馮迭騰

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一種礦山有軌電機(jī)車無人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

馮迭騰

(廈門礦通科技有限公司，福建 廈門市 361000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的穩(wěn)中向好，建設(shè)智慧礦山，大力發(fā)展礦山信息化和智能化，已經(jīng)成為礦山企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)原國家安監(jiān)總局開展的“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)工作目標(biāo)，目前為實(shí)現(xiàn)高危作業(yè)場(chǎng)所減少作業(yè)人員，大幅度提高企業(yè)安全生產(chǎn)水平的關(guān)鍵時(shí)期。為此，提出了一種礦山有軌電機(jī)車無人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)解決方案，通過運(yùn)行該系統(tǒng)，將大大減少井下現(xiàn)場(chǎng)崗位人員，提高整個(gè)礦山生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)男屎桶踩?，?shí)現(xiàn)礦山減員增效的目的。

智慧礦山；有軌機(jī)車；無人駕駛；減員增效

0 引 言

目前，國內(nèi)大部分礦山井下軌道運(yùn)輸均采用人工現(xiàn)場(chǎng)駕駛操控，只有少數(shù)幾家礦山采用人工地面遠(yuǎn)程遙控駕駛。采用人工現(xiàn)場(chǎng)駕駛操控，每臺(tái)電機(jī)車需配一名電機(jī)車司機(jī)、一名放礦工和清礦工，通過相互配合才能完成裝礦、運(yùn)輸、卸礦過程。生產(chǎn)工藝十分落后，作業(yè)人員密度大，勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性高，造成生產(chǎn)效率低下及人為事故等問題，存在很大的安全隱患，并且有人員上下井換班時(shí)間，使得運(yùn)輸有效時(shí)間大大縮短，直接影響產(chǎn)量。采用人工地面遠(yuǎn)程遙控駕駛的運(yùn)輸系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了部分運(yùn)輸線路的自動(dòng)無人駕駛，運(yùn)輸線路是采用固定區(qū)間閉塞的方法實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制，采用這種技術(shù)車與車之間的間隔變長(zhǎng)，運(yùn)輸時(shí)間也相應(yīng)變長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率；系統(tǒng)機(jī)車沒有采用或采用單一傳感器的前視障礙物監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)效果不理想，存在安全隱患。系統(tǒng)放礦作業(yè)車廂定位采用人工遠(yuǎn)程駕駛機(jī)車前進(jìn)或后退進(jìn)行定位，定位時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)車運(yùn)行控制是以調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件為主，機(jī)車與調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件必須保持實(shí)時(shí)的通信，如果通信中斷，線路所有機(jī)車必須緊急停車，否則有追尾的安全隱患。隨著用工成本的不斷增大，以及人們對(duì)井下惡劣環(huán)境造成各種職業(yè)病的擔(dān)憂，井下招工越來越難。若要解決以上存在的問題，達(dá)到減員增效的目的，就必須有一套高效而且安全可靠的自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)來保證，因此，實(shí)施有軌電機(jī)車無人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)意義非常重大。

1 井下無人駕駛的難點(diǎn)

