李金鋒，于騫翔

(1.江西鎢業(yè)控股集團(tuán)宜春鉭鈮礦有限公司，江西 宜春 336000； 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

江西宜春鉭鈮礦床位于江西省宜春市東南20 km處，是以鉭為主的特大型稀有金屬礦床。礦山采用有軌電機(jī)車作為主要運(yùn)輸方式，以“車輛—溜井—平硐電機(jī)車”的聯(lián)合方式進(jìn)行礦巖運(yùn)輸。以人力勞動(dòng)為主導(dǎo)的井下運(yùn)輸方式由駕駛員手動(dòng)駕駛架線式電機(jī)車、放礦工手動(dòng)放礦，具有自動(dòng)化程度低、作業(yè)人員工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，電機(jī)車故障率高、裝載系數(shù)、自動(dòng)化程度、運(yùn)礦效率低。

為解決上述問題，提高礦巖運(yùn)輸效率，該礦山于2020年開展了電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的研究與應(yīng)用，對(duì)井下用于礦巖運(yùn)輸?shù)碾姍C(jī)車進(jìn)行智能化改造。有軌機(jī)車無人駕駛技術(shù)由機(jī)車遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)、數(shù)據(jù)支撐模塊、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測模塊及前端無人化作業(yè)系統(tǒng)組成，以提升運(yùn)礦車間運(yùn)輸效率、降低系統(tǒng)作業(yè)人員數(shù)量及運(yùn)維成本為目標(biāo)。遠(yuǎn)程駕駛及數(shù)據(jù)集成模塊主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)車定位、車輛運(yùn)行監(jiān)測、遠(yuǎn)程裝礦監(jiān)測等功能，前段電機(jī)車系統(tǒng)包含了電機(jī)車無人化自主運(yùn)行、溜井遠(yuǎn)程放礦和軌道衡自動(dòng)稱重等。各環(huán)節(jié)之間以數(shù)據(jù)和4G通信互聯(lián)，完成礦巖的智能化運(yùn)輸。

井下電機(jī)車的智能化改造是加強(qiáng)新一代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)有效融合，改善職工工作環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的可行性方案，可以為礦山采運(yùn)選的協(xié)同生產(chǎn)提供保障，消除“卡脖子”生產(chǎn)運(yùn)輸現(xiàn)狀，有效改善井下有軌運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平，提高礦石運(yùn)輸效率。

1 機(jī)車遠(yuǎn)程駕駛集成平臺(tái)

遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)是電機(jī)車運(yùn)行過程中人員指令發(fā)送和接收的集成化控制中心，部署于運(yùn)礦車間的地表中控室。數(shù)據(jù)采集和展示模塊用于監(jiān)視機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，操作人員借助視頻的監(jiān)控信息，完成有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。

如圖1所示，該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作界面集成包括機(jī)車操作臺(tái)控制、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、自動(dòng)放礦系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測、運(yùn)輸參數(shù)設(shè)定、故障報(bào)警等功能，操作人員在地表完成一系列的參數(shù)設(shè)定和指令，相關(guān)控制系統(tǒng)模塊會(huì)自主完成作業(yè)，并實(shí)時(shí)反饋礦車運(yùn)行參數(shù)，以方便人員進(jìn)行運(yùn)輸狀態(tài)判斷。

圖1 遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)Fig.1 Remote driving platform

遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)既具備了人員遠(yuǎn)程操作、人為指令發(fā)送和反饋，又可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)無人化自主運(yùn)行，以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算為主要手段，對(duì)運(yùn)輸過程中采集的視頻數(shù)據(jù)和礦石數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測，發(fā)出相應(yīng)的決策指令，高效的完成放礦和運(yùn)輸作業(yè)。

2 井下4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2.1 運(yùn)輸過程4G網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及優(yōu)勢

