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凡口铅锌矿电机车全自动无人驾驶系统开发及应用

2023-11-17 204 上传者：管理员

摘要：针对凡口铅锌矿-650运输水平电机车无人驾驶系统进行设计。通过电机车本体改造、全自动无人驾驶系统、视频监控系统、信集闭系统、障碍物检测系统、自动装卸矿系统、人车联动安全保障系统等系统建设，形成基于5G技术的凡口铅锌矿-650运输水平井下电机车无人驾驶系统。该系统依托5G网络技术，通过计算机自动控制和远程遥控控制相结合，完成电机车的无人驾驶和自动控制，实现了地表远程监控，下达生产任务后，便可按任务计划自动循环装卸矿，直至任务完成。改善驾驶人员工作环境、减少作业人员、降低生产人员劳动强度、提高生产力与安全水平。

关键词：
5G技术
信集闭
无人驾驶技术
自动装卸矿
自动运行
障碍物检测
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井下有轨运输是通过井下电机车从采场的出矿点将矿石和废石运输到井底车场、箕斗井矿仓。有轨运输方式运输能力大、后期维护费用低、对井下环境影响较小，根据国内外矿山生产实例，随着矿山生产大规模化发展，井下运输主要以有轨运输为主。

自1882年德国西门子公司制造出世界第一台4.5 kW矿用架线式电机车以来，工矿电机车在矿山生产中得到广泛应用，迄今已有130多年的历史。早在20世纪70年代，瑞典基律纳地下铁矿就进行了研发无线遥控电机车和无线通讯技术，并成功实现了井下电机车的无线遥控驾驶。

20世纪50年代，我国就开始了窄轨工矿电机车的生产，经过50多年的发展，已能生产1.5～45 t黏着质量，具有电阻调速、斩波调速、变频调速功能的各种类型电机车，产品的种类、规格齐备，可满足国内矿山的需要[1,2],并有少量出口。近年来，井下电机车无人驾驶系统的研发和使用正在国内蓬勃发展[3],精确定位技术的研发为电机车通讯联络提供了很大保障[4],提高了井下岔道信息的准确性[5],电机车调度监控自动化等相关技术研发[6]大大提高了井下电机车运输效率及安全性，无线异构通信网络的应用提高了井下电机车组网方式的扩展性。随着人工智能技术的高速发展，井下无人驾驶技术越来越成熟，人工智能技术、自动定位技术、传感避障技术以及自动控制系统等技术结合起来，在一定范围内可以实现井下的无人作业。

目前我国矿山开采数量较大，鉴于大多数矿山开采条件极为复杂，安全生产形势依然严峻，且存在井下作业人员趋于老龄化，新老衔接面临接续困难，随着采矿生产的持续发展，生产规模化、装备大型化、运营经济化已成为必然趋势。因此，为从根源解决面临问题，必须转变思想，提高矿山设备的机械化、自动化、智能化、智慧化水平，发展智慧矿山将成为矿山行业转型升级的关键之一[7]。随着矿山智能化发展，将会出现更多的数字化和智能化设备和服务，5G技术的加持为智慧矿山的发展也将带来新的机遇和挑战[8,9],“5G+井下电机车无人驾驶”也正在凡口铅锌矿应用和推广。当前，电机车无人驾驶在可靠性、智能化技术方面还有待进一步提高。

5G网络具有高速率、大带宽、低时延的特点，并已在矿山井下得到较好的应用。在两项技术的加持下实现了电机车自动驾驶，精准定位，配合数据处理和执行算法，实现井下装矿、拉矿、卸矿环节的托管模式[10]。

1、应用背景

-650中段运输巷道总计长度约1千米，其中包含电瓶车2台，装矿溜井10处，道岔8处。装矿溜井采用震动放矿机放矿，卸矿采用曲轨侧卸式卸矿。凡口矿生产组织为三班工作制，原设计每班至少6人，4人驾驶电机车行驶运输，2人往回装矿井和卸矿井之间负责装卸矿，装卸矿人员与电机车司机靠对讲机通话。

目前现场存在以下问题：1)井下作业危险：井下作业属于危险工作，人员伤亡风险高，井下环境高温、高湿、采掘设备工作产生大量粉尘，对人体健康损伤极大；矿区工作环境恶劣，安全事故频频发生，易遇瓦斯、落石、顶板、冲击地压等安全事故，引发人员失联、伤亡；一旦出事故需要停产整改；2)人力成本高：矿区工作环境恶劣，司机老龄化严重，年轻司机从业意愿低；且工资较高，招工困难，每年人力成本不断增加；3)井下线缆复杂：工作面光纤损耗高，工作面作业设备频繁调整、移动性高，导致井下网络环境复杂，带来线缆复杂、传输设备多、管理维护难等问题。