在礦井軌道上，需要識(shí)別的障礙物包括人、機(jī)車、礦石、巖石、木頭、遺落的工具等。系統(tǒng)識(shí)別的物體體積更小，一個(gè)10 cm×10 cm的巖石就有可能影響機(jī)車運(yùn)行。系統(tǒng)判斷障礙物的距離更遠(yuǎn)，重載電機(jī)車的制動(dòng)距離需要近100 m才能剎停，判斷難度和反應(yīng)速度要求更高更快。軌道框架凈空和巷道壁的距離余量更窄，障礙物距離軌道20 cm時(shí)就需要判斷物體是否造成危險(xiǎn)。誤判會(huì)成為一個(gè)棘手的問題，在礦井軌道拐彎視覺前方就是巷道壁，布滿了不規(guī)則的礦石，很容易導(dǎo)致障礙物識(shí)別的誤判，造成機(jī)車緊急制動(dòng)。在井下軌道上有大量的鐵，需要有效區(qū)別鐵和障礙物。井下軌道地面高度會(huì)頻繁變化，對(duì)無人駕駛系統(tǒng)設(shè)備的抗震要求更高。電機(jī)車與調(diào)度系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性要求更高，需要做到漫游不掉包，時(shí)延小，否則將影響系統(tǒng)對(duì)電機(jī)車的控制。一般通常認(rèn)為，無人駕駛汽車所面臨的環(huán)境非常復(fù)雜，軌道環(huán)境比較單一，所以技術(shù)上應(yīng)該是無人駕駛汽車的技術(shù)更難，但實(shí)際上是軌道機(jī)車無人駕駛比無人駕駛汽車更具備挑戰(zhàn)性，難度更高。

目前井下電機(jī)車自動(dòng)裝礦功能，國內(nèi)外均未做到。雖然從理論上自動(dòng)裝礦控制技術(shù)已經(jīng)不是難題，但在實(shí)際使用上因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和安全保障的要求上，還是存在很大難度，尤其在檢測(cè)反饋方面，要實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)裝礦，確保自動(dòng)裝礦的安全可靠，需長(zhǎng)時(shí)間采集實(shí)際生產(chǎn)中的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)、放礦控制執(zhí)行數(shù)據(jù)和機(jī)車運(yùn)行情況，然后建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化算法。最后把模型化的數(shù)據(jù)應(yīng)用到放礦控制和電機(jī)車控制中，來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)裝礦。

2 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)電機(jī)車能根據(jù)運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)配礦計(jì)劃自主運(yùn)行，進(jìn)入指定的溜井進(jìn)行裝礦，由地面溜井放礦人員結(jié)合視頻監(jiān)控和車廂自動(dòng)精確定位后遠(yuǎn)程放礦，裝完礦后自動(dòng)進(jìn)入線路運(yùn)行，按計(jì)劃到指定的卸載站進(jìn)行卸礦，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的全自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)具備全自動(dòng)無人駕駛、中控室遠(yuǎn)程遙控駕駛、機(jī)車駕駛室人工駕駛3種切換模式。機(jī)車運(yùn)行平時(shí)處于機(jī)車自主無人駕駛模式，突發(fā)情況可通過遠(yuǎn)程遙控或駕駛室人工 干預(yù)。

該系統(tǒng)是以WiFi無線通信及工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸平臺(tái)，信集閉系統(tǒng)和智能行車控制系統(tǒng)為安全依托，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、精確定位技術(shù)、信息與通訊技術(shù)、無線通信技術(shù)、融合傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下有軌電機(jī)車的無人自動(dòng)駕駛。系統(tǒng)電機(jī)車可以根據(jù)調(diào)度計(jì)劃自主運(yùn)行，進(jìn)入指定的溜井進(jìn)行裝礦時(shí)，由溜井放礦人員結(jié)合視頻監(jiān)控和車廂自動(dòng)精確定位后遠(yuǎn)程放礦，裝完礦后自動(dòng)進(jìn)入線路運(yùn)行，按計(jì)劃到指定的卸載站進(jìn)行卸礦，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的全自動(dòng)運(yùn)行。具備全自動(dòng)無人駕駛、中控室遠(yuǎn)程遙控駕駛、機(jī)車駕駛室人工駕駛3種切換模式。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由智能行車控制系統(tǒng)、信集閉系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、機(jī)車跟蹤定位系統(tǒng)、放礦遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、卸礦坑位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)7個(gè)子系統(tǒng)組成。

2.2 子系統(tǒng)主要功能

2.2.1 智能行車控制系統(tǒng)

包括變頻電機(jī)車、智能車載控制器(含行車智能控制軟件和前視障礙物監(jiān)測(cè)軟件)和前視障礙物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