數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)主要用于為電機(jī)車無人運(yùn)輸、溜井自適應(yīng)放礦作業(yè)提供數(shù)據(jù)分析和基于數(shù)據(jù)計(jì)算的決策指令發(fā)送。系統(tǒng)的主要部分由網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，采用“4G LTE固定基站+泄露電纜”的方式覆蓋運(yùn)輸硐室內(nèi)外運(yùn)輸鐵道通信。4G-LTE是一種新的高速無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前它的技術(shù)研究和應(yīng)用水平都處在一個(gè)快速發(fā)展的階段?；咀酉到y(tǒng)主要包括兩類設(shè)備：基站收發(fā)臺(tái)(BTS)和基站控制器(BSC)[1]。從現(xiàn)在使用者的應(yīng)用情況來看，4G-LTE技術(shù)的應(yīng)用速率和通信質(zhì)量等基本可以達(dá)到電機(jī)車無線通信的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要[2]。在4G基站建設(shè)中，從性能、配套、兼容性及使用要求等各方面綜合考慮了基站的選擇，其中基站設(shè)備必須與移動(dòng)交換中心相兼容或配套，取得了較好的通信效果。

由于井下運(yùn)輸巷道是雙車對(duì)開同時(shí)運(yùn)行作業(yè)環(huán)境，在實(shí)際運(yùn)輸中，2#線環(huán)境惡劣，長度約800 m，4G無線專網(wǎng)頻率為1.8 GHz，通過兩個(gè)基站對(duì)整個(gè)運(yùn)礦2#線1 600 m進(jìn)行覆蓋，巷道內(nèi)通過泄露電纜進(jìn)行信號(hào)覆蓋，外及卸礦區(qū)域則通過無線信號(hào)覆蓋，覆蓋范圍高于5G通信網(wǎng)的范圍。經(jīng)過測算、信號(hào)仿真等方式確認(rèn)，相比于最新的5G通信協(xié)議，采用4G通信仍然滿足數(shù)據(jù)通信的要求，4G-LTE信號(hào)覆蓋更具優(yōu)勢。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能測試試驗(yàn)

4G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完畢后，需要測試運(yùn)輸硐室內(nèi)外鐵路信號(hào)強(qiáng)度，本文進(jìn)行通信的性能實(shí)驗(yàn)檢測，實(shí)驗(yàn)測得4G平均速率達(dá)32～35 Mb/s，系統(tǒng)控制延時(shí)約20 ms，信號(hào)強(qiáng)度滿足業(yè)務(wù)需求，具體實(shí)驗(yàn)測試獲得的數(shù)據(jù)見表1。RSRP為信號(hào)接收功率。

表1 硐室通信性能測試數(shù)據(jù)

2.3 有軌運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)

車載通信系統(tǒng)作為無線通訊基站的客戶端，接收來自車載終端解析監(jiān)控中心的控制指令。地表中控室的無人駕駛控制臺(tái)通過RS485通訊協(xié)議和Modbus通訊協(xié)議遠(yuǎn)程控制電機(jī)車變頻器，實(shí)時(shí)讀取電機(jī)工作電壓、電流等參數(shù)，作為控制信息的反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的前進(jìn)、后退、加速、減速等行為控制。

車載客戶前置設(shè)備(Customer Premise Equipment，CPE)是一種接收移動(dòng)信號(hào)并以無線Wi-Fi信號(hào)發(fā)出來的移動(dòng)信號(hào)接入設(shè)備，同時(shí)將高速4G信號(hào)轉(zhuǎn)換成Wi-Fi信號(hào)，可支持大量通信同時(shí)上網(wǎng)的移動(dòng)終端，在電機(jī)車端無線通信中扮演著重要的信號(hào)轉(zhuǎn)換角色[3]。車載CPE和網(wǎng)絡(luò)攝像儀固定在電機(jī)車上，與基站無線連接。攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)由CPE傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)AP，然后通過線纜傳輸?shù)街骰?，利用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將視頻碼流送至地面調(diào)度室中解碼顯示，進(jìn)行監(jiān)控。井下無線AP沿電機(jī)車行進(jìn)路線排列，軌道實(shí)行全范圍的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使CPE能夠在不同AP節(jié)點(diǎn)之間順暢地漫游切換[4]。硐室內(nèi)外通信基站及車載CPE見圖2。

圖2 硐室內(nèi)外拉遠(yuǎn)基站及車載CPEFig.2 Remote base station and vehicle CPE inside and outside the chamber