针对凡口铅锌矿-650运输水平电机车无人驾驶系统进行设计。通过电机车本体改造、全自动无人驾驶系统、视频监控系统、信集闭系统、障碍物检测系统、自动装卸矿系统、人车联动安全保障系统等系统建设，形成凡口井下电机车无人驾驶系统，改善驾驶人员工作环境、减少作业人员、降低生产人员劳动强度、提高生产力、提高安全水平、提高系统连续生产能力。

2、电机车无人驾驶系统实现

2.1 系统组成

按照系统功能可分为生产运输管理平台(派配调度系统、机车远程驾驶平台、生产运输精细化管理)、数据支撑系统(车辆移动通信网络、信集闭系统)、生产状态监测系统(目标高精度定位系统、车辆运行监测系统)三部分。

按照系统构成要素可分为机车本体改造、巷道设备改造、自动装卸矿系统、5G网络系统建设、信集闭及控制机系统、安全保护系统等。

系统构架如图1所示。系统支持多机车控制，控制界面如图2所示。在机车自动运行或远程遥控操作时，通过切换到对应车号，监视此画面可以看到机车速度的给定、电机车运行速度反馈，机车运行的控制方式。动态监视电机车运行时的电源、刹车压力等信息，如果出现故障将红色提示报警。根据电机车车型有所不同。

图1 系统构架图

图2 系统操作界面

2.2 电机车载控制系统

车载主机是基于单片机技术研发的微电脑控制机，作为自动驾驶核心设备之一，负责处理接收的命令、反馈信息、下发控制指令，主导着无人驾驶系统的运行。主要作用是承上启下，上层通过5G无线通讯系统将接收到的控制指令进行处理，下层控制机车喇叭、灯光、变频器执行鸣笛、开灯、前进、后退、加速、减速、刹车等相应动作，同时采集机车电压、机车电流等车辆自身的数据信息；及机车位置、障碍物情况、机车速度、预警联动等外设安全数据信息，并对这些数据进行一些软件优化处理。其中机车位置检测通过RFID读写器可读取巷道壁上悬挂的RFID标签地址，辅助光电开关配合，形成RFID射频识别+光电编码器+光电开关三重定位系统相结合，即可得到机车的精确位移。

2.3 自动装矿系统

井下有轨运输系统采用全自动方式实现井下机车的装矿过程。系统采用单片机集中控制方式实现井下各溜井挡板的升降和振动放矿机的启停，同时监控各控制单元的执行情况。

每个溜井处安装1台三维雷达，通过三维雷达实时监测放矿机上的大块、当前矿车的料位高度和矿车对位情况，并分析检测结果，联锁控制放矿机，通过三维雷达的使用，可以在实现自动驾驶的同时实现自动放矿。

信集闭系统、装矿控制分站、三维雷达通过工业以太网接口连接，使用TCP通讯技术，采用私有协议进行网络数据通信。

2.3.1 矿车料位监控

在自动装矿控制系统中，矿车料位检测与控制是技术的关键，采用雷达检测技术、放矿口大块自动图像识别技术等多种高科技手段结合使用，如图3所示。

三维雷达通过实时采集检测数据，与装矿控制分站实现通讯和联锁，主控程序连接雷达数据服务端口获取雷达基础扫描数据，同时获取雷达的基本参数，将解析后的扫描数据以固定格式送入算法模块，供算法检测分析。

图3 雷达扫描示意图

2.3.2 料位检测功能

通过激光雷达沿列车行驶方向扫描车厢内部料位，有效检测区域避开放料倾泻区域，避免影响料位检测准确度。激光雷达在装矿过程中实时扫描车厢内部，系统采集激光雷达的数据，并进行滤波、分析、处理，得到物料的位置；根据物料的位置，通过I/O信号给出料位状态，避免物料欠载或溢出。

2.3.2 矿车对位功能

激光雷达扫描矿车定位，通过激光雷达沿列车行驶方向扫描车厢的中线；根据车厢箱体边界和搭接边缘规则，对扫描数据进行算法处理，得出车厢边缘的坐标位置，换算为相对位置信息；根据相对位置，通过I/O信号联动车辆前进、后退，避免装矿机把矿石撒到车厢之间的连接处，确保车厢停靠位置合理，定位扫描如图4所示。

图4 定位扫描示意图

2.4 5G网络通信系统

利用5G网络“高安全、大带宽、低时延、广连接”的特性，通过实现井下-650的5G网络覆盖，使得调度室的机车控制机和信集闭主机与各电机车完成通讯，实现车载视频的上传及控制信息传输。系统由5G核心网、矿用5G基站和矿用5G终端组成。5G核心网采用SA架构，利用中移动现有的5G核心网，采用UPF下沉到矿山满足矿山数据不出园区的需求。5G网络通信系统组网架构图如图5所示。

