一种矿山有轨电机车无人自动驾驶系统

ISSN 1671-2900采矿技术第19卷第2期 2019年3月CN 43-1347/TD Mining Technology，Vol.19，No.2 Mar. 2019 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)

摘要：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。

关键词：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

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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，

图1 自动驾驶系统架构