(1) 變頻電機(jī)車。變頻電機(jī)車具有司控駕駛模式、遠(yuǎn)程和自動(dòng)駕駛模式切換。機(jī)車除了控制前進(jìn)、后退、制動(dòng)和速度外還應(yīng)控制車燈和鳴笛?？梢酝ㄟ^電控升降受電弓，同時(shí)需要檢測(cè)受電弓下降的狀態(tài)。機(jī)車采用排氣制動(dòng)，在斷電和缺氣的情況下，保證機(jī)車可靠制動(dòng)，同時(shí)需要檢測(cè)氣缸的氣壓狀態(tài)。機(jī)車變頻控制器具有對(duì)外通訊接口與智能車載控制器通信。

(2) 智能車載控制器。智能車載控制器是智能行車控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。它能通過行車智能控制軟件自主接收運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)主機(jī)分配的運(yùn)輸任務(wù)，獲悉運(yùn)輸路徑信息，通過前視障礙物監(jiān)測(cè)軟件對(duì)路況實(shí)時(shí)分析識(shí)別，結(jié)合機(jī)車狀態(tài)、定位信息和調(diào)度指揮系統(tǒng)狀態(tài)等，進(jìn)行自主運(yùn)行調(diào)整、啟停和速度控制等(與變頻控制器主板通訊完成)。實(shí)現(xiàn)除放礦區(qū)域外的自動(dòng)駕駛。智能車載控制器在運(yùn)行過程中能自動(dòng)計(jì)算速度，可根據(jù)直道、彎道、岔道等不同的路段進(jìn)行動(dòng)態(tài)限速設(shè)置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)限速。

(3) 前視障礙物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是智能行車控制系統(tǒng)的眼睛，是無人駕駛系統(tǒng)的安全依靠。它包括智能車載控制器內(nèi)的前視障礙物監(jiān)測(cè)軟件和融合傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)配置超聲波雷達(dá)、激光掃描儀、毫米波雷達(dá)、AI紅外攝像機(jī)和紅外線傳感器5種傳感設(shè)備。通過多個(gè)傳感器協(xié)同工作提供全方位傳感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，然后進(jìn)行建模，通過智能AI將監(jiān)測(cè)的多路數(shù)據(jù)整合并智能識(shí)別為：障礙物、參照物、無關(guān)物體，并判斷物體是否在軌道限界內(nèi)、移動(dòng)或靜止。監(jiān)測(cè)物體清單和列車運(yùn)行狀態(tài)整合形成全局模型，并不斷自身學(xué)習(xí)。系統(tǒng)可全天候在惡劣環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行，可在白天、夜晚、雨水、粉塵、大霧、高低溫等極端氣候下有效運(yùn)行。系統(tǒng)可在小于300 ms的時(shí)間內(nèi)有效探測(cè)到200 m內(nèi)障礙物。

系統(tǒng)可將運(yùn)行路線中已有固定物體設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，對(duì)于闖入環(huán)境中的物體自動(dòng)判斷是否處于機(jī)車運(yùn)行線路；判斷闖入物體是否會(huì)對(duì)機(jī)車的運(yùn)行造成影響，以及影響的程度如何；判斷為無影響的物體，如塑料袋，紙屑等，則不發(fā)出警告，不對(duì)進(jìn)入物體進(jìn)行響應(yīng)；如判斷闖入物體會(huì)對(duì)機(jī)車運(yùn)行造成危害，則根據(jù)危害程度給出機(jī)車急剎車或者緩慢剎車信號(hào)。

本系統(tǒng)傳感器配置基本與汽車的無人駕駛技術(shù)一致，傳感器種類與谷歌、特斯拉等領(lǐng)先無人駕駛車企配置一致，同時(shí)還多了紅外線傳感器。

2.2.2 機(jī)車跟蹤定位系統(tǒng)

