王锴
淮北矿业股份有限公司物资分公司 安徽 淮北 235000
摘要：针对轨道辅助运输过程无法实现规则化、程序化和可统筹调度的有机整体的弊端，同时为了使矿井运输系统向信息化、数字化、智能化的新型监控模式转变，淮北矿业集团在桃园煤矿试验了矿井机车无人驾驶系统，通过对系统技术架构、关键技术、系统安全性的设计，实现了电机车无人驾驶，为矿井轨道运输的无线通信网络创新和发展做出探索性工作。
关键词： 轨道辅助运输；无人驾驶；技术架构；关键技术；系统安全
1、前言
现阶段煤矿井下辅助运输主要还是采用轨道机车，由于辅助运输系统的移动目标分散，机车行车规律性差，多为矸石车、物料车、空车、空机头作业任务，物料运输通常无明显的时间限制，行车路线不固定，每列车司机单点作业，经常会随意停放物料车皮，造成运输轨道区段会被长时间占用，其它车辆经过时需人工判断临时避让，现有技术手段无法实现规则化、程序化和可统筹调度的有机整体。矿井机车均为人工驾驶，操作环境差和技术保障手段缺乏导致轨道机车运输事故频发。
针对轨道辅助运输过程实际存在的现状，现有的系统级运输管理还存在较多安全隐患，虽有信号系统，但很难实现对电机车司机的有效管理和规范化运输，造成在辅助运输方面多有事故发生。
随着煤矿对生产运输安全和减员增效的要求，使矿井运输系统向信息化、数字化、智能化的新型监控模式转变，研制矿井机车无人驾驶系统可以将井下电机车运输环节规则化、程序化，实施电机车智能化控制，减少司机和押车工岗位，提升矿井物料生产转运效率，减少或避免矿井重大生产运输安全事故，提高矿井生产运输管理无人化、自动化和信息化水平。
2、系统设计
2.1 系统技术架构
系统在网络通信平台CNP、视频服务VSM和KJ293系统的支撑下，主要由DOMS（含数据库）、RCC、mVOBC（含定点检测装置）和HRCT组成。在总体上分三个层次，依次为：调度管理层，由DOMS承担，它统一指挥全系统电机车的工作运行；遥控操作层，由RCC/HRCT承担，它能够依照DOMS的派车指令，并且结合机车工况、运输工况和视频工况信息，对电机车实施远程驾驶；车载设备层，即mVOBC，它通过检测到的精确位置信息，计算机车的精确位置，依照RCC/HRCT的驾驶指令和DOMS限速指令，给机车下达安全运行的控制输出。
2.2 系统关键技术
1、WLAN的高带宽和移动性
移动机车需要将车载摄像头采集的多路高清视频图像信号以及传感/控制信号经无线网络传送至监控中心，为了满足高清视频流传送带宽(1080P, H.264 High Profile编码，12-20Mbps/路)需求，并且考虑到每个无线接入点附近最多可能有3台机车，矿井巷道内的宽带移动网络必须提供100M以上的通信带宽，才能保证高清视频信号的流畅传输。
选用KTF5矿用本安型基站与车载终端配套使用。为了提高网络带宽，本设备的每路射频使用2根天线，共2路4根天线，形成2×2双流传输，同时设置信道带宽为40MHz，由于需要组成一个带状网络，使用2个或2个以上互不干扰的信道。
国内5.8GHz频段范围为：5.725~5.850GHz（5.745、5.765、5.785、5.805、5.825），总共5个信道，频率间隔为20MHz，一个20MHz带宽的信道占用实际带宽为20MHz，所以5个信道都是互不干扰的频点。如果需要使用40MHz带宽，则能使用2个频点，可以组成带状网络。
网络通信性能指标要求：
1）工作频段：2.4G/5.8G（中国、美国标准）；
2）无线通信协议：IEEE802.11 g/n；
3）通信距离：300m（无障碍可视区域）；
4）网络延迟：≤2s；
5）网络丢包率：≤1%；
6）AP切换时间：≤500ms；
7）故障收敛时间：≤500ms；
8）车地无线通信频点带宽：20Mbps/列；
