張維國,吳 桐,姚宗旭,葛啟發(fā)

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083）

0 概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要信息技術(shù)(IT)和通信技術(shù)(CT)相融合實(shí)現(xiàn)信息通信技術(shù)(ICT)的全面應(yīng)用。礦用電機(jī)車是井下運(yùn)輸?shù)V石、物料的主要運(yùn)輸工具,在礦巖運(yùn)輸中扮演著十分重要的角色。實(shí)現(xiàn)礦井電機(jī)車的無人化,一方面可以提高礦石運(yùn)輸?shù)男?節(jié)約成本；另一方面,可以避免危險(xiǎn)事故發(fā)生時(shí)對機(jī)車操作人員造成不必要的傷亡[1]。礦山有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)(OT)集成了信息通信技術(shù),將礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)緊密的結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)井下電機(jī)車自動(dòng)控制和無人駕駛,有效提高電機(jī)車運(yùn)行效率,降低礦石運(yùn)輸成本,緩解井下安全生產(chǎn)壓力[2]。在已實(shí)施有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的礦山,當(dāng)有軌運(yùn)輸電瓶車、材料車和人車等輔助車輛進(jìn)入后,如何確保輔助車輛有效避讓無人駕駛電機(jī)車和保障人員安全,成為礦山安全高效生產(chǎn)的主要內(nèi)容。2011年高峰針對井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和智能調(diào)度進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一種適用于煤礦井下無軌膠輪車系統(tǒng)的巷道運(yùn)輸線路分析方法,實(shí)現(xiàn)了無軌膠輪車運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)控制,減少巷道內(nèi)無軌膠輪車的堵車問題[3]。隨著有軌運(yùn)輸無人駕駛技術(shù)的成熟和全面推廣應(yīng)用[4-5],針對有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)與有軌輔助車輛,特別是有軌運(yùn)輸電瓶人車的管控,成為建設(shè)智能化安全礦山必須優(yōu)先考慮的問題。

1 有軌運(yùn)輸無人駕駛與電瓶人車運(yùn)輸

我國金屬礦山有近兩萬座,隨著金屬非金屬地下礦山資源開采難度加大,僅有少數(shù)礦山的現(xiàn)代化程度較高,深部開采將成為礦山的主要發(fā)展趨勢。有軌運(yùn)輸系統(tǒng)是地下礦山開采首選的生產(chǎn)運(yùn)輸工藝系統(tǒng)。礦用電機(jī)車是礦山開采過程中礦石和巖石運(yùn)輸?shù)挠熊夁\(yùn)輸設(shè)備,其具有運(yùn)力大、成本低、設(shè)備相對簡單、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn),在大型地下礦山中被廣泛采用。實(shí)現(xiàn)地下礦山有軌運(yùn)輸中段無人駕駛成為深部資源開發(fā)過程中的智能化和無人化技術(shù)發(fā)展趨勢。

當(dāng)前國內(nèi)有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)在多個(gè)礦山得到了成功應(yīng)用。2013年冬瓜山銅礦-875 m運(yùn)輸中段無人駕駛電機(jī)車試驗(yàn)成功,驗(yàn)證了該技術(shù)方案實(shí)用可行,取得了良好的效果[6]。劉海和葛啟發(fā)等人針對高海拔礦井長距離無人駕駛電機(jī)車提出了基于基礎(chǔ)運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的優(yōu)化方案,并實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)牽引的有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用[7]。王錦勝針對行洛坑鎢礦采用的溜井裝礦、平硐開拓有軌運(yùn)輸和底側(cè)式卸礦方式,結(jié)合生產(chǎn)工藝流程及管理的特點(diǎn),構(gòu)建了有軌電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了地面遠(yuǎn)程遙控裝礦、有軌電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)運(yùn)行及全自動(dòng)卸礦等功能[8]。紫金山金銅礦、酒鋼西溝礦和鏡鐵山2 520 m電機(jī)車無人駕駛技術(shù)也得到了應(yīng)用[9-11]。陳志剛提出了煤礦有軌電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的解決方案[12]。

