中圖分類號(hào)：TD82；TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）04-0004-03

Abstract： In order to build a safe，efficient， green， and intelligent production environment， various advanced technologiesneed to beadopted to reduce thenumber of workers inunderground mines.According to statistical data， the proportion of auxiliary transportation personnel in coal mines in China exceeds one-third of the total number of mine operators.Therefore，reducing the number of auxiliary transportation personnel in coal mines is conducive to building a safe，efcient， green，and intelligent mining environment.Basedon this，exploring the key technologies of unmanned driving of vehicles underground in coal mines is of great significance.

Keywords： coal mine; autonomous vehicles; 5G technology

煤礦井下車輛無人駕駛的特點(diǎn)

1.1提高安全性和效率

無人駕駛車輛在煤礦井下的應(yīng)用，可以提高生產(chǎn)的安全性和效率。首先，運(yùn)用前置探測(cè)雷達(dá)的掃描功能，將掃描結(jié)果與三維模型進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，并通過機(jī)車視頻流的智能識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)地監(jiān)控軌道前方是否有人員或其他設(shè)備出現(xiàn)，同時(shí)也能確保機(jī)車之間維持安全距離。在緊急情況下，無人駕駛系統(tǒng)會(huì)自主啟動(dòng)緊急制動(dòng)功能，保證安全。其次，無人駕駛系統(tǒng)能夠24小時(shí)不間斷運(yùn)行，大幅延長(zhǎng)了作業(yè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，通過精準(zhǔn)的自動(dòng)裝礦、自動(dòng)計(jì)量等功能，無人駕駛系統(tǒng)還能夠節(jié)省大量人力成本。

1.2智能化程度高

煤礦并下無人駕駛車輛集成了多種先進(jìn)技術(shù)，如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，具有較高的智能化程度。無人駕駛系統(tǒng)則能夠根據(jù)巷道工況情況進(jìn)行設(shè)計(jì)布置和區(qū)間劃分，實(shí)現(xiàn)區(qū)間聯(lián)鎖等各類聯(lián)鎖控制。在遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)駕駛模式下，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各運(yùn)輸列車位置、車號(hào)及信號(hào)機(jī)、道岔以及巷道工況，確保列車安全運(yùn)行。同時(shí)，車載終端能夠?qū)崟r(shí)采集車輛各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析列車的各項(xiàng)指標(biāo)是否正常，只有正常的列車才能投入運(yùn)行，進(jìn)一步保障了生產(chǎn)的安全性。

1.3多信息融合

在煤礦井下無人駕駛系統(tǒng)中，多信息融合技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。憑借融合激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、可見光攝像機(jī)等多種傳感器的信息，系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別障礙物和測(cè)量距離，進(jìn)而做出相應(yīng)的決策。如果出現(xiàn)難以決策的情況，系統(tǒng)可由地面控制系統(tǒng)接管。

2 煤礦井下車輛無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)

在地面交通與露天煤礦場(chǎng)景中，網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的核心是融合C-V2X直接通信技術(shù)與5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于地下煤礦環(huán)境，當(dāng)前的試驗(yàn)重點(diǎn)是通過5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離駕駛的目標(biāo)。具體而言，LTE-V2X直連通信能將空中接口的時(shí)延減少到最多 20ms ，而其進(jìn)階版NR-V2X（新空口-V2X）直連通信則旨在將時(shí)延進(jìn)一步壓縮至3ms以內(nèi)，同時(shí)支持單播、組播、廣播等多種傳輸模式，并能執(zhí)行基于反饋的傳輸機(jī)制，展現(xiàn)出更低的時(shí)延和更強(qiáng)的可靠性[2]。但NR-V2X直連通信目前仍處于試驗(yàn)階段，相應(yīng)的研究偏少。

