童 春

安徽銅冠(廬江)礦業(yè)有限公司 安徽合肥 231563

無人駕駛是車子脫離了駕駛員，能夠自動完成駕駛員所做的各項事情，它需要運用各種技術(shù)手段相結(jié)合來完成機器對人工的替代，現(xiàn)階段“無人”分為兩種，一種為遠程遙控操作，另一種則是利用系統(tǒng)編程實現(xiàn)完全無人駕駛。本文設(shè)計的電機車無人駕駛系統(tǒng)就是利用智能系統(tǒng)連接駕駛室，完全代替人工進行運輸作業(yè)。例如，通過安裝感應(yīng)器等了解電機車路況行駛信息、行駛位置以及是否有障礙物等信息；采用強大的算法系統(tǒng)，通過收集電機車從停車點到放礦漏斗再到礦倉放卸礦的工作過程建立其運行模擬控制系統(tǒng)，使得電機車能夠根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的信號完成定點停車、定點啟動、定點加速、定點轉(zhuǎn)向等動作。工人僅僅需要在調(diào)度室內(nèi)通過大屏幕實時檢測電機車的運行狀態(tài)及各個參數(shù)，這進一步提高了安全運輸?shù)男阅堋?/p>

一、井下電機車無人駕駛系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

隨著社會的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)逐漸應(yīng)用到井下采礦中來，從井下遙控鏟運機出礦到遠距離遙控出礦，再到井下運輸系統(tǒng)運輸?shù)闹悄芑?，井下采礦無人化的實現(xiàn)不再是空談。隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，井下無人駕駛技術(shù)越來越成熟，將人工智能技術(shù)、自動定位技術(shù)、傳感避障技術(shù)以及自動控制系統(tǒng)等技術(shù)結(jié)合起來，在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)井下的無人作業(yè)。尤其是井下無軌運輸系統(tǒng)，通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集分析，利用先進系統(tǒng)，完全可以實現(xiàn)運輸?shù)臒o人化作業(yè)。減少井下人工成本，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。

二、沙溪銅礦的工作現(xiàn)狀

沙溪銅礦采用地下方式開采，主要分為10個大中段，分別是-160m中段、-290m中段、-410m中段、-530m中段、-650m中段、-770m中段、-800m中段、-850m中段、-910m中段以及-970m中段，其中自地表-160m中段到井下-770m中段為出礦中段，-800m中段為環(huán)形礦體的主要階段運輸水平，承擔(dān)著整個礦山礦廢石的運輸，而-850m中段到-970m中段則為破碎提升中段。-800m運輸巷道采用沿、穿脈環(huán)形運輸，礦石運輸系統(tǒng)采用斜井—皮帶運輸，其主要過程是：采場礦石爆破進入出礦采場→電動鏟運機回采出礦→采區(qū)溜井→-800m中段環(huán)形運輸系統(tǒng)震動放礦機→CJY20/9GP架線式雙機牽引電機車牽引20立方米側(cè)卸式電機車→礦石倉→-850m中段破碎系統(tǒng)→-910m皮帶運輸→主井提升→地表大礦倉。

三、電機車無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過-800m中段的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，我們了解到電機車的運輸過程為從?？奎c出發(fā)，然后到震動放礦機處放礦，最后到礦倉進行卸載礦石，循環(huán)往復(fù)，根據(jù)其工作的過程我們設(shè)計如下的電機車無人駕駛系統(tǒng)。

整個無人駕駛系統(tǒng)由調(diào)度控制中心、信號傳輸系統(tǒng)以及系統(tǒng)終端三大部分結(jié)構(gòu)組成，具體如圖1所示，各部分具體介紹如下：

