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井下无人驾驶电机车运输关键技术研究

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李先福

[导读] 摘要：井下机车无人驾驶系统利用变频技术、微电子控制技术、井下GIS技术、井下高精度定位技术和高带宽、高可靠物联网技术，结合生产作业优化调度模型实现井下电机车遥控作业，该系统适用于多列编组、单机和双击牵引、多弯道岔道等复杂井下工况条件，极大地提高了生产效率，大量减少岗位工人和技术员。

        丹东东方测控技术股份有限公司
        摘要：井下机车无人驾驶系统利用变频技术、微电子控制技术、井下GIS技术、井下高精度定位技术和高带宽、高可靠物联网技术，结合生产作业优化调度模型实现井下电机车遥控作业，该系统适用于多列编组、单机和双击牵引、多弯道岔道等复杂井下工况条件，极大地提高了生产效率，大量减少岗位工人和技术员。电机车从卸载站开始，遵循选矿一定时间内输入品位稳定的原则，按照各个采区溜井测量基础数据得知各溜井的储矿量、地质品位进行数字化派车和配矿；到达采区溜井后，以额定装载量为标准，自动限制装载高度，进行远程遥控装矿；通过计算机自动调度列车，实现受电弓自动升降，区间内自动行驶；电机车到卸载站完成自动卸载及自动清扫等功能。
        关键词：井下无人驾驶电机车，信集闭系统，测速编码器，溜井远程放矿，智能矿山
        1引言
        全球矿业正经历一场新的革命，物联网、大数据等新兴技术和矿山的结合越发密切。矿山生产模式不断更新，采矿业逐渐向规模化、集约化、协同化方向发展，开始迈入智能化新阶段，智能化作为绿色矿山建设的一个重要方向，已引起矿业界高度关注。我国整体矿业技术与国外相比差距很大，不论在信息化还是智能化方面都处于前期的科技研发阶段。随着目前人工成本不断增加，安全和环境要求更加严格，国内矿山急需从劳动密集型粗放管理方式向高效智能化管理方式转变，以数字化、信息化和智能化带动传统矿业的转型和产业升级，打造“安全、高效、智能、绿色”矿山亦是我国政策的导向。
        井下电机车运输是矿山生产的重要环节，它承担着运输矿石、废石、物料等任务，国外无人驾驶车辆的研究开展较早，而且发展速度也较快，二十世纪八十年代瑞典在基律纳铁矿就采用了无人驾驶电机车运输技术，它将无线遥感电机车和无线通讯技术相结合，成功实现了井下电机车的无人遥控驾驶。我国的井下无人驾驶电机车技术研究尚处于起步阶段，目前国内井下轨道运输系统绝大部分为岗位人员现场驾驶、操作，每台电机车需配一名电机车司机和一名放矿工，通过相互配合才能完成对车、装矿、行车、放矿过程，容易造成装矿效率低下及装载异常等问题，且存在很大的安全隐患。
        井下电机车无人驾驶技术也能提升有轨运输的安全水平，缓解矿山远期井下招工难、用工成本高的问题，以实现经济效益和社会效益的双丰收的目标。因此，研究井下无人驾驶电机车技术是一项重大技术需求。
        许多大型矿山都面临“设备陈旧、自动化程度低、劳动强度大”等问题，为了顺应矿山智能化、无人化的发展需求，在一定程度上提高矿山生产的本质安全性和生产组织效率，满足企业降本增效的需要，本研究充分借鉴国内外同类行业的先进技术和经验，结合矿生产规模大、中段运输线路长、生产成本高、井下自动化程度不高等特点，将无人驾驶电机车技术应用于扩建工程，以数字化、信息化为基础，设备自动化为手段，将信息技术和矿业工程相结合，全面提升智能化水平，推进国内标杆性的智能矿山的建设。
        2无人驾驶电机车技术研究现状
        2.1国外研究现状
        国外无人驾驶车辆的研究开展较早，而且发展速度也较快。目前已在很多关键技术方面取得了突破，其中美国、德国、意大利、日本、法国等国家研究较为领先，已制造出多种样车。美国国家研究委员会预言：“世纪的核心武器是在人的监督下计算机控制的无人作战系统”。全世界各国科学家从此掀开了研究无人驾驶车辆的序幕。
        矿井机车无人驾驶系统与地铁无人驾驶系统同属轨道交通，两者有相似之处，但是矿井机车无人驾驶面临的井下环境更为恶劣，轨道路面情况复杂，运输任务多变，无法直接套用地铁无人驾驶方案。井下电机车无人驾驶技术最早在欧洲使用。二十世纪八十年代瑞典在基律纳铁矿就采用了无人驾驶电机车运输技术，它将无线遥感电机车和无线通讯技术相结合，成功实现了井下电机车的无人遥控驾驶。目前，该矿主运输巷道均采用无人驾驶电机车，由计算机系统控制其安全稳定运行。矿井机车无人驾驶技术主要在欧洲使用，真正有能力运用此项技术的国家还不多，这说明我们国家起步还不算太晚。