包括電機(jī)車、車廂以及升降弓位置的定位。機(jī)車定位通過采集變頻器速度計(jì)算位移并結(jié)合軌道GIS地圖實(shí)現(xiàn)定位，由于變頻器基礎(chǔ)速度數(shù)據(jù)存在一定誤差，需要經(jīng)過通訊基站和RFID校正來實(shí)現(xiàn)精確定位，定位精度可達(dá)2 m。

放礦時(shí)機(jī)車車廂精準(zhǔn)地停靠在放礦機(jī)臺(tái)板下，是通過安裝在車頭的激光傳感器和限位開關(guān)以及模型化的軟件行車控制來完成。由于每列機(jī)車車廂間距都不一致，定位需要通過采集實(shí)際每列機(jī)車每節(jié)車廂?？康倪\(yùn)行數(shù)據(jù)，然后建立每輛車的數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化算法。每列機(jī)車通過激光傳感器或限位開關(guān)定位后根據(jù)自己模型化的數(shù)據(jù)來控制機(jī)車減速?？浚瑢?shí)現(xiàn)機(jī)車車廂的精準(zhǔn)?？?。

機(jī)車在經(jīng)過道岔、裝礦站和卸礦站時(shí)需要掌握精準(zhǔn)降弓和升弓的時(shí)機(jī)，通過車載激光傳感器和車載限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)車升降弓動(dòng)作位置的快速精確定位。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)包含工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)和無線WiFi網(wǎng)絡(luò)，核心部分采用光纜傳輸，通過百兆、千兆、萬兆交換機(jī)構(gòu)建一個(gè)工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)。通過在巷道頂或巷道壁安裝軌旁基站，實(shí)現(xiàn)井下無線WiFi信號(hào)的全覆蓋。機(jī)車車頭安裝有車載基站，采用雙模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車載基站在漫游過程中穩(wěn)定過渡，不斷線不丟包。保證無線通信的穩(wěn)定可靠。

2.2.4 信集閉系統(tǒng)

該系統(tǒng)借鑒鐵路、地鐵列調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)輸集中調(diào)度以及道岔等設(shè)備的自動(dòng)化控制。包括運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件和道岔信號(hào)燈控制。負(fù)責(zé)對(duì)智能行車控制系統(tǒng)下達(dá)裝、卸礦指令和運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)控，對(duì)井下信號(hào)燈、電動(dòng)道岔的集中控制。為了實(shí)現(xiàn)安全可靠、高效率的運(yùn)輸要求，系統(tǒng)軟件建立了數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型演算、形成了一套完整的運(yùn)行機(jī)制。

(1) 運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件。智能車載控制器將位置信息和車號(hào)傳回調(diào)度中心，系統(tǒng)主機(jī)軟件以電子地圖形式直觀顯示機(jī)車位置和車號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤。系統(tǒng)主機(jī)軟件還具有實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段以及整流變、分區(qū)開關(guān)功能。監(jiān)控室生產(chǎn)調(diào)度人員能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握各臺(tái)機(jī)車的運(yùn)行狀況及各運(yùn)輸子系統(tǒng)的狀態(tài)，通過WiFi通信系統(tǒng)對(duì)機(jī)車進(jìn)行控制。系統(tǒng)主機(jī)軟件同時(shí)還能以柱狀圖形式顯示各倉位高度，根據(jù)錄入的礦石品位數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成機(jī)車運(yùn)輸任務(wù)計(jì)劃，調(diào)度人員只需設(shè)置機(jī)車運(yùn)行目的地，通過WiFi通信系統(tǒng)下達(dá)運(yùn)輸指令給機(jī)車智能車載控制器，即可讓機(jī)車自動(dòng)駕駛。

機(jī)車運(yùn)行方案可實(shí)時(shí)調(diào)整下達(dá)，運(yùn)行調(diào)整方案是直接指揮行車的重要環(huán)節(jié)，調(diào)整方案的前提是有礦車運(yùn)行的變化情況、準(zhǔn)確位置和時(shí)間，在此基礎(chǔ)上與計(jì)劃實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，然后根據(jù)約束邏輯條件實(shí)時(shí)提出當(dāng)前所需要的運(yùn)行調(diào)整方案。