礦山有軌運(yùn)輸無人駕駛項(xiàng)目建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)即為“無人則安”,當(dāng)有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)投入運(yùn)行后,需要考慮現(xiàn)場其他生產(chǎn)工序開展工作時(shí)的人員進(jìn)出和材料運(yùn)輸問題,特別是有軌運(yùn)輸電瓶人車、材料車和其他有人駕駛的輔助車輛與無人駕駛系統(tǒng)存在同時(shí)運(yùn)行或者交替運(yùn)輸?shù)那闆r。雖然,王京華和王李管等人提出基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的礦井電機(jī)車無人駕駛障礙物檢測[13],以及呂秀娟提出的井下電機(jī)車無人駕駛的移動(dòng)閉塞技術(shù)進(jìn)行防碰撞檢測和信號系統(tǒng)管理[14],礦山實(shí)際生產(chǎn)管理中需要充分考慮有人駕駛電瓶人車的安全,實(shí)現(xiàn)電瓶人車與無人駕駛電機(jī)車的信息交互和智能放行管理,降低乘坐電瓶人車工作人員的安全風(fēng)險(xiǎn),降低電瓶人車的占道時(shí)間,提高無人駕駛電機(jī)車系統(tǒng)的運(yùn)行效率,從安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益方面都有迫切需求和實(shí)施的必要性。

2 有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 電瓶人車管控需要與系統(tǒng)構(gòu)成

以某銅礦為例,其有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)成功投入運(yùn)行,為了方便采場相關(guān)作業(yè)人員出入和部分材料運(yùn)輸采購了兩臺電瓶驅(qū)動(dòng)的電機(jī)車。有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)在運(yùn)行過程中和電瓶人車存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)從項(xiàng)目現(xiàn)場運(yùn)行和安全管理的需要出發(fā),通過系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電瓶人車與無人駕駛電機(jī)車的智能管控。有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)由車載終端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、巷道定位基站、調(diào)度中心控制系統(tǒng)等部分組成。

現(xiàn)場應(yīng)用表明礦山有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)技術(shù)成熟、維護(hù)管理簡單、運(yùn)行可靠,可有效降低電瓶人車駕駛?cè)藛T和乘車人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),降低電瓶人車的占道時(shí)間,提高無人駕駛電機(jī)車系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.2 車載移動(dòng)終端與通訊定位系統(tǒng)

考慮到軟硬件成本和可行性,有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)沒有用工業(yè)控制平臺開發(fā)而采用了車載移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)定位和可視化智能調(diào)度管理,其中,在電瓶人車上安裝了車載移動(dòng)終端系統(tǒng),其采用集成觸控屏的工業(yè)計(jì)算機(jī)一體機(jī)作為,即工業(yè)集成電腦整機(jī)。車載移動(dòng)終端系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件平臺兩部分作為車載平臺的構(gòu)成,管控系統(tǒng)車載移動(dòng)終端如圖1所示。因礦山現(xiàn)場條件比較嚴(yán)苛、工況有限制和運(yùn)行要求,車載終端選用嵌入式設(shè)備制造工藝,抗干擾、抗嚴(yán)寒、抗震動(dòng)、防眩光、防塵防雨能力強(qiáng),結(jié)合高可靠的WIFI雙天線CPE通信和4G公網(wǎng)通信模塊保障數(shù)據(jù)可靠傳輸,并且將GPS和UWB定位模塊進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)地表露天工業(yè)場地和平硐內(nèi)的連續(xù)高精度定位。為了實(shí)現(xiàn)可靠的管控,根據(jù)現(xiàn)場需求集成工業(yè)級觸控屏幕、語音模塊、顯示模塊、多接口擴(kuò)展模塊等,以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備位置及工作信息的上下傳輸。

圖1 管控系統(tǒng)車載移動(dòng)終端

2.3 巷道定位基站與設(shè)備安裝

有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)需要在電瓶人車運(yùn)行的全線路上進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和通信,為了嚴(yán)格管控有軌運(yùn)輸電瓶人車在地表停車場的出入,在露天采用了GPS定位,進(jìn)入平硐之后將UWB定位基站與某銅礦有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的通信基站集成。某銅礦有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)在地表工業(yè)場地和平硐內(nèi)布置全覆蓋的高速WIFI通信系統(tǒng),通信基站布置已經(jīng)充分考慮了通信條件和彎道限制等。平硐內(nèi)定位基站與某銅礦有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)通信基站集成后,在平硐內(nèi)的UWB定位基站基本能夠全覆蓋整個(gè)巷道。UWB定位基站電源從基站引出220V交流電,通過在通信基站內(nèi)安裝電源轉(zhuǎn)換器之后,直接給UWB定位基站和天線供電。有軌運(yùn)輸無人駕駛通信基站配備有一塊可供基站工作2小時(shí)的電池,因此在接入U(xiǎn)WB定位基站電源后,不會(huì)對原有的通信系統(tǒng)造成較大影響。在設(shè)備安裝方面,UWB定位天線可附加到通信天線安裝支架上,因UWB定位采用超高頻微波通信,對某銅礦有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)通信也會(huì)造成干擾。