        2.2国内研究现状
        我国的井下无人驾驶机车技术研究尚处于起步阶段，采矿自动化设备及矿山生产管理控制系统的研制和开发也远没有形成规模。但相关矿企及设计研究单位借鉴国际先进技术，自主研发实现井下运输系统无人驾驶自动运行技术，在马钢张庄铁矿、锡铁山矿等矿山相继得到了应用和研究。
        2018年马钢张庄铁矿成功应用了无人驾驶电机车系统，该系统可以减少运输水平作业人员，包括井下电机车司机和溜井放矿工，并且在井上控制室一个人可以监管多台车的运行。此系统在改善劳动环境，增加设备运行时间的同时提高了生产能力，突破了井下恶劣生产环境、轨道打滑、放矿含有大块和原有生产工艺对系统运行稳定性、可靠性等难题，实现了井下无人驾驶电机车运行、自动放矿、轨道障碍物识别、防碰撞预警等无人驾驶系统的核心功能。并为张庄矿减少了井下作业人员30余人、改善了一线工人劳动环境、增加了设备运行时间、提升了矿山管理水平、实现了本质安全。真正实现机械化换人、自动化减人，达到降本增效的目的。
        电机车无人驾驶项目取得如下成效：
        1）电机车无人驾驶系统具备纯手动、半自动、全自动三种运行模式，可以根据生产需求自行切换；
        2）装矿系统由原有平硐内人工装矿，实现地面远程遥控装矿，并远程控制止矿闸门；
        3）电机车装矿完成后，系统可以下发自动运行指令，电机车根据系统设计好的导航路线自动运行，分区段定速行驶。卸矿过程为全自动卸矿和清扫，实现运行过程全自动；
        4）卸矿溜井料位监测，采集此数据作为数字派配矿指导卸矿标准，料位进行上下限报警，系统根据料位数据合理安排生产，并能够将料位数据传输至下一流程，为破碎机的工作提供参考；
        5）报表系统，生产数据、设备运行状态报表根据生产技术要求汇总；
        6）电机车运行状态存储，轨迹回放。
        随着我国信息化和自动化水平的提升，中国瑞林、马钢矿业、金川集团等企业在井下运输系统无人驾驶自动运行技术方面均取得突破。但还有许多需要改进的地方，例如无人驾驶机车不具备路况识别功能，对一些突发情况不能独立处理，需要人工干预。同时，因应用矿山的条件不同，建设方案也存在差异。因此井下有轨无人驾驶电机车在矿区运输系统中还需结合实际优化实施方案方能在更大范围推广。
        3井下有轨无人驾驶系统关键技术
        井下有轨无人驾驶系统连接控制信集闭系统，通过中央服务器系统根据生产计划、溜井物料高度等相关参数实现运输电机车无人驾驶。该系统通过计算机自动控制和远程遥控控制相结合的方式，实现电机车的无人驾驶和自动放矿，实现了障碍物检测，从而解放了运输中段的驾驶员，提高了生产力和安全水平，并最大限度的降低了运输中段人的参与，降低了生产人员劳动强度，提高了系统连续生产能力。

        （1）有轨运输信集闭系统
        有轨运输信集闭系统对井下电机车运行进行交通管制，规划运输路线，为电机车自动运行提供条件，信集闭系统的控制采用PLC控制方式，现场控制分站之间采用光缆通讯，传输距离远、施工方便、具有较强的抗干扰能力。系统留有接口，能满足用户对系统进行扩充、改造，以适应运输路线的不断变化，同时系统应有很强的纠错和容错能力；由上位机和下位机构成，上位机设在地面主控制室，下位机设在井下被控对象附近，两者之间的控制命令及被控对象的状态信息均由光纤通讯介质完成数字信号传输。
        根据配矿作业计划，“信集闭”自动控制系统统一协调指挥电机车运行路线和可开动时间，自动控制井下转辙机的动作，系统根据电机车所在位置和“信集闭”系统的信号指令，使电机车自动运行到指定装矿溜井，在整个运行过程中，根据电机车精确定位信息，实现电机车在不同运行区间按不同额定运行速度行驶。
        （2）电机车控制系统
        通过对电机车改造，将电机车控制权限通过转换开关送至DCS系统，在电机车上安装自动化控制系统，实时采集电机车各种信息，主要包括运行速度、运行方向、各种运行状态等，并且与控制中心系统通讯，进行数据交换。控制系统保留原有电机车的现场控制，在电机车上安装本地/远程控制转换开关。在电机车上安装无线VIP客户端和天线，用于电机车与运输水平无线基站连接，最终与远程控制中心系统相接，实现地面操作台的远程控制。
        （3）电机车精确定位系统
        电机车在实现其精准定位、本体控制、保护控制和防碰撞控制的基础上实现自动运行.