現(xiàn)階段，5G技術(shù)在煤礦領(lǐng)域中得到了廣泛研究，具體建設(shè)與應(yīng)用正經(jīng)歷著快速發(fā)展的階段?，F(xiàn)階段，實(shí)地試驗(yàn)與初步應(yīng)用已經(jīng)驗(yàn)證了5G遠(yuǎn)程駕駛以及5G與UWB相結(jié)合的車輛管理技術(shù)的有效性，為V2N業(yè)務(wù)需求提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。在通信場(chǎng)景方面，煤礦井下上行鏈路的傳輸資源尤為重要。要想滿足該需求，礦用5G系統(tǒng)需配置為支持1D3U的幀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了緩解5G系統(tǒng)上行傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，還需要進(jìn)一步探索和研究煤礦井下自動(dòng)駕駛車輛聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的其他頻譜資源利用方式。

基于此，針對(duì)煤礦井下自動(dòng)駕駛中C-V2X直連通信的研究意義重大，主要研究方向涵蓋以下幾個(gè)方面：

（1）礦井巷道環(huán)境下5G信號(hào)傳輸特性研究?？紤]到5G系統(tǒng)有多種傳輸頻段，有必要在煤礦井下特定環(huán)境中對(duì)5G頻段信號(hào)傳輸特性予以全方位的研究，奠定井下C-V2X系統(tǒng)在信號(hào)覆蓋方面的基礎(chǔ)。

（2）關(guān)于礦井內(nèi)直接通信時(shí)間同步機(jī)制的探討。根據(jù)我國通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LTE-V2X設(shè)備主要依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行時(shí)間同步。但在井下特殊環(huán)境中，GNSS信號(hào)無法覆蓋，進(jìn)而需要對(duì)直接通信中的時(shí)間同步機(jī)制進(jìn)行更為深入的理論研究和實(shí)證檢驗(yàn)。

（3）針對(duì)礦井獨(dú)特環(huán)境下自動(dòng)駕駛具體場(chǎng)景及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議的研究。因?yàn)镃-V2X的應(yīng)用層協(xié)議原本主要為地面交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以必須對(duì)礦井自動(dòng)駕駛應(yīng)用進(jìn)行深入探索，并開發(fā)出符合礦井環(huán)境特點(diǎn)的應(yīng)用層通信協(xié)議。

（4）探討多種接入技術(shù)的融合機(jī)制。在C-V2X、5G等多種無線通信技術(shù)并存的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)背景下，需要構(gòu)建多元化的業(yè)務(wù)需求模型，細(xì)致剖析不同業(yè)務(wù)需求與各種無線接入技術(shù)之間的契合度及選擇策略，從而達(dá)成技術(shù)的完美融合與性能的最大化提升。

2.2定位技術(shù)

2.2.1超聲波定位技術(shù)

在煤礦井下環(huán)境中，超聲波定位技術(shù)的核心在于超聲波雷達(dá)的測(cè)距能力。該技術(shù)的工作原理是，首先超聲波雷達(dá)將超聲波脈沖向移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行發(fā)射，并開始記錄時(shí)間（將此時(shí)間標(biāo)記為 T₀ ）。一旦雷達(dá)接收到移動(dòng)目標(biāo)反射回來的超聲波信號(hào)，便會(huì)立即停止計(jì)時(shí)（將此時(shí)刻標(biāo)記為 T₁ ）。通過計(jì)算超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間差，并結(jié)合已知的超聲波傳播速度，可以推導(dǎo)出移動(dòng)目標(biāo)與超聲波雷達(dá)之間的距離，具體計(jì)算方法如式（1）所示。最后，結(jié)合雷達(dá)的固定安裝位置信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的精確定位。

式中， L₁ 是目標(biāo)與超聲波雷達(dá)之間的直線間隔距離； V 是超聲波在空氣中的傳播速率； T₁ 和 T₀ 的時(shí)間差是超聲波在雷達(dá)與目標(biāo)之間往返所耗費(fèi)的總時(shí)長(zhǎng)。

超聲波定位技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括對(duì)粉塵環(huán)境的不敏感性、不受光照條件約束、無須在移動(dòng)目標(biāo)上安裝額外定位設(shè)備等。但該技術(shù)也存在一些局限性，即測(cè)量距離受限、定位精度有待提升等。因此，在煤礦井下對(duì)車輛及人員等移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，超聲波定位技術(shù)可能并非最佳選項(xiàng)。

2.2.2激光定位技術(shù)