2.4 核心管控軟件與數(shù)據(jù)中心開發(fā)

有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)其核心功能是通過車載移動(dòng)終端軟件開發(fā)、服務(wù)器數(shù)據(jù)中心開發(fā)、無人駕駛系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口開發(fā)、管控客戶端、報(bào)警提醒與數(shù)據(jù)分析模塊等。

(1)數(shù)據(jù)中心功能:數(shù)據(jù)雙向高可靠通信、數(shù)據(jù)解算與狀態(tài)識別、數(shù)據(jù)存儲和管理、數(shù)據(jù)分析與發(fā)布、內(nèi)外部工業(yè)控制數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)接口模塊等功能。

(2)車載終端軟件:通信切換與信號強(qiáng)度管理、語音報(bào)警與提醒功能、定位數(shù)據(jù)通信功能、最佳定位數(shù)據(jù)獲取功能、車輛位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布、管理數(shù)據(jù)接收功能、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)功能、運(yùn)行地圖與其他電機(jī)車位置顯示功能、電瓶車工作任務(wù)管理功能、數(shù)據(jù)分析功能和異常狀態(tài)緊急管理功能。

(3)核心管控軟件:數(shù)據(jù)接收與分析、無人駕駛電機(jī)車與電瓶人車狀態(tài)位置現(xiàn)實(shí)功能、電瓶人車任務(wù)與運(yùn)行預(yù)警、電瓶人車放行管理和任務(wù)確認(rèn)、報(bào)警與異常處理、數(shù)據(jù)分析與管理、工業(yè)控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)通信,數(shù)據(jù)接口開發(fā)和數(shù)據(jù)交互等功能。

其他功能包括GPS定位U-blox芯片模塊數(shù)據(jù)解算、UWB基站及接受模塊數(shù)據(jù)格式分析與采集開發(fā)、可靠性數(shù)據(jù)通信與定位數(shù)據(jù)獲取、工藝聯(lián)動(dòng)與任務(wù)管控模塊、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)融合管控功能等。

3 電瓶人車管控系統(tǒng)測試

3.1 巷道UWB定位測試

有軌運(yùn)輸電瓶人車定位系統(tǒng)的定位方式包括GPS和UWB兩種,在地表露天工業(yè)場地采用可靠的GPS定位,實(shí)現(xiàn)電瓶人車的防碰撞和放行管理,在平硐內(nèi)采用UWB定位基站進(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)電瓶人車的低成本連續(xù)定位。

本次定位測試時(shí),在平硐的750 m、900 m處各安裝一個(gè)UWB定位基站,其中電瓶人車上的定位基站與巷道內(nèi)安裝的一致,便于以后更換和升級。在現(xiàn)場測試過程中可以實(shí)時(shí)通過電瓶人車的移動(dòng)終端查看定位信息,當(dāng)電瓶人車在兩個(gè)UWB定位基站中間往復(fù)運(yùn)行時(shí),可實(shí)時(shí)監(jiān)測定位的效果,包括定位精度、最佳距離、最大距離、定位位置等,將測出的定位位置與巷道標(biāo)注位置、基站設(shè)置位置進(jìn)行對比,進(jìn)而測試出定位的精度,測試效果基本達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。

圖2 750 m處UWB基站

圖3 900 m處UWB基站

圖4 定位終端標(biāo)簽連接

巷道UWB定位測情況,可以初步得到電瓶人車距離定位基站在60 m以內(nèi),位置變化較為均勻,能夠滿足較高精度定位需要,在65～95 m定位位置跳變較多,但電瓶人車定位位置仍然可以連續(xù)確定,總體來看定位精度可以滿足使用需求。

從現(xiàn)場UWB定位基站的安裝位置可以看出,定位基站安裝在巷道壁附近的基站箱上,考慮的本次測試現(xiàn)場的情況,沒有布置到天線支架上,如果需要更高的定位精度,可以優(yōu)化UWB定位基站安裝或者增加基站的功率。

3.2 中控和電瓶人車調(diào)度測試

(1)電瓶人車放行管理

在電瓶人車啟動(dòng)之前,電瓶人車司機(jī)需要通過車載移動(dòng)終端向中控發(fā)送運(yùn)行請求,中控上位機(jī)收到請求信息后,根據(jù)巷道運(yùn)輸情況決定是否允許電瓶人車運(yùn)行,同時(shí)確定輕車道運(yùn)行還是重車道運(yùn)行。