        ①安装测速编码器
        电机车上安装测速编码器，用于判断车辆运行方向，及运行距离，实现电机车的精确定位。测速编码器与电机车车轴相联,测速编码器的脉冲量是固定的,在轴旋转的时候,测速编码器就会输出脉冲，PLC系统根据单位时间内收到的脉冲信号，根据脉冲量与实际距离计算出电机车的真实速度。同时能够实时显示出电机车前进和倒退状态。
        ②安装定位标签
        由于电机车在运行和装矿的过程中，不断地前进、后退有可能给计量带来误差，造成电机车定位存在小的偏差。为了消除位置偏差，在电机车运输巷道的关键点位（穿脉进出口、溜井进出口、卸矿站进出口、车场进出口等）安装定位标签。同时，在电机车机头上安装标签检测装置，当电机车经过标签位置时，系统自动对电机车的位置进行修正，保证电机车的精确定位。
        ③电机车定位数据转换
        将井下运输巷道以一定的比例缩放至地面控制室上位机监控画面，通过将电机车的实时位置转换为电机车行驶的距离，并在上位机模拟画面中实时显示，实现电机车的精确定位。
        （4）电机车保护系统
        为确保车辆连续、安全运行，设计了车辆自动保护功能，通过对电机车的硬件和软件配置，实现对电机车的保护。电机车上安装不间断电源，预防由于滑线停电、电机车降弓、切换弓时造成的机车系统停电，影响自动化系统稳定运行。
        （5）电机车防碰撞系统
        在电机车实时精准定位的基础上，通过软件编制判断电机车的相对位置，以及机车安装雷达测距传感器，实现电机车防碰撞，障碍物检测系统采用国外先进的微波雷达，检测距离达150米以上，能够在电机车运行过程中，自动识别机车前方是否存在障碍物，实时判断障碍物与电机车相对位置，并动态预判电机车与障碍物碰撞的时间，如果系统预判会发生碰撞，便会自动发出报警提醒操作员，并输出停车制动命令，从而有效保护井下人员和设备的安全。
        （6）电机车自动运行系统
        电机车在精准定位、本体控制、自我保护、防碰撞的基础上，实现无人驾驶自动运行，提高电机车的运输效率，井下电机车运输系统是矿井运输的大动脉，电机车的安全高效运行是地采生产的关键环节。随着地下开采规模的不断扩大，与生产紧密相关的井下电机车运输任务也越来越繁重，通常采取增加运输车辆和车次、或者提高车速等措施来适应生产需要。为满足矿石和废石运输需求，运输巷道会出现多台列车同时运行，这就涉及到电机车运行本体的控制、自我保护控制、防碰撞控制等，电机车自动运行系统，用于监测和远程控制所有电机车的运行情况。本系统为确保车辆连续、安全运行，设计了车辆精确定位、自动保护功能，并为实现无人驾驶提供了电机车自动运行方案。
        （7）溜井料位检测系统
        溜井料位检测系统为控制中心数字化派配矿系统提供基础数据，电机车自动运行与溜井远程放矿控制：为方便操作员控制电机车运行和溜井远程放矿，将电机车操作台和溜井远程放矿操作台合二为一。每个操作台内均配置一台控制单元与工控机，以便实现对操作台内手柄、开关等信号的采集。无论对于电机车还是溜井的远程遥控，均设计一键启停功能，即通过手柄上某一个按钮来实现井下设备的遥控功能，让操作人员对整个系统能够轻易上手并且极大的减少了劳动强度。编写上位画面，实时显示井下运输系统的运行状态信息，也可以借此实现电机车远程遥控与远程放矿。井下有轨运输无人驾驶系统在地面控制室共配置充足的远程放矿控制台，操作员可任意选择控制台来远程控制溜井以及电机车。
        （8）视频监控系统
        用的传输网络，保证传输视频的实时性，方便人员及时了解井下重点部位实时情况。视频监控系统将顶装式放矿机点位、主溜井、主要进出口、道岔口、牵引变电所、电机车头等重点监控部位，通过光纤传输到地表主控室，进行实时监控，并用于辅助生产。用的传输网络，保证传输视频的实时性，方便人员及时了解井下重点部位实时情况。