有軌運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)具有信號(hào)燈、電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)等閉鎖控制功能，用于對(duì)軌道進(jìn)行行為控制。當(dāng)電機(jī)車對(duì)向或前方有車、道岔故障或位置不對(duì)時(shí)，機(jī)車前方岔道口信號(hào)燈關(guān)閉，停止電機(jī)車前進(jìn)。在確定了電機(jī)車的前進(jìn)方向后，機(jī)車后方車頭的指示燈必須鎖定紅燈，作為提示后方車輛保持行車距離的知識(shí)標(biāo)志，保證連續(xù)電機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

3 生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

電機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是保證運(yùn)輸安全和系統(tǒng)正常工作的重要組成部分，具有自動(dòng)檢測機(jī)車編號(hào)、機(jī)車位置、方向、車速等機(jī)車狀態(tài)信息的功能，并能夠?qū)⒁曨l信息實(shí)時(shí)上傳至中控室，為人員提供操作指導(dǎo)。系統(tǒng)主要檢測在電機(jī)車經(jīng)過運(yùn)輸關(guān)鍵區(qū)域時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測，如溜井口放礦處、巷道端口、道岔、軌道衡、卸載站等。當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測傳感器監(jiān)測到異常狀態(tài)，如車速過快時(shí)，電機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)向生產(chǎn)管理平臺(tái)發(fā)出狀態(tài)異常報(bào)警信號(hào)，并采取提前預(yù)設(shè)好的避險(xiǎn)操作進(jìn)行危險(xiǎn)規(guī)避，以人員和計(jì)算機(jī)雙決策、雙控制的方式保證運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)電機(jī)車位置信息測定是實(shí)現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵，機(jī)車精準(zhǔn)定位主要通過設(shè)定標(biāo)簽RFID的方式，圖3展示了一種基本的“標(biāo)簽-讀卡”方式。RFID是射頻識(shí)別的英文縮寫，一種能閱讀電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，通過非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，采集的射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處安裝抗金屬標(biāo)簽卡，機(jī)車上方安裝標(biāo)簽讀卡器，當(dāng)電機(jī)車行至某標(biāo)簽卡處讀卡器將讀到的標(biāo)簽卡ID通過串口發(fā)送給車載終端，車載終端根據(jù)標(biāo)簽卡的ID號(hào)，更新電機(jī)車的位置坐標(biāo)。

圖3 FRID讀卡器(HR2609R)及定位標(biāo)簽Fig.3 FRID reader(HR2609R) and positioning label

4 溜井智能化放礦

溜井放礦是井下有軌運(yùn)輸?shù)钠鹗辑h(huán)節(jié)，振動(dòng)放礦機(jī)的自適應(yīng)放礦是運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)無人化的重要實(shí)現(xiàn)措施。溜井放礦經(jīng)歷了從人力到自動(dòng)化地發(fā)展過程，得出由目前最為先進(jìn)的遠(yuǎn)程控制向未來智能化自主決策控制發(fā)展的趨勢和必然結(jié)果的結(jié)論。運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)溜井的智能化改造與礦山井下使用最廣泛的運(yùn)輸系統(tǒng)建立聯(lián)系，形成遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控放礦的作業(yè)流程。

宜春鉭鈮礦的礦石主要通過溜井進(jìn)行集中放礦，然后由電機(jī)車運(yùn)輸至卸載站。傳統(tǒng)的電機(jī)車裝礦需三人協(xié)調(diào)配合，一人開電機(jī)車兩人指揮并提拉放礦機(jī)擋板放礦。駕駛員開動(dòng)電機(jī)車運(yùn)行，放礦工通過電鈴提示告知電機(jī)車工礦車到位，判斷礦車停止位置與振動(dòng)放礦機(jī)放礦口吻合時(shí)放礦工升起振動(dòng)放礦機(jī)安全擋板進(jìn)行放礦。以上情況，對(duì)車及放礦過程中必須由三人協(xié)同完成，在對(duì)車及裝礦過程中放礦工必須在漏斗附近能看見溜井井筒的范圍內(nèi)，在突發(fā)事件來臨時(shí)容易造成人員傷亡。且對(duì)車情況耗用大量時(shí)間，嚴(yán)重影響裝放礦效率。

