一种矿山有轨电机车无人自动驾驶系统

冯迭腾



一种矿山有轨电机车无人自动驾驶系统

冯迭腾

(厦门矿通科技有限公司，福建 厦门市 361000)

随着我国经济发展的稳中向好，建设智慧矿山，大力发展矿山信息化和智能化，已经成为矿山企业发展的趋势。根据原国家安监总局开展的“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动工作目标，目前为实现高危作业场所减少作业人员，大幅度提高企业安全生产水平的关键时期。为此，提出了一种矿山有轨电机车无人自动驾驶系统解决方案，通过运行该系统，将大大减少井下现场岗位人员，提高整个矿山生产运输的效率和安全性，实现矿山减员增效的目的。

智慧矿山；有轨机车；无人驾驶；减员增效

0 引 言

目前，国内大部分矿山井下轨道运输均采用人工现场驾驶操控，只有少数几家矿山采用人工地面远程遥控驾驶。采用人工现场驾驶操控，每台电机车需配一名电机车司机、一名放矿工和清矿工，通过相互配合才能完成装矿、运输、卸矿过程。生产工艺十分落后，作业人员密度大，劳动强度和危险性高，造成生产效率低下及人为事故等问题，存在很大的安全隐患，并且有人员上下井换班时间，使得运输有效时间大大缩短，直接影响产量。采用人工地面远程遥控驾驶的运输系统仅实现了部分运输线路的自动无人驾驶，运输线路是采用固定区间闭塞的方法实现安全机制，采用这种技术车与车之间的间隔变长，运输时间也相应变长，影响生产效率；系统机车没有采用或采用单一传感器的前视障碍物监测技术，监测效果不理想，存在安全隐患。系统放矿作业车厢定位采用人工远程驾驶机车前进或后退进行定位，定位时间长，影响生产效率。整个系统的机车运行控制是以调度指挥系统软件为主，机车与调度指挥系统软件必须保持实时的通信，如果通信中断，线路所有机车必须紧急停车，否则有追尾的安全隐患。随着用工成本的不断增大，以及人们对井下恶劣环境造成各种职业病的担忧，井下招工越来越难。若要解决以上存在的问题，达到减员增效的目的，就必须有一套高效而且安全可靠的自动化运输系统来保证，因此，实施有轨电机车无人自动驾驶系统意义非常重大。

1 井下无人驾驶的难点

在矿井轨道上，需要识别的障碍物包括人、机车、矿石、岩石、木头、遗落的工具等。系统识别的物体体积更小，一个10 cm×10 cm的岩石就有可能影响机车运行。系统判断障碍物的距离更远，重载电机车的制动距离需要近100 m才能刹停，判断难度和反应速度要求更高更快。轨道框架净空和巷道壁的距离余量更窄，障碍物距离轨道20 cm时就需要判断物体是否造成危险。误判会成为一个棘手的问题，在矿井轨道拐弯视觉前方就是巷道壁，布满了不规则的矿石，很容易导致障碍物识别的误判，造成机车紧急制动。在井下轨道上有大量的铁，需要有效区别铁和障碍物。井下轨道地面高度会频繁变化，对无人驾驶系统设备的抗震要求更高。电机车与调度系统通信的稳定性要求更高，需要做到漫游不掉包，时延小，否则将影响系统对电机车的控制。一般通常认为，无人驾驶汽车所面临的环境非常复杂，轨道环境比较单一，所以技术上应该是无人驾驶汽车的技术更难，但实际上是轨道机车无人驾驶比无人驾驶汽车更具备挑战性，难度更高。

目前井下电机车自动装矿功能，国内外均未做到。虽然从理论上自动装矿控制技术已经不是难题，但在实际使用上因为现场生产工艺、现场环境和安全保障的要求上，还是存在很大难度，尤其在检测反馈方面，要实现真正的自动装矿，确保自动装矿的安全可靠，需长时间采集实际生产中的各项检测数据、放矿控制执行数据和机车运行情况，然后建立相关数学模型并优化算法。最后把模型化的数据应用到放矿控制和电机车控制中，来实现全自动装矿。

2 自动驾驶系统解决方案

系统电机车能根据运输调度指挥系统配矿计划自主运行，进入指定的溜井进行装矿，由地面溜井放矿人员结合视频监控和车厢自动精确定位后远程放矿，装完矿后自动进入线路运行，按计划到指定的卸载站进行卸矿，实现电机车的全自动运行。系统具备全自动无人驾驶、中控室远程遥控驾驶、机车驾驶室人工驾驶3种切换模式。机车运行平时处于机车自主无人驾驶模式，突发情况可通过远程遥控或驾驶室人工 干预。