        （9）溜井远程放矿系统
        溜井远程放矿系统与视频监控系统配合实现远程人工高效装矿，采用无人驾驶电机车运输，在中控室内可对电机车的运行速度进行遥控操作。装载站动态操作技术成熟，且采用视频方法可以直接观察矿车的装矿情况，因此，可在中控室对装载站的运行进行操作，完成装矿工作。
        通过实际装矿操作证明，在中控室内，操作工通过视频监控系统，完全可以完成装矿工作。如果开拓运输系统配置合理，一个调度人员可以控制3列机车的装矿工作。从本项目实际远程遥控装矿方式出发，操作工在经过一定时间的操作后，完全可以达到与现场控制装矿相同的效果。为使远程操作人员的操作更加准确，视频摄像头监控范围可适时调整。如果在配合机车位置检测辅助功能和矿车装满料位检测功能，会更大程度提高远程遥控装矿的效率。
        （10）主干有线通讯网络及运输巷道无线通讯网络系统
        主干有线通讯网络及运输巷道无线通讯网络系统为整个井下电机车运输系统提供网络传输服务。网络通信系统依据矿山通信现状及固有特点而设计的集成通讯、监控一体化的网络系统，采用统一标准的工业以太网网络架构以及当前国际流行的有线和无线相结合的技术方案，有线基础网络架构基于1000Mb/s光纤以太网而构建，无线网状架构则基于标准WIFI和4G-LTE技术，为井下设备的数据传输提供了一个透明的公用平台。
        （11）轨道衡自动卸载矿系统
        轨道衡系统实现电机车去主溜井卸矿的动态计量，并实时传至核心机房，现场安装电动高压清洗泵，依据矿车的卸载位置安装高压喷枪，现场安装控制分站和红外对射传感器，将高压清洗泵控制回路接入控制分站之中，将机车控制与高压清洗泵的控制进行系统性连锁，当机车通过卸载站时，根据电机车的行程位置进行实时精确判断位置，控制系统自动启动高压清洗泵，依据矿车底部的卸矿方向，高压喷头以雾状形式将车斗粘矿冲下卸载站，达到卸载不沾料；当最后一节矿车冲洗完毕后，高压清洗泵自动停止运行，实现卸载站的清扫喷淋的效果。
        （12）派配矿系统
        派配矿系统按照最优配矿方案直接安排生产计划，确定各溜井的放矿顺序与放矿量，确定电机车的运行区间及运行线路。
        （13）核心存储服务器
        为了确保井下自动化数据都能够及时准确无误的保存下来，在中心机房安装核心存储服务器。它可以存储井下所有运输及采区水平的工业数据，并向信息化提供现场基础数据服务。核心存储服务器系统对井下电机车自动运行系统中的重要数据进行记录保存，便于对生产情况和故障分析。
        4结语
        有轨运输无人驾驶系统为井下电机车运输提供数字化派配矿、遥控装矿、自动调度、自动行驶、自动卸矿、自动清扫、动态计量统计等功能，系统将井下放矿工、电机车司机等人员的工作位置由井下移动到地面，并将多工种合并一人操作，最大限度地减少操作人员。同时，通过定速自动运行功能，按标准控制电机车运行速度，最大限度地减少操作员的工作量，通过一人操控并监视多台电机车同时装矿，大大提高装矿速度。从经济效益、环境效益和社会效益看，下电机车无人驾驶系统不仅是常规井下矿电机车运输的发展趋势，更是高寒、高海拔和深矿井的必然要求。
        参考文献：
        [1] 王建斌，韩江洪，魏振春，等．井下无人驾驶机车运行过程控制的建模与验证［J］．合肥工业大学学报( 自然科学版) ，2018， 41( 6) : 773－779．
        [2]吴和平, 吴玲, 张毅, 等.井下无人采矿技术装备导航与控制关键技术[J].有色金属:矿山部分, 2007, 59 (6) :12-16.
        [3] 沈德贵.90年代国外金属地下矿采矿技术[J].国外金属矿山, 1991 (10) :28-37.
        [4] 隋淼．地下矿无人驾驶电机车运输关键技术探究川．中国设备工程，2017(8)：104一1055．