圖1 電機車無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(一)調(diào)度控制中心

調(diào)度控制中心由四部分結(jié)構(gòu)組成，分別是遙控臺、機車監(jiān)測服務(wù)器、視頻監(jiān)控服務(wù)器以及調(diào)度服務(wù)器。通過安裝系統(tǒng)工作臺使得工人不僅可以在調(diào)度室內(nèi)觀察并監(jiān)視整個運輸系統(tǒng)的無人駕駛，還可以通過操作臺進行遙控操作電機車設(shè)備運行，此操作臺的按鍵手柄完全按照電機車駕駛室內(nèi)的操作裝置一比一還原，不存在遙控操作不習(xí)慣的問題。同時在調(diào)度室的顯示屏幕上可以實時顯示電機車的運行狀態(tài)，如電機車的運行速度、電機車的實時位置定位以及電機車的運行參數(shù)等信息。這樣有利于操作人員更好地了解設(shè)備的運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，可以立即安排專業(yè)人員進行處理，省時高效，實現(xiàn)了對電機車實時監(jiān)控。同時井下運輸中段布滿了監(jiān)控攝像頭，如各個放礦漏斗、礦廢石倉、各個道岔等地點實施保證電機車在人員的監(jiān)控之下運行，例如，礦倉、廢石倉等地點通過安裝料位檢測器對井下的礦位進行實時檢測，而攝像頭和檢測器通過接入井下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將實際信息回傳到調(diào)度室的顯示屏幕上，通過檢測電機車所在的實時位置，合理對電機車編組進行任務(wù)分配調(diào)度，最后通過系統(tǒng)控制每個電機車單元進行獨立作業(yè)，使其能夠按照排班要求完成任務(wù)。

(二)信號傳輸系統(tǒng)

信號傳輸系統(tǒng)是整個電機車無人駕駛系統(tǒng)的核心部分，所有通信設(shè)備的接入管理，以及整個電機車自動運輸命令的下達、各臺電機車相關(guān)信息的傳達，甚至視頻監(jiān)控信息的轉(zhuǎn)接等都是通過其完成的。信號傳輸系統(tǒng)主要是由各個點建立的信號聯(lián)絡(luò)站(即通信基站)、用于數(shù)據(jù)交換處理的核心交換機及井下所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成。利用無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，通信基站通過數(shù)據(jù)收集，將電機車在行駛過程中的各種運行參數(shù)、軌道行駛狀況以及周邊環(huán)境的相關(guān)信息在電機車內(nèi)部安裝的車載無線終端和控制中心之間相互傳遞。通過不斷傳輸相關(guān)信息，及時反映出電機車是否在正常運轉(zhuǎn)以及周邊生產(chǎn)環(huán)境是否正常等。

(三)系統(tǒng)終端裝置

(1)電機車無線終端。安裝在駕駛室內(nèi)，作為一條信息接收與傳送的主要端口，以無線網(wǎng)絡(luò)連接為紐帶，通過與各個點建立的信號聯(lián)絡(luò)站(即通信基站)進行數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)，隨時隨地將電機車收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進行無障礙傳輸。

(2)車載控制器。其有三種作用，分別是操作電機車是否開啟、是否提前剎車關(guān)閉電路、分析電機車運行時的設(shè)備參數(shù)和傳輸與接受在運行過程中收集的各種信息以及調(diào)度控制中心所下達的各種生產(chǎn)指令，并根據(jù)相應(yīng)程序完成相應(yīng)的工作指令來達到控制電機車的目的。

(3)信標(biāo)器。主要作用為對井下的作業(yè)環(huán)境進行感知，同時提供電機車的實時位置。

四、電機車無人駕駛系統(tǒng)中所需要攻關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)

(一)電機車工作環(huán)境的探測與感知技術(shù)

電機車工作環(huán)境的探測與感知技術(shù)是將不同的感應(yīng)器(即傳感器)安裝在車子的不同部位，以此來達到對電機車運行過程中周邊環(huán)境信息的收集與分析的目的。這是電機車無人駕駛系統(tǒng)實現(xiàn)的前提，也是整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全正常行駛的重要保障，例如，在車上安裝距離傳感器和攝像頭來實現(xiàn)環(huán)境的感知，在放礦漏斗處安裝料位傳感器以此來監(jiān)控礦車是否放滿，從而來控制放礦漏斗的開關(guān)等。

通過安裝的傳感器不斷地發(fā)出以及接受反射的信號，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，得出周邊物體與電機車之間的實際距離。如果出現(xiàn)異常情況立即向控制臺發(fā)出警報并停車，等待專業(yè)技術(shù)人員的檢查與維修。另外，通過在車上安裝定位器實時確定電機車的位置。當(dāng)經(jīng)過路口時，控制臺通過反饋回來的位置信息，根據(jù)電機車要行駛的方向，及時向路口的帶道器發(fā)出指令進行變道作業(yè)，帶道器根據(jù)指令自動進行變道，確保列車能夠在正確的軌道上行駛?，F(xiàn)階段市場上的傳感器所發(fā)出的信號強度相對來說還是很高的，其抗干擾能力也是非常強的，在一定程度上來說還是比較適合井下運輸中段大范圍探測的，在井下各個點均可正常使用。但是好的傳感器在市場上價格也是很高的，這可能會導(dǎo)致其生產(chǎn)成本也比較高，另外現(xiàn)階段的傳感器還存在著一些問題，例如，一些感應(yīng)傳感器在使用過程中由于一些環(huán)境的影響還可能會造成檢測結(jié)果延遲的問題等，但是在一定程度上，現(xiàn)階段市場上的傳感器適用于井下生產(chǎn)使用。