该系统是以WiFi无线通信及工业以太网为传输平台，信集闭系统和智能行车控制系统为安全依托，采用大数据技术、互联网技术、物联网技术、精确定位技术、信息与通讯技术、无线通信技术、融合传感技术、自动化控制技术及计算机技术实现井下有轨电机车的无人自动驾驶。系统电机车可以根据调度计划自主运行，进入指定的溜井进行装矿时，由溜井放矿人员结合视频监控和车厢自动精确定位后远程放矿，装完矿后自动进入线路运行，按计划到指定的卸载站进行卸矿，实现电机车的全自动运行。具备全自动无人驾驶、中控室远程遥控驾驶、机车驾驶室人工驾驶3种切换模式。

2.1 系统组成

系统由智能行车控制系统、信集闭系统、网络通讯系统、机车跟踪定位系统、放矿远程控制系统、卸矿坑位监测系统和视频监控系统7个子系统组成。

2.2 子系统主要功能

2.2.1 智能行车控制系统

包括变频电机车、智能车载控制器(含行车智能控制软件和前视障碍物监测软件)和前视障碍物监测系统等。

(1) 变频电机车。变频电机车具有司控驾驶模式、远程和自动驾驶模式切换。机车除了控制前进、后退、制动和速度外还应控制车灯和鸣笛。可以通过电控升降受电弓，同时需要检测受电弓下降的状态。机车采用排气制动，在断电和缺气的情况下，保证机车可靠制动，同时需要检测气缸的气压状态。机车变频控制器具有对外通讯接口与智能车载控制器通信。

(2) 智能车载控制器。智能车载控制器是智能行车控制系统的核心设备。它能通过行车智能控制软件自主接收运输调度指挥系统主机分配的运输任务，获悉运输路径信息，通过前视障碍物监测软件对路况实时分析识别，结合机车状态、定位信息和调度指挥系统状态等，进行自主运行调整、启停和速度控制等(与变频控制器主板通讯完成)。实现除放矿区域外的自动驾驶。智能车载控制器在运行过程中能自动计算速度，可根据直道、弯道、岔道等不同的路段进行动态限速设置，实现动态限速。

(3) 前视障碍物监测系统。该系统是智能行车控制系统的眼睛，是无人驾驶系统的安全依靠。它包括智能车载控制器内的前视障碍物监测软件和融合传感器网络。系统配置超声波雷达、激光扫描仪、毫米波雷达、AI红外摄像机和红外线传感器5种传感设备。通过多个传感器协同工作提供全方位传感数据监测，然后进行建模，通过智能AI将监测的多路数据整合并智能识别为：障碍物、参照物、无关物体，并判断物体是否在轨道限界内、移动或静止。监测物体清单和列车运行状态整合形成全局模型，并不断自身学习。系统可全天候在恶劣环境稳定运行，可在白天、夜晚、雨水、粉尘、大雾、高低温等极端气候下有效运行。系统可在小于300 ms的时间内有效探测到200 m内障碍物。

系统可将运行路线中已有固定物体设定为标准环境，对于闯入环境中的物体自动判断是否处于机车运行线路；判断闯入物体是否会对机车的运行造成影响，以及影响的程度如何；判断为无影响的物体，如塑料袋，纸屑等，则不发出警告，不对进入物体进行响应；如判断闯入物体会对机车运行造成危害，则根据危害程度给出机车急刹车或者缓慢刹车信号。

本系统传感器配置基本与汽车的无人驾驶技术一致，传感器种类与谷歌、特斯拉等领先无人驾驶车企配置一致，同时还多了红外线传感器。

2.2.2 机车跟踪定位系统

包括电机车、车厢以及升降弓位置的定位。机车定位通过采集变频器速度计算位移并结合轨道GIS地图实现定位，由于变频器基础速度数据存在一定误差，需要经过通讯基站和RFID校正来实现精确定位，定位精度可达2 m。

放矿时机车车厢精准地停靠在放矿机台板下，是通过安装在车头的激光传感器和限位开关以及模型化的软件行车控制来完成。由于每列机车车厢间距都不一致，定位需要通过采集实际每列机车每节车厢停靠的运行数据，然后建立每辆车的数学模型并优化算法。每列机车通过激光传感器或限位开关定位后根据自己模型化的数据来控制机车减速停靠，实现机车车厢的精准停靠。