圖5 車載定位終端請求

圖6 中控調(diào)度回復(fù)

(2)電瓶人車位置顯示

電瓶人車位置顯示是將電瓶人車的定位位置換算成與電機(jī)車相同的坐標(biāo)系,在中控室無人駕駛監(jiān)控上位機(jī)畫面中集成顯示,方便無人駕駛操作員直觀的了解電瓶人車的動(dòng)向。

(3)電瓶人車調(diào)度功能

圖7 有軌運(yùn)輸電瓶人車位置顯示

傳統(tǒng)的中控操作人員與電瓶人車的通訊和調(diào)度通?？繂我坏膶χv系統(tǒng)進(jìn)行溝通,通訊方式單一,電瓶人車駕駛員存在疏忽和漏報(bào)的情況。本次測試調(diào)度功能主要針對中控操作人員與電瓶人車之間建立的數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)電瓶人車的放行和調(diào)度管控。電瓶人車司機(jī)可以通過車載移動(dòng)終端向中控室操作人員發(fā)送快捷請求調(diào)度信息,中控室操作人員也可以在有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)上位監(jiān)控界面上向電瓶人車司機(jī)發(fā)送調(diào)度指令。有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)調(diào)度信息可以定制并智能排序,實(shí)現(xiàn)快速對話。

圖8 有軌運(yùn)輸電瓶人車快速對話框

圖9 中控快速對話框

(4)電機(jī)車在電瓶人車移動(dòng)終端顯示

某銅礦四個(gè)編組的無人駕駛電機(jī)車需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示在電瓶人車車載移動(dòng)終端上,方便電瓶人車司機(jī)直觀準(zhǔn)確掌握與無人駕駛電機(jī)車的相對位置,從而保障自身和無人駕駛電機(jī)車的安全,提高應(yīng)急處置效率和降低安全風(fēng)險(xiǎn)。有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)可以將無人駕駛電機(jī)車的位置可以傳送到車載移動(dòng)終端,系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算電瓶人車與最近的無人駕駛電機(jī)車之間的位置和狀態(tài),實(shí)現(xiàn)精確的防碰撞顯示和監(jiān)測。

圖10 電機(jī)車在電瓶人車移動(dòng)終端上的顯示

3.3 電瓶人車和電機(jī)車防碰撞測試

電瓶人車和無人駕駛電機(jī)車防碰撞功能是有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)的主要功能之一,對于保障安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義。

防碰撞功能可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電瓶人車和無人駕駛電機(jī)車相對位置小于170 m時(shí),在中控有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的上位機(jī)和電瓶人車車載移動(dòng)終端上顯示醒目的報(bào)警信息,并給出相應(yīng)的操作提示。

圖11 有軌運(yùn)輸電瓶人車防碰撞報(bào)警顯示

4 結(jié)論

礦山有軌運(yùn)輸?shù)陌踩芸厥玛P(guān)礦山安全生產(chǎn)和人員安全,在實(shí)施了有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的礦山,在有軌運(yùn)輸電瓶人車上加裝工業(yè)控制車載移動(dòng)終端,依托高精度定位系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò),通過有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)中控有軌運(yùn)輸無人駕駛控制中心對所有有軌運(yùn)輸電瓶人車進(jìn)行放行和安全控制。

圖12 中控防碰撞報(bào)警畫面

某銅礦有軌運(yùn)輸電瓶人車管控系統(tǒng)的開發(fā)和測試實(shí)現(xiàn)了電瓶人車的管控,通過現(xiàn)場測試表明,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的連續(xù)定位和有效管控設(shè)備運(yùn)行,能夠提高安全生產(chǎn)和無人駕駛運(yùn)行效率。

測試還檢驗(yàn)了電瓶人車放行請求、電瓶人車位置顯示、無人駕駛電機(jī)車位置顯示、中控上位機(jī)與電瓶人車司機(jī)的調(diào)度和快速對話、電瓶人車和無人駕駛電機(jī)車防碰撞等多項(xiàng)實(shí)用功能,檢驗(yàn)結(jié)果表明電瓶人車放行請求、電瓶人車位置顯示、中控上位機(jī)與電瓶人車的調(diào)度功能穩(wěn)定可靠。

在測試過程中發(fā)現(xiàn)目前需要改進(jìn)的問題包括在人車高速行駛時(shí),UWB定位位置存在一定的波動(dòng),在電瓶人車與定位基站距離大于50 m以上時(shí),定位波動(dòng)較大,需要增加濾波優(yōu)化算法,保證定位連續(xù)穩(wěn)定。