在煤礦井下的特殊環(huán)境中，激光定位技術(shù)的工作原理主要表現(xiàn)為激光測(cè)距。其操作流程如下：首先，由激光發(fā)射器向移動(dòng)目標(biāo)發(fā)射激光光束，并記錄下此時(shí)的時(shí)間點(diǎn)（標(biāo)記為 T₂） ；當(dāng)激光接收器探測(cè)到從移動(dòng)目標(biāo)反射回的激光光束時(shí)，計(jì)時(shí)停止（將此時(shí)刻標(biāo)記為T₃ ）。計(jì)算激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間差，再根據(jù)已知的激光傳播速度，就可以推導(dǎo)出移動(dòng)目標(biāo)與激光發(fā)射接收裝置之間的距離，具體計(jì)算方法如式（2）所示，然后結(jié)合裝置的位置信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的精確定位。

式中， L₂ 是移動(dòng)目標(biāo)與激光發(fā)射及接收設(shè)備之間的直接距離； c 是激光在傳播介質(zhì)中的速度； T₃ 和 T₂ 之間的時(shí)間差是激光束在激光發(fā)射及接收設(shè)備與移動(dòng)目標(biāo)之間往返所需的總時(shí)長(zhǎng)。

2.2.3無線電定位技術(shù)

現(xiàn)階段，無線電定位技術(shù)在煤礦井下車輛和人員等移動(dòng)目標(biāo)的定位需求中得到了廣泛應(yīng)用。煤礦的車輛與人員定位系統(tǒng)主要由定位分站、定位標(biāo)簽等硬件構(gòu)成。其中，定位標(biāo)簽由井下作業(yè)人員隨身攜帶，或者安裝在車輛上，內(nèi)含定位算法和身份識(shí)別信息。一旦定位標(biāo)簽進(jìn)入定位分站的信號(hào)覆蓋區(qū)，它會(huì)將身份識(shí)別信息傳遞給定位分站，進(jìn)而明確標(biāo)簽的準(zhǔn)確位置。標(biāo)簽不僅具有定位功能，還能進(jìn)行報(bào)警、接收指令等多項(xiàng)操作。而定位分站則布設(shè)在巷道內(nèi)，接收并處理標(biāo)簽的信息，并與標(biāo)簽協(xié)同計(jì)算具體位置，以及接收來自標(biāo)簽的事故報(bào)警信號(hào)，并向標(biāo)簽發(fā)送緊急撤離指令。同時(shí)，定位分站還能夠利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備與主控單元之間實(shí)現(xiàn)雙向通信，確保系統(tǒng)的整體運(yùn)行與監(jiān)控。

在煤礦井下環(huán)境中，針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位系統(tǒng)，常用的無線電定位技術(shù)涵蓋RFID、ZigBee、UWB、Wi-Fi6等多種技術(shù)。其中，RFID技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)，在早期礦井目標(biāo)定位中得到了廣泛應(yīng)用，但其局限性在于無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)距和定位，僅能提供區(qū)域性的定位服務(wù)[3]；相比之下，ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了RFID技術(shù)存在的缺點(diǎn)，無線覆蓋范圍最大可達(dá) 800m ，定位誤差通常保持在 3m 以內(nèi)，盡管其系統(tǒng)成本低于UWB，但在定位精度上略有不足，并且存在非視距誤差的問題；UWB技術(shù)除了成本偏高以及非視距誤差，包含前面兩種技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)；Wi-Fi6技術(shù)在精度方面低于UWB，且同樣具有UWB的缺點(diǎn)。在具體應(yīng)用方面，需結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的技術(shù)。

2.3路徑規(guī)劃及主動(dòng)避障技術(shù)

