5）設(shè)備端和操作臺(tái)均部署了應(yīng)用層“密碼登錄”功能。本系統(tǒng)特別添加了密碼登錄界面，除了防止非法觸動(dòng)，還可通過(guò)選擇受控設(shè)備編號(hào)，登錄不同房間，輸入密碼后，操作相應(yīng)的遠(yuǎn)程遙控設(shè)備。只有知道密碼的人才能安全登錄，其他“非法”人員則無(wú)法觸動(dòng)機(jī)器，借此最大程度保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)器安全運(yùn)作[3]。

6）緊急制動(dòng)功能。為響應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，解決實(shí)際需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種緊急制動(dòng)功能：遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)和本地緊急制動(dòng)。并且，遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)與本地緊急制動(dòng)均為獨(dú)立功能，只有二者均解除，電鏟才可以正常動(dòng)作。遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)。遠(yuǎn)程終端中包含1 個(gè)緊急制動(dòng)按鈕，緊急制動(dòng)按鈕為自鎖式按鈕，當(dāng)需要執(zhí)行緊急制動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)程操作人員按下緊急按鈕后，電鏟的所有動(dòng)作停止輸出，同時(shí)直接切斷挖機(jī)總電源，并熄火電鏟。該功能可遠(yuǎn)程進(jìn)行制動(dòng)，防止誤操作，也可以在發(fā)生意外時(shí)，緊急剎停電鏟操作，充分保證遠(yuǎn)程操作安全性。如需要解除緊急制動(dòng)，需重新啟動(dòng)設(shè)備。本地緊急制動(dòng)。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有獨(dú)立的緊急制動(dòng)開關(guān)，此開關(guān)為遙控式開關(guān)。開關(guān)采用315 m 長(zhǎng)波通信，不與現(xiàn)有通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員需要在電鏟內(nèi)或電鏟作業(yè)范圍內(nèi)工作時(shí)，可以按下鎖定按鈕，位于車上的接收單元收到信號(hào)后會(huì)強(qiáng)行切斷驅(qū)動(dòng)控制板卡電源，執(zhí)行緊急制動(dòng)，電鏟的所有動(dòng)作停止輸出。如需要解除緊急制動(dòng)，需重新啟動(dòng)設(shè)備。該功能賦予現(xiàn)場(chǎng)安全人員管理設(shè)備的權(quán)利，既可以在意外發(fā)生時(shí)剎停設(shè)備，也可以在現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行接管時(shí)確?，F(xiàn)場(chǎng)人員的安全[3]。

7）斗齒識(shí)別功能。智能斗齒識(shí)別系統(tǒng)可以監(jiān)控鏟斗斗齒的磨損情況和是否掉落[4]，首先利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)使得計(jì)算機(jī)能夠在畫面中定位出需要關(guān)注的位置，即斗齒部分，將這部分信息和其他信息獨(dú)立開來(lái)，見圖5。再使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)技術(shù)，利用級(jí)聯(lián)分類器，計(jì)算列均值和減去基線等方法，將二維圖像轉(zhuǎn)化成一維向量，從而判斷斷定是否有斗齒磨損或缺失。斗齒識(shí)別功能會(huì)一直在后臺(tái)運(yùn)行，一旦發(fā)現(xiàn)斗齒磨損或缺失，則會(huì)在屏幕上顯示出斗齒損壞的信息和缺失的個(gè)數(shù)，操作者再與現(xiàn)場(chǎng)施工人員溝通，有效降低異常停機(jī)率，減少破篩設(shè)備損壞。

圖5 斗齒狀態(tài)識(shí)別

4 結(jié)論

近年來(lái)，隨著國(guó)家推出智慧礦山等政策的助力以及5G 無(wú)線通訊設(shè)施在露天礦山的鋪設(shè)，電鏟智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)將逐步替代傳統(tǒng)作業(yè)模式，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循可靠性、可擴(kuò)展性、高效性等多維度原則，擁有信號(hào)心跳監(jiān)測(cè)制動(dòng)、車態(tài)感知、緊急制動(dòng)、密碼登錄、行人識(shí)別、避障控制、斗齒識(shí)別等功能可確保遠(yuǎn)程遙控駕駛系統(tǒng)安全可靠，實(shí)用性強(qiáng)，既可保障作業(yè)安全，又可提高作業(yè)效率。

在未來(lái)，隨著政策的推動(dòng)和科技的進(jìn)步，遠(yuǎn)程無(wú)人駕駛智能設(shè)備會(huì)逐漸成為主流?？萍歼M(jìn)步并非代替人工，而是保護(hù)個(gè)體。在科技的加持下，施工可以兼顧效率與安全，真正做到無(wú)事故、無(wú)重復(fù)勞動(dòng)、無(wú)低效產(chǎn)能。