系統(tǒng)軟件具有電機(jī)車運(yùn)行軌跡回放；自動(dòng)記錄運(yùn)行過程數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)記錄井下運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)形成生產(chǎn)報(bào)表，用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行分析，生成管理報(bào)表等功能。

(2) 道岔聯(lián)鎖控制和敵對(duì)進(jìn)路聯(lián)鎖。由于機(jī)車具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤和前視障礙物自動(dòng)識(shí)別,可以實(shí)現(xiàn)大部分軌道所有機(jī)車運(yùn)輸?shù)囊苿?dòng)閉塞功能。運(yùn)行過程道岔和信號(hào)的申請(qǐng)控制由機(jī)車車載控制器和系統(tǒng)主機(jī)軟件自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)和轉(zhuǎn)轍機(jī)聯(lián)鎖控制和敵對(duì)進(jìn)路聯(lián)鎖功能。當(dāng)有多輛機(jī)車需要通過同一個(gè)道岔口時(shí)，由系統(tǒng)主機(jī)軟件以機(jī)車申請(qǐng)的先后順序判斷哪輛機(jī)車優(yōu)先通過，然后其它機(jī)車依次通過，實(shí)現(xiàn)敵對(duì)進(jìn)路聯(lián)鎖功能。

2.2.5 放礦遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用地面人工遠(yuǎn)程裝礦模式，溜井裝礦工作人員結(jié)合視頻監(jiān)控和車廂自動(dòng)精確定位后遠(yuǎn)程遙控裝礦，裝礦完成后自動(dòng)進(jìn)入線路運(yùn)行。

2.2.6 卸礦坑位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并上傳至運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)主機(jī)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)報(bào)警提示。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括機(jī)車跑偏、爬軌監(jiān)測(cè)和車廂閉合狀態(tài)監(jiān)測(cè)。跑偏和爬軌通過在重要位置安裝接近開關(guān)，通過接近開關(guān)來判斷；車廂閉合狀態(tài)通過在軌旁安裝光柵傳感器對(duì)射，車廂底部如果未閉合，則會(huì)遮擋光柵，即可判斷出車廂未閉合。

2.2.7 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)紅外攝像機(jī)，必須滿足井下重要位置的全方位無死角視頻監(jiān)控，以及保證視頻存儲(chǔ)時(shí)間超過3個(gè)月。

3 結(jié) 語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以智能行車控制系統(tǒng)為主，運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)為輔，保證通信故障情況下機(jī)車運(yùn)行的安全，杜絕追尾事故發(fā)生的可能。實(shí)現(xiàn)了機(jī)車之間的移動(dòng)閉塞，機(jī)車之間運(yùn)行間距保持在剎車距離范圍內(nèi)，在保證安全運(yùn)行的前提下減少了每輛車運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，提高了運(yùn)輸效率。實(shí)現(xiàn)機(jī)車在放礦作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)車無人駕駛和精確?？浚^人工遠(yuǎn)程遙控停車定位縮短2/3時(shí)間，裝礦作業(yè)效率高。具有適應(yīng)多種環(huán)境下的前視障礙物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證每個(gè)障礙物都被正確識(shí)別，避免碰撞事故發(fā)生，提高生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)陌踩?。系統(tǒng)部分功能已在紫金礦業(yè)軌道運(yùn)輸平臺(tái)應(yīng)用。系統(tǒng)達(dá)到了建設(shè)智慧礦山，減員增效、保障安全的效果。

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(2018?08?15)

馮迭騰(1987—)，男，福建人，工程師，從事電子通信與自動(dòng)化類產(chǎn)品的研發(fā)工作，Email：ternloon@qq. com。