在煤礦井下無人駕駛車輛的應(yīng)用場(chǎng)景中，路徑規(guī)劃的核心任務(wù)是在錯(cuò)綜復(fù)雜的障礙物環(huán)境中，基于特定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為車輛規(guī)劃出一條從起始點(diǎn)到目的地的無障礙行駛路線[4。此過程常被劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃兩大步驟。不同于地面行駛條件，煤礦輔助運(yùn)輸巷道的環(huán)境更加特殊，如封閉、路況簡(jiǎn)單以及雙車道寬度的限制等，但也存在路面凹凸、積水、頻繁的直角轉(zhuǎn)彎等情況。在對(duì)具體路徑進(jìn)行全局規(guī)劃時(shí)，車輛需要立足于現(xiàn)存的數(shù)字化礦井巷道地圖，以及運(yùn)輸要求，按照路徑最短、能耗最低、安全性最高等準(zhǔn)則，選取相應(yīng)算法，迅速制定出一條最優(yōu)路徑。鑒于煤礦井下的巷道并非完全封閉，會(huì)發(fā)生突然出現(xiàn)人員、設(shè)備等障礙物的狀況，同時(shí)巷道也可能因采礦活動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化，或是在地質(zhì)壓力活動(dòng)的作用下發(fā)生形變。對(duì)此，需要通過局部路徑規(guī)劃調(diào)整車輛行駛路徑，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避障和安全行駛。局部路徑規(guī)劃是指根據(jù)全局最優(yōu)路徑，結(jié)合感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取的環(huán)境信息，為車輛規(guī)劃出即時(shí)行駛路徑。

例如，對(duì)于八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而言，能夠存儲(chǔ)車載深度相機(jī)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將其生成Octomap地圖，為煤礦井下無人駕駛車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供支持。在規(guī)劃全局路徑的過程中，可以利用啟發(fā)式搜索的A*算法，建立覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)的柵格地圖，并基于路徑最短的要求，優(yōu)化全局路徑。而在局部路徑規(guī)劃上，可采用DWA算法，通過計(jì)算機(jī)器人在不同速度下的可能運(yùn)動(dòng)軌跡，精確選擇出最優(yōu)軌跡相應(yīng)的速度，引導(dǎo)井下車輛行駛。雖然以上方法為煤礦井下無人駕駛車輛的自主路徑規(guī)劃和安全行駛積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但現(xiàn)階段大部分算法只是應(yīng)用于仿真測(cè)試，需通過實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證。為了確保無人駕駛車輛在煤礦井下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)結(jié)合特定的礦井環(huán)境和輔助運(yùn)輸車型，制定專門的規(guī)劃算法和控制措施。

2.4地面遠(yuǎn)程控制與無線通信技術(shù)

煤礦井下無人駕駛車輛包含多種操作模式，諸如自動(dòng)駕駛、地面遠(yuǎn)程控制等。其中，在自動(dòng)駕駛方面，如果車輛面對(duì)復(fù)雜路況難以決策，則由地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行接管。在該模式下，地面操作人員需結(jié)合傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，即圖像和聲音、車輛位置和工況信息等，遠(yuǎn)程操控車輛。同時(shí)，地面控制指令也需迅速下達(dá)給車輛。而要想實(shí)現(xiàn)以上效果，礦用寬帶無線通信系統(tǒng)需滿足大帶寬、低時(shí)延和高可靠性的要求?，F(xiàn)階段，礦用寬帶無線通信系統(tǒng)主要有兩種選項(xiàng)：礦用5G系統(tǒng)和礦用Wi-Fi6系統(tǒng)。其中，礦用5G系統(tǒng)具有大帶寬、低時(shí)延、高可靠性的特性，被認(rèn)為是礦井車輛地面遠(yuǎn)程控制的首選技術(shù)方案，雖然成本較高，但是5G技術(shù)目前已在部分煤礦部署應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下大數(shù)據(jù)低時(shí)延傳輸提供可靠的技術(shù)保障。礦用Wi-Fi6系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低，但是在時(shí)延和可靠性方面可能無法滿足理想標(biāo)準(zhǔn)。因此，結(jié)合目前煤礦井下通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，5G技術(shù)將作為在礦井無人駕駛與遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域的主要通信技術(shù)。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)煤礦井下車輛無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探究發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮?，能夠有效提高煤礦井下作業(yè)的安全性和效率。隨著本文提到的關(guān)鍵技術(shù)不斷進(jìn)步和優(yōu)化，煤礦井下車輛無人駕駛將會(huì)更加成熟和可靠，為煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)和效率提升貢獻(xiàn)更大的力量。

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