论电铲从传统模式到智能远程操控的深远影响

张志勇，陈 闯，张立伟，马继伟，张玉林，邓小军，郭大伟

（1.内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司南露天煤矿，内蒙古 通辽 029200；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030020）

1 传统模式下电铲存在的问题

电铲作为露天矿常用的挖装设备，用于露天矿山进行剥离或采掘等工作，是露天矿山间断和半连续开采工艺系统的关键设备，其综合性能直接决定着整个矿山开采的生产效率。传统模式主要依靠人工经验操作，工作环境存在现场温差大、高粉尘，设备冲击负荷、震动、颠簸强烈。同时，电铲本体存在体积大、操作难度大、危险系数高，长时间连续工作易疲劳等问题[1-2]。从作业、人机交互、节能环保、成本、安全生产等方面采集各项数据进行分析说明，见图1。

图1 传统操控模式的影响因素

2 电铲传统模式操控存在的问题

2.1 电铲传统模式操控的危险

从驾驶员、电铲设备本体、配合的装卸车辆等方面进行具体举例说明。

1）一旦发生车体倾覆，威胁司机的生命安全。电铲最大爬坡角度一般不超过15°，实际装载作业时不能超过4°，在现场操作时，司机一旦没有按照标准进行操作，没能及时调整电铲的姿态，或操作过程中发生设备故障等问题导致车体倾覆，威胁司机的人身生命安全。

2）视觉盲区导致的磕碰事故、人员误伤。大型矿用电铲的盲区是指操作人员的视线看不到的设备工作运动涉及的空间区域。盲区存在的主要原因是设备体量过大和驾驶室布局狭窄。体积过大，驾驶员无法实时掌握后方及侧方的视野及回转半径，一方面生产过程中容易与装载设备发生磕碰，另一方面对附近的人员产生安全威胁。

3）作业时电铲与矿卡的碰撞。电铲在施工过程中，尤其是装车环节，空间高频率大角度旋转，很容易因为视野范围受限或机手操作失误等原因，无法瞄准地点、碰撞卡车、卸料时误砸卡车，甚至还可能出现人员伤亡等严重事故。所以，在设备作业期间，需要对工作装置移动范围内的障碍物进行判断与规避，防止碰撞以及可能造成人员受伤、设备损坏以及自机损伤等问题[3]。

4）容易产生驾驶疲劳，误操作等威胁安全生产。当任务紧张，开采作业量较大，需要人员加班加点，长时间连续作业，因疲劳而导致反应迟钝或判断力下降、操作失误增加，严重时会对车辆失去控制，造成事故的发生。同时，电铲在长时间运转中，也会造成疲劳，不仅影响机械性能，还会造成严重事故，见图2。

图2 疲劳驾驶的表现及危害

5）电铲的斗齿掉落问题导致粉碎机破坏。电铲铲斗的斗齿在工作时因受到矿石物料较大的反作用力而容易发生脱落现象，操作者很难第一时间观察发现铲斗的斗齿掉落，并且时刻关注设备斗齿情况，会分散操作者的注意力，降低生产作业效率。装车结束后，装有掉落斗齿的车将其运送到下一流程，进行破筛，因斗齿材质、硬度等方面都与矿石等土料有差异，脱落的斗齿连同矿石物料一同进入碎石机中会导致碎石机损坏，进而引发整条采掘—破碎生产线的停工，给矿山造成了巨大的经济损失。

3 电铲远程操控系统

3.1 系统简介

以霍林河南露天煤矿的电铲远控系统为例，该系统由电铲本地端图像声音采集系统、远程端的图像声音重现系统、通讯模块接入（5G/4G/WIFI）、控制操作台及整套控制系统构成。其中，电铲操作台采用仿真驾驶室的结构，操作方式与实际在挖掘机中操作类似，操作者可快速适应远程操作模式。同时，操作台通过多路显示屏，传输现场作业信息，在远程操作过程中，司机面向的2D 电子屏幕需要提供全面的场景覆盖的同时，也需要通过各类传感器合理的布局，为远程操作手传递充足且条理清晰的现场图像信息，以及车体倾斜角度等物理传感数据。

其实景显示屏系统采用6 块显示器进行显示，能同时观察A 型架（自动弹窗行人识别）、左视，主视角采用图像拼接技术由中间上下两块显示屏构成，支持主视角下切屏到铲和地面的切角，司机室（天轮视角、楼梯后视）、右视等，弹窗可通过操作员按下手柄按键弹出画面，操作员松开按键，画面收回。

6 块显示屏能够完整呈现铲斗运行状态以及工作面情况，消除电铲四周盲区，清晰显示电铲外部四周情况；显示内部主要位置运行情况；显示电铲行走状态以及尾部电缆状态；完整显示卡车位置等。

3.2 远控系统的多项智能化功能

1）车态感知功能。系统采用倾角传感器来测量角度，该传感器集成多种传感芯片和处理芯片，可以采集处理多个姿态信息。传感器内置滤波算法，有效降低测量噪声，提高测量精度，快速计算当前的实时运动状态，反馈设备倾斜情况。在无干扰的情况下，水平方向测量误差在0.05°之内，垂直方向测量误差在1°之内。仪表盘展示电铲车体的倾斜角度，该仪表盘既具备图像指示的交互方式，又清晰明确地标注倾角数据，有效提示驾驶员目前电铲的实际倾斜状态，从而规避左右侧翻、前后倾覆的危险。当倾斜角度大于等于3°时，主显示屏边框发出持续警告，提示远程操作手尽快处理。此功能能够有效减少侧翻、跌落等工程机械成本的损耗和现场危险公关的成本支出，见图3。