視覺的檢測主要是通過在井下運輸巷道各個關(guān)鍵點以及電機車上安裝的高清攝像頭進行周圍環(huán)境的拍攝，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺將攝像頭檢測的畫面?zhèn)骰卣{(diào)度室的主機，通過人工智能技術(shù)對傳回的畫面信息進行分析比對并做出最佳的處理指令，代替人工進行智能化的科學(xué)處理。通過與系統(tǒng)設(shè)計的基本數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)異常時及時發(fā)出警報，并對收集的信息進行儲存優(yōu)化，通過不斷的調(diào)試達到最優(yōu)解。視覺檢測需要對攝像頭傳回的信息進行全面處理，并根據(jù)處理的信息通過人工智能做出正確的判斷，圖片信息的處理，依賴于強大的計算機算法，現(xiàn)階段這種算法已普遍應(yīng)用到無人駕駛汽車了。相對來說這種技術(shù)還是比較成熟的，完全可以在電機車上實現(xiàn)。

(二)障礙物的感知與自動躲避

通過相應(yīng)的技術(shù)手段獲得了電機車運行狀態(tài)和周邊的環(huán)境條件后，就要考慮電機車在自動運行時對前方障礙物的感知與自動躲避，而實現(xiàn)這個目標(biāo)對技術(shù)的要求非常高?，F(xiàn)階段實現(xiàn)電機車自動駕駛過程中對障礙物的感知與自動躲避主要采用三種方法，具體內(nèi)容如下：

運動障礙物檢測技術(shù)需要結(jié)合環(huán)境感知技術(shù)，通過分析檢測到的電機車周圍環(huán)境信息，分析出正在運動的障礙物后進行避障。常用的障礙物檢測法有實體類聚法、地圖坐標(biāo)差分法和目標(biāo)跟蹤法。實體類聚法基于數(shù)據(jù)信息分類實現(xiàn)，將傳感器采集到的環(huán)境信息進行障礙物分類，由此可以更好地記錄每個障礙物的運動狀態(tài)；地圖坐標(biāo)差分法是通過分析地圖上障礙物分布情況來記錄物體的運動信息，并對運動狀態(tài)進行估算；目標(biāo)跟蹤法是通過跟蹤分析系統(tǒng)已經(jīng)記錄的該檢測目標(biāo)的信息，估算下一時刻的目標(biāo)信息。

障礙物軌跡預(yù)測技術(shù)原理為：當(dāng)無人駕駛測控系統(tǒng)采集到障礙物的運動狀態(tài)后，通過運動預(yù)測算法描繪出其運動軌跡，并判斷是否與電機車自身預(yù)設(shè)的行駛軌跡相交，采集的信息越多，算法越精確。若算法最后的結(jié)果是兩個軌跡相交，則需要無人駕駛測控系統(tǒng)給出相應(yīng)的避障指令。該類技術(shù)主要采用人工智能技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法做出相應(yīng)的避障決策，以及重新設(shè)計電機車的行駛軌跡。

(三)電機車運行狀態(tài)的跟蹤與實時位置的定位

通過在電機車上安裝相應(yīng)的定位裝置，根據(jù)定位裝置不斷反饋的信息就可以實時了解到電機車運行到了哪個地方，以及其在向哪個方向行駛，從而實現(xiàn)了電機機車運行狀態(tài)的跟蹤與實時位置的定位。這全部都依賴于當(dāng)今可以定位科技的發(fā)展，現(xiàn)階段一些常用的定位器、追蹤器等裝置技術(shù)非常成熟，已經(jīng)廣泛運用到我們的實際生活當(dāng)中來了，例如，現(xiàn)在的無人汽車定位技術(shù)、手機定位等，一般來說常用的定位技術(shù)有慣性定位技術(shù)和無線定位技術(shù)兩種。