机车在经过道岔、装矿站和卸矿站时需要掌握精准降弓和升弓的时机，通过车载激光传感器和车载限位开关实现机车升降弓动作位置的快速精确定位。

2.2.3 网络通讯系统

整个通讯网络包含工业光纤环网和无线WiFi网络，核心部分采用光缆传输，通过百兆、千兆、万兆交换机构建一个工业光纤环网。通过在巷道顶或巷道壁安装轨旁基站，实现井下无线WiFi信号的全覆盖。机车车头安装有车载基站，采用双模块设计，实现车载基站在漫游过程中稳定过渡，不断线不丢包。保证无线通信的稳定可靠。

2.2.4 信集闭系统

该系统借鉴铁路、地铁列调技术，实现机车运输集中调度以及道岔等设备的自动化控制。包括运输调度指挥系统软件和道岔信号灯控制。负责对智能行车控制系统下达装、卸矿指令和运行系统监控，对井下信号灯、电动道岔的集中控制。为了实现安全可靠、高效率的运输要求，系统软件建立了数学模型，根据模型演算、形成了一套完整的运行机制。

(1) 运输调度指挥系统软件。智能车载控制器将位置信息和车号传回调度中心，系统主机软件以电子地图形式直观显示机车位置和车号，实现机车实时动态跟踪。系统主机软件还具有实时监控信号机、道岔、区段以及整流变、分区开关功能。监控室生产调度人员能实时、准确地掌握各台机车的运行状况及各运输子系统的状态，通过WiFi通信系统对机车进行控制。系统主机软件同时还能以柱状图形式显示各仓位高度，根据录入的矿石品位数据，自动生成机车运输任务计划，调度人员只需设置机车运行目的地，通过WiFi通信系统下达运输指令给机车智能车载控制器，即可让机车自动驾驶。

机车运行方案可实时调整下达，运行调整方案是直接指挥行车的重要环节，调整方案的前提是有矿车运行的变化情况、准确位置和时间，在此基础上与计划实时进行比较，然后根据约束逻辑条件实时提出当前所需要的运行调整方案。

系统软件具有电机车运行轨迹回放；自动记录运行过程数据，能够自动记录井下运输的各项数据，并统计形成生产报表，用于现场生产运行分析，生成管理报表等功能。

(2) 道岔联锁控制和敌对进路联锁。由于机车具有实时动态跟踪和前视障碍物自动识别,可以实现大部分轨道所有机车运输的移动闭塞功能。运行过程道岔和信号的申请控制由机车车载控制器和系统主机软件自动完成，实现信号机和转辙机联锁控制和敌对进路联锁功能。当有多辆机车需要通过同一个道岔口时，由系统主机软件以机车申请的先后顺序判断哪辆机车优先通过，然后其它机车依次通过，实现敌对进路联锁功能。

2.2.5 放矿远程控制系统

系统采用地面人工远程装矿模式，溜井装矿工作人员结合视频监控和车厢自动精确定位后远程遥控装矿，装矿完成后自动进入线路运行。

2.2.6 卸矿坑位监测系统

该系统通过采集监测数据，并上传至运输调度指挥系统主机，数据出现异常时会报警提示。系统监测数据包括机车跑偏、爬轨监测和车厢闭合状态监测。跑偏和爬轨通过在重要位置安装接近开关，通过接近开关来判断；车厢闭合状态通过在轨旁安装光栅传感器对射，车厢底部如果未闭合，则会遮挡光栅，即可判断出车厢未闭合。

2.2.7 视频监控系统

系统采用网络红外摄像机，必须满足井下重要位置的全方位无死角视频监控，以及保证视频存储时间超过3个月。

3 结 语

系统实现了以智能行车控制系统为主，运输调度指挥系统为辅，保证通信故障情况下机车运行的安全，杜绝追尾事故发生的可能。实现了机车之间的移动闭塞，机车之间运行间距保持在刹车距离范围内，在保证安全运行的前提下减少了每辆车运输的时间，提高了运输效率。实现机车在放矿作业环节的机车无人驾驶和精确停靠，较人工远程遥控停车定位缩短2/3时间，装矿作业效率高。具有适应多种环境下的前视障碍物监测系统，保证每个障碍物都被正确识别，避免碰撞事故发生，提高生产运输的安全性。系统部分功能已在紫金矿业轨道运输平台应用。系统达到了建设智慧矿山，减员增效、保障安全的效果。

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(2018−08−15)

冯迭腾(1987—)，男，福建人，工程师，从事电子通信与自动化类产品的研发工作，Email：ternloon@qq. com。