图5 5G网络通信系统组网架构图

2.5 井下信集闭系统

信集闭整合所有自动驾驶的相关信息进行界面开发，并依托后台数据库的支撑，如图6所示，使得调度员通过信集闭上位机能醒目地监视到矿井运输各主要区域内所有电机车的运行和设备工作状态，系统能按调度员发出的运行任务指令自动指挥列车循环运行，根据需要也可随时分进路、分车辆实施调度。下达调度指令后，所有运行线路涉及的巷道设备、信号灯、转辙机、门禁、风门等自动完成切换，电机车在设定的装矿井与卸矿井之间循环作业，实现了自动或半自动调度。

图6 信集闭系统

2.6 电机车障碍物检测系统

电机车前方安装障碍物检测雷达，采集探测设备的距离信息，判断轨道前方是否存在障碍物。并根据实际需要设置防区，同时车载主机也采集雷达扫描信息，由控制软件数据库保存井下弯道模型，区分弯道和障碍物，对机车采取控制和报警，工作原理如图7所示。

图7 障碍物检测设备

2.7 井下自主充电机器人自动控制系统

井下电机车自主充电机器人由自动控制单元、蛇形机械臂、视觉识别系统、用户终端四部分组成。自动充电系统通过上位机发送充电指令，控制单元收到指令启动机器人控制模块、视觉识别系统、用户终端工作，自动完成识别、插接、充电整个流程。

自动充电控制单元：根据云端进行数据处理及分析并对多目标车辆控制及分配，与充电桩交互，对充电状态的监控异常状态的处理及提示。

蛇形机械臂：根据命令实现充电枪头的插拔。

视觉识别系统：通过对特定目标的特征的提取和识别，与中央控制器交互调整机械臂的姿态进行识别插接充电。

用户终端(调试终端):该终端为人机操作界面，通过WIFI连接，进行指令发送；调试终端进行调试及故障处理。

上位机服务器获取车辆入位就绪信息后，发送插枪指令至自动充电系统，当车辆充电完毕后，发送拔枪指令给自动充电系统。当车位上没有车辆充电时，上位机服务器发送待机命令给自动充电系统，设备进入待机状态，实现无人化自主充电。

2.8 新能源电机车改造

针对-650运输中段12T新能源电机车进行智能化改造升级，在保留原有操控模式的基础上加装相关设备，改造为远程驾驶电机车，实现电机车现场手动操控、地面远程遥控、全自动无人驾驶功能。

车载控制系统防护箱采用微电脑控制技术，各种传感器、执行器为辅助设备，各功能单元采用模块化设计，方便更换维修。一旦出现故障，可随时更换相应模块的备件，实现故障快速解决，保证生产运输正常进行。

2.9 其它辅助系统

设置转辙机和信号灯控制分站，负责接收到工控主机的配置数据后回复本身管理设备的状态给工控主机，工控主机根据联锁关系将需要操作的信号机和转辙机的数据传给控制分站，控制分站根据控制数据对相应的信号机和转辙机发出控制命令，使信号机进行颜色的切换，转辙机控制道岔的搬动，实现机车行进线路的开通和指挥。

同样的原理将引轨器、门禁、风门控制信号接入控制分站中，实现卸矿过程引轨的自动伸缩，机车自动驾驶时关闭门禁，接近风门时风门能够自动打开，当完成卸矿过程后，风门自动关闭等联动功能，保证装矿、拉矿、卸矿自动过程的完整性和安全性。

3、实际应用

电机车无人驾驶系统在凡口矿-650 m中段进行运行，系统建成后改善了驾驶人员工作环境，同时降低了生产人员劳动强度，司机无需再去井下驾驶电机车，只需在地面调度室进行监视和控制即可。调度操作系统配备电机车操作台、电机车控制台、溜井全自动放矿控制台、视频监控系统、电机车控制主机、信集闭控制主机、服务器系统等，如图8所示。

减少作业人员的同时提高了安全水平，原生产模式每班4人，2人驾驶电机车行驶运输，2人往回装矿井和卸矿井之间负责装卸矿。现装矿、拉矿、卸矿已实现全自动运行(类似“一键启动”)和半自动运行模式，只需在调度每班安排1人，一人操作一人监视即可。按三班工作制模式，共减少作业人员9人。

图8 井下电机车无人驾驶操作界面

4、结束语

通过对凡口铅锌矿-650中段电机车、道岔、装卸矿点、通讯网络等的自动化改造、安装、建设，实现该中段矿石运输中，装矿、行车、卸矿全流程自动化、无人化，降低人工成本，提高生产效率，改善作业环境，解决井下作业危险性较高的问题，系统提高了矿山生产安全水平，达到了建设智慧矿山、降低生产人员劳动强度、提高生产力的效果。

参考文献:

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文章来源:刘晓明,林振烈,杨鹏伟等.凡口铅锌矿电机车全自动无人驾驶系统开发及应用[J].有色金属(矿山部分),2023,75(06):15-20.