9）单AP基站管理的列车数量：2列。
2、机车定位跟踪
机车定位是信号联锁和实现无人驾驶的前提，KJ293系统采用轨道上安装的轨道计轴器进行区间定位，为了实现在关键点精确定位，系统在关键点安装定点检测装置，安装在轨道中间，通过安装在电机车底部的信标读卡激励天线，由mVOBC获取精确位置信息，并结合行车速度进行里程计算，判断机车运行的位置，从而实现对机车精确定位的目的。
1）定位精度指标
区间定位误差不大于5m，关键点定位精度≤1m。
2）定点检测原理
本系统的定点检测装置采用无源信标检测的方式，其原理是通过电磁藕合、感应，信标安装在轨道内侧，同点冗余配置，mVOBC信标识读器在机车两端安装各安装一付天线，信标ID以关联数据表的形式存储于mVOBC中，存储的关联数据信息包括冗余匹配ID、线路限速、线路长度等，当机车通过信标上方时，通过激励天线耦合，获得信标ID，然后调用mVOBC存储的关联数据，即可判断出机车位置，从而实现机车的精确位置判断。
3）信标布点设置
为了达到定位精度要求，结合控制相应灵敏度，信标布点设置要求如下：
①车场、维修硐室、充电硐室出口30米位置，运输干线每间隔500米位置，安装信标，用于机车精确位置标定、里程修正。
②线路分支岔口弯道转直道区域10米位置安装信标，用于机车精确位置标定、里程修正。
③矿石主运输—在放矿装车作业区距溜嘴的空车道20米、重车道10米各安装信标，用以判断电机车到达，发送电机车运行调速指令，辅助进行远程遥控放矿作业。
④矿石主运输—在卸矿站前后20米各安装信标，用于触发减速和判断卸矿完成。
⑤矿石主运输—在分区点前20米安装(如双向行车为则前后各安装)信标，通过检测电机车位置，触发电机车受控操作。
⑥辅助运输—物料解编作业区前方20米位置安装信标，用于引导机车驾驶模式转换。
4）定位误差超值报警
当通过一个定点检测装置时开始计算机车行驶的距离，到下一个定点检测装置时结束，计算的行驶距离为L，实际两个相邻的定点检查装置距离为L’。计算误差△L=|L-L’|，当△L≥5米时，系统通过DOMS进行报警提醒，超限自动停车。
2.3 系统安全设计
系统采用1oo1D的安全架构，采用这种系统架构，诊断功能可以把检测到的一个危险失效转变成安全失效，对于开路安全的系统有一定的安全性，而对于闭合安全型的接口，则采用输出接口并联的方式实现。
系统的通信接口包括系统外部通信接口和系统内部通信接口。系统外部通信接口包括DOMS与KJ293之间的以太网通信，是非安全通信接口。系统内部通信接口包括DOMS通信接口、RCC通信接口、mVOBC通信接口以及mVOBC与机车控制器的通信接口。
mVOBC子系统的通信模块是实现机车与调度、遥控台之间的安全通信接口，其以点对点方式接收DOMS、RCC控制命令信息，通过以太网方式将控制命令信息透明转发给mATP、mPLC，并接收mATP、mPLC上传的各种状态信息，转发给DOMS、RCC进行信息处理。
3、结束语
矿用电机车无人驾驶技术现已在淮北矿业集团桃园煤矿运用，系统以WiFi无线通信及千兆工业以太网络为传输平台，KJ293(A)煤矿轨道运输监控系统为基础，采用井下机车精确定位技术和机车调度技术，并结合电机车变频控制及远程拟人化操作，实施电机车智能化控制，实现电机车无人驾驶。通过对传输层网络规划与改造，在轨道运输大巷实现了WiFi信号无缝覆盖，通过对现有信集闭系统改造，实现对多台电机车运输的安全有序调度；实施电机车智能化接口改造，装配车载通信控制器，实现车地通信，接收远程测控指令，实现对电机车的远程驾驶。
桃园煤矿的矿用电机车无人驾驶技术的成功运用，实现了多路流媒体的跨AP实时传输，为矿井轨道运输的无线通信网络创新和发展做出探索性工作。