沈 波，劉 旭，姜中曄

（1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 富蘊(yùn) 836107；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司；3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.北礦智能科技有限公司，北京 100160）

當(dāng)前，礦山井下電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)大多采用手動(dòng)操作方式，鏟運(yùn)機(jī)駕駛?cè)藛T長(zhǎng)期處于惡劣的井下作業(yè)環(huán)境，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，不利于礦山企業(yè)安全防控工作的開(kāi)展；礦山井下采場(chǎng)的作業(yè)面爆破后，炮煙等有毒有害氣體無(wú)法快速消散，導(dǎo)致有效生產(chǎn)時(shí)間較少，不利于礦山企業(yè)生產(chǎn)效率的提高；井下鏟裝作業(yè)缺乏準(zhǔn)確的計(jì)量和統(tǒng)計(jì)分析手段，不利于礦山企業(yè)的綜合管控；井下鏟裝運(yùn)作業(yè)缺乏有效的調(diào)度手段，不利于礦山井下鏟運(yùn)機(jī)、破碎錘、卡車等多裝備的協(xié)同作業(yè)。為提高電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)生產(chǎn)效率，降低鏟運(yùn)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度與安全風(fēng)險(xiǎn)，減少職業(yè)病對(duì)駕駛員的影響，礦山急需開(kāi)展鏟運(yùn)作業(yè)的智能化研究。根據(jù)《中國(guó)制造2025》要求，隨著5G 通信網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，將無(wú)人駕駛技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到鏟運(yùn)機(jī)智能化控制上已成為現(xiàn)實(shí)[1]。本文設(shè)計(jì)一套適用于地下金屬礦山的智能鏟運(yùn)機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)由高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、智能控制平臺(tái)、智能配礦系統(tǒng)和安全避障機(jī)制八個(gè)部分組成，可為金屬礦山企業(yè)構(gòu)建地下智能化鏟裝運(yùn)作業(yè)體系提供參考。其中，井下鏟運(yùn)機(jī)智能化改造包括安裝通信模組、視頻監(jiān)控模組、重量感知模組、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模組和安全避障模組，地表控制平臺(tái)集成控制、配礦、狀態(tài)分析等模塊[2]。智能鏟運(yùn)機(jī)車體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能鏟運(yùn)機(jī)車體架構(gòu)

2 系統(tǒng)組成分析

2.1 高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

由于礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，故而鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定、迅捷的傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此將5G 網(wǎng)絡(luò)+萬(wàn)兆光纖環(huán)網(wǎng)相結(jié)合，作為鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的通信手段。在鏟運(yùn)機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，首先在井下鏟運(yùn)機(jī)行駛路線增加5G 發(fā)射基站，使鏟運(yùn)機(jī)行駛路線實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，其次在車體上增加5G 信號(hào)接收器，使之能夠與礦井5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。地面集控中心與鏟運(yùn)機(jī)可編程邏輯控制器（PLC）終端之間設(shè)立通信檢測(cè)機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備間的通信狀態(tài)，出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)備動(dòng)作機(jī)構(gòu)自鎖并提示監(jiān)控人員處理異常狀況。

為保證井下通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)中采用鏈路聚合技術(shù)，增加礦山網(wǎng)絡(luò)線路的冗余功能。同時(shí)，高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而解決鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)控制信號(hào)與監(jiān)控信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)延遲、圖像卡頓等問(wèn)題。鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)具備三級(jí)控制模式，即自動(dòng)駕駛模式、遠(yuǎn)程遙控模式和人工駕駛模式。鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)通過(guò)控制邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛與現(xiàn)場(chǎng)駕駛的切換。其中，人工駕駛模式優(yōu)先級(jí)高于遠(yuǎn)程遙控模式及自動(dòng)駕駛模式，保證控制系統(tǒng)異常時(shí)井下安全巡檢人員可以及時(shí)接管車輛，排查臺(tái)車的異常狀況。

一是電氣控制改造。對(duì)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行電氣系統(tǒng)改造，從而實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)的基本作業(yè)控制，如柴油機(jī)啟動(dòng)停機(jī)預(yù)熱、車輛照明、鳴笛、鏟斗舉升翻轉(zhuǎn)。利用機(jī)載工控機(jī)實(shí)現(xiàn)裝備作業(yè)信息與指揮中心的實(shí)時(shí)交互以及裝備的自動(dòng)化控制。同時(shí)，將PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集與控制核心，利用PLC 實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)執(zhí)行元器件控制，如停送電、行車、鏟裝、卸載、儀表采集、電機(jī)控制等[3]。二是液壓控制改造。對(duì)鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用電液控制閥等使鏟運(yùn)機(jī)的液壓系統(tǒng)符合PLC 控制邏輯，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)行車、大臂升降、鏟斗翻轉(zhuǎn)等的控制[4]。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在鏟運(yùn)機(jī)首尾增設(shè)全景網(wǎng)絡(luò)高清智能球機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)鏟裝作業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括鏟裝作業(yè)范圍內(nèi)區(qū)域入侵、越界、進(jìn)入?yún)^(qū)域、離開(kāi)區(qū)域等行為的檢測(cè)，從而解決鏟運(yùn)機(jī)無(wú)人作業(yè)過(guò)程中存在的安全管控問(wèn)題。操作人員通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程可視化遙控作業(yè)。

2.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在鏟運(yùn)機(jī)上加裝液壓、液位、溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、速度等傳感器，實(shí)時(shí)采集鏟運(yùn)機(jī)時(shí)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水位、潤(rùn)滑油油溫等信息，實(shí)現(xiàn)液壓舉升系統(tǒng)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)融入企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，深入挖掘數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)展示、故