綜合分析了溜井在不同采礦環(huán)境下的運(yùn)行方式，建立了溜井振動(dòng)放礦機(jī)的遠(yuǎn)程放礦控制系統(tǒng)。鋪設(shè)光纖通信至振動(dòng)放礦機(jī)的控制單元，利用單片機(jī)控制放礦系統(tǒng)控制柜，通過有線通信實(shí)現(xiàn)中控室遠(yuǎn)程放礦功能，在放礦機(jī)和車斗安裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭，將礦車位置和裝礦狀態(tài)等實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程放礦操作平臺(tái)。在放礦全流程，以人員的遠(yuǎn)程控制為主要技術(shù)手段，同時(shí)高速的視頻傳輸為人員遠(yuǎn)程操作提供指導(dǎo)，達(dá)到了井下溜井放礦的無人化作業(yè)。同時(shí)，單由一人即可完成多處的溜井放礦作業(yè)，放礦效率大幅提高[5]。遠(yuǎn)程放礦作業(yè)方式見圖4。

圖4 遠(yuǎn)程放礦作業(yè)方式Fig.4 Remote ore drawing operation mode

5 電機(jī)車智能化運(yùn)輸系統(tǒng)整體運(yùn)行及效果

從整體上對(duì)電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)分析和改造，增加車載CPE、PLC控制單元、車載視頻采集和傳輸單元、讀卡器等通信控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)車與中控室的通信，完成整體運(yùn)輸流程的人員遠(yuǎn)程控制。無人駕駛系統(tǒng)在有效融合4GLTE無線專網(wǎng)、電機(jī)車運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)定位與遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程放礦等多種技術(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)礦車間有軌運(yùn)輸環(huán)節(jié)的全過程可視化管理及井下無人化運(yùn)輸。通過系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，針對(duì)雙車對(duì)開的運(yùn)行模式，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用“4G LTE固定基站+泄漏電纜”的信號(hào)覆蓋方式，可實(shí)現(xiàn)CJY20/9GP架線式電機(jī)車本地、遠(yuǎn)程、自動(dòng)三種方式的操作方式，并在減員增效、改善操作環(huán)境等方面取得顯著效果。

該系統(tǒng)作業(yè)平臺(tái)已穩(wěn)定高效運(yùn)行7個(gè)月，達(dá)到了預(yù)期效果，主要包括以下幾方面：

1)人員使用方面：系統(tǒng)實(shí)施后只需要1名操作員在中控室進(jìn)行駕駛、放礦、變道等操作，相比實(shí)施前需要電機(jī)車駕駛員和溜井放礦工3個(gè)崗位，每班每車優(yōu)化減少人員2人。

2)運(yùn)輸效率方面：振動(dòng)放礦機(jī)的遠(yuǎn)程操作以及運(yùn)輸調(diào)度的統(tǒng)一化管理，減少了人員作業(yè)量，實(shí)現(xiàn)單趟運(yùn)礦時(shí)間約為18 min，相比改造前單趟運(yùn)礦時(shí)間22 min，運(yùn)輸時(shí)間每趟減少18%。

3)裝載系數(shù)方面：通過系統(tǒng)的實(shí)施，將裝載系數(shù)提高到158 t/列，相比改造前112 t/列，運(yùn)輸效率提升了41%。

4)安全環(huán)保方面：系統(tǒng)應(yīng)用后，機(jī)車掉道次大幅減少，實(shí)現(xiàn)人員工作地點(diǎn)由井下轉(zhuǎn)到中控室集中控制，職工環(huán)境有效改善，勞動(dòng)強(qiáng)度得到有效降低，職工幸福感得到顯著提升。

宜春鉭鈮礦的電機(jī)車改造項(xiàng)目成果顯著，并為后續(xù)的智能化無人運(yùn)輸創(chuàng)造了條件，積累了設(shè)備改造的寶貴經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，培養(yǎng)了一批技術(shù)人員，在設(shè)備后期的維護(hù)和更新上達(dá)到自給自足。在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，電機(jī)車的遠(yuǎn)程控制雖然投入高回報(bào)慢，但從未來的礦山建設(shè)和智能化發(fā)展趨勢來看，電機(jī)車無人駕駛將是改變經(jīng)營方式和經(jīng)營理念、提高安全生產(chǎn)能力的必由之路。