图3 倾角仪状态显示

2）行人识别功能。本系统通过AI 引擎，使得设备具备车尾行人识别功能。车身后方安装有车尾摄像头，可以看到设备后方的全景图像。常规情况下，操作员的屏幕不显示后视视角。当有人员或其他设备出现在设备后方时，系统可以自动追踪检测到目标对象，并将后视图以弹窗的形式展示到主屏幕上，并将人员和设备用红色线框标注，使得提示作用更为明显。此功能通过人工智能的方式，扫除了操作手的视觉盲区，能够规避施工现场的最大安全隐患，大幅降低了工程和施工方的安全成本和运营成本。该功能既能及时识别人员，提醒司机注意保护，又能保证显示画面井然有序不杂乱，尽量不分散司机注意力，在安全可用的基础上，保障了远程作业的工作效率。

3）避障控制功能。本系统研发了定点卸料功能，远程操作手可以通过手柄上的“记录当前位置”按键，记录下当前铲斗，大臂和转台的传感器角度值，在作业臂运动到任意其他位置后，可以使用“复位”键。这时会通过传感器数据的变化自动计算出一条轨迹回到记录位置，完成卸料点的定位。该功能可以避免操作手因系统延迟、网络卡顿、2D 屏幕无法判断3D 景深的远程控制无法避免的一系列问题，造成的误伤卡车等事故，同时能够极大的提高远程装车效率。除此之外，为了防止自动复位时意外的发生，操作手执行抬起大臂操作会终止自动复位；为了方便操作手自动复位和卸料的流畅性，挖斗向外翻的操作也会终止自动复位；如果检测到电铲履带移动，轨迹规划会受到影响，这时会清除已记录的位置信息。

4）信号心跳监测制动功能。本系统在远程终端与智能控制系统之间，设计一套完整的信号心跳监测机制，流程如下页图4 所示。当远程终端的指令与智能控制系统的指令不能同步，差值超过500 ms时，智能控制系统立即停止电铲的动作指令。待二者同步后，智能控制系统恢复对电铲的动作指令输出。除此之外，智能控制系统与控制器之间，有命令检测机制，如果智能控制系统无法成功的向控制器发送指令，则控制器立即停止电铲的动作，待二者之间可正常收发指令后，控制器恢复电铲的动作输出。该功能有效保障电铲的动作执行结果符合预计。

图4 信号心跳检测机制

5）设备端和操作台均部署了应用层“密码登录”功能。本系统特别添加了密码登录界面，除了防止非法触动，还可通过选择受控设备编号，登录不同房间，输入密码后，操作相应的远程遥控设备。只有知道密码的人才能安全登录，其他“非法”人员则无法触动机器，借此最大程度保护系统和机器安全运作[3]。

6）紧急制动功能。为响应国家标准，解决实际需求，本系统设计了两种紧急制动功能：远程紧急制动和本地紧急制动。并且，远程紧急制动与本地紧急制动均为独立功能，只有二者均解除，电铲才可以正常动作。远程紧急制动。远程终端中包含1 个紧急制动按钮，紧急制动按钮为自锁式按钮，当需要执行紧急制动时，远程操作人员按下紧急按钮后，电铲的所有动作停止输出，同时直接切断挖机总电源，并熄火电铲。该功能可远程进行制动，防止误操作，也可以在发生意外时，紧急刹停电铲操作，充分保证远程操作安全性。如需要解除紧急制动，需重新启动设备。本地紧急制动。在作业现场，有独立的紧急制动开关，此开关为遥控式开关。开关采用315 m 长波通信，不与现有通信系统产生干扰。当现场人员需要在电铲内或电铲作业范围内工作时，可以按下锁定按钮，位于车上的接收单元收到信号后会强行切断驱动控制板卡电源，执行紧急制动，电铲的所有动作停止输出。如需要解除紧急制动，需重新启动设备。该功能赋予现场安全人员管理设备的权利，既可以在意外发生时刹停设备，也可以在现场需要对设备进行接管时确保现场人员的安全[3]。

7）斗齿识别功能。智能斗齿识别系统可以监控铲斗斗齿的磨损情况和是否掉落[4]，首先利用深度学习技术使得计算机能够在画面中定位出需要关注的位置，即斗齿部分，将这部分信息和其他信息独立开来，见图5。再使用计算机视觉相关技术，利用级联分类器，计算列均值和减去基线等方法，将二维图像转化成一维向量，从而判断断定是否有斗齿磨损或缺失。斗齿识别功能会一直在后台运行，一旦发现斗齿磨损或缺失，则会在屏幕上显示出斗齿损坏的信息和缺失的个数，操作者再与现场施工人员沟通，有效降低异常停机率，减少破筛设备损坏。

图5 斗齿状态识别

4 结论

近年来，随着国家推出智慧矿山等政策的助力以及5G 无线通讯设施在露天矿山的铺设，电铲智能远程操控系统将逐步替代传统作业模式，该系统设计遵循可靠性、可扩展性、高效性等多维度原则，拥有信号心跳监测制动、车态感知、紧急制动、密码登录、行人识别、避障控制、斗齿识别等功能可确保远程遥控驾驶系统安全可靠，实用性强，既可保障作业安全，又可提高作业效率。

在未来，随着政策的推动和科技的进步，远程无人驾驶智能设备会逐渐成为主流。科技进步并非代替人工，而是保护个体。在科技的加持下，施工可以兼顾效率与安全，真正做到无事故、无重复劳动、无低效产能。