慣性定位技術(shù)主要是通過在電機車上安裝慣性定位裝置即可完成電機車的定位，不需要使用電機車自身之外的輔助設(shè)備，定位的精度由慣性定位裝置的測量精度決定。該技術(shù)不受電機車行駛環(huán)境影響，能夠自主完成定位，具有高可靠性。但由于該技術(shù)不與外界通信，導(dǎo)致只要內(nèi)部出現(xiàn)問題，就有可能一直存在，井下產(chǎn)生累積誤差，使定位精度越來越低。

無線定位技術(shù)通過電機車與外部設(shè)備進行無線通信獲取電機車的位置信息。無線定位技術(shù)定位范圍大，不會產(chǎn)生累積誤差，但是由于電機車的運行環(huán)境多樣化，無線通信不一定都能完全適應(yīng)，因此有可能導(dǎo)致定位精度降低。無線信號的傳輸和接收過程需要時間，所以無線定位還具有一定的延退性，但是可以通過對無線定位算法的改進來消除延遲誤差。

(四)電機車自動運行的控制技術(shù)

電機車要實現(xiàn)無人駕駛，首先還是要從電機車的操作上入手。從啟動到在行駛到井下不同的位置時，如在直道上需要進行加速而過彎道和礦倉時則需要減速，而在放礦點或遇到障礙物時則需要停車。這都需要在進行編程前對設(shè)備的運行參數(shù)進行詳細的收集，然后將收集的數(shù)據(jù)變成二進制語言，編好一整套從設(shè)備啟動開始到卸礦結(jié)束這一整套流程的穩(wěn)定控制程序，利用電腦來對電機車進行操作，使得電機車能夠根據(jù)程序控制進行周而復(fù)始的拉礦卸礦作業(yè)。

現(xiàn)階段井下運輸大多是鋪設(shè)軌道，讓電機車在軌道上行駛，這對電機車的使用性能要求非常高，首先它要符合井下的生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)能力，具備礦安標(biāo)志，抗大爆破沖擊波的沖擊能力較強，還應(yīng)該具備防爆、防潮、防漏電等其他相關(guān)的安全性能。

五、此系統(tǒng)實施后具有的一些優(yōu)點

相較于傳統(tǒng)的人工駕駛，電機車無人駕駛有以下幾個方面優(yōu)點。首先，解決了現(xiàn)階段金屬礦山井下人力資源不足的問題，將電機車駕駛員釋放了出來，解放了礦山的勞動力，改變了傳統(tǒng)的運輸方式。其次，電機車無人駕駛更能穩(wěn)定運輸?shù)V廢石，提高運輸效率減少了人為的失誤，增加了井下自動化的進程，提高了安全生產(chǎn)系數(shù)，節(jié)約了大量的人工成本，是建設(shè)數(shù)字化、智慧化礦山，實現(xiàn)智能采礦的重要組成部分。再次，實現(xiàn)了軌道的自動變道，節(jié)約了生產(chǎn)時間，并且實現(xiàn)了管控一體化、可視化項目，通過應(yīng)用自動化控制、大數(shù)據(jù)收集與分析，遠程遙控系統(tǒng)等高新技術(shù)將整個運輸過程采集匯總，利用編程技術(shù)進行統(tǒng)一管理，設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令按順序進行車輛自檢、啟動運行、放礦作業(yè)、卸礦作業(yè)等一系列工作流程，各編組相互獨立，互補影響，有序地進行井下的運輸作業(yè)，實現(xiàn)了運輸?shù)陌胱詣踊踔寥詣踊M一步減少了井下工人的勞動強度，提高了運輸?shù)男?，改變了運輸工的工作環(huán)境，同時對井下的安全工作的開展影響深遠，增加了礦山開采的安全系數(shù)。最后，將電機車駕駛、溜井放礦兩個崗位合二為一，優(yōu)化了勞動組織。在一定程度上使得井下的運輸效率有所提高，對企業(yè)的降本增效、安全生產(chǎn)有著重要的意義。

結(jié)語

綜上所述，作為我國重要的資源，礦山的開采對保障我國的資源安全，提高對礦產(chǎn)資源的開采率和利用率有著十分重要的意義。在此背景下，本文通過深入分析研究無人駕駛電機車的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，為真正實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的智能化開采、自動化開采，提高礦產(chǎn)資源開采的效率提供有力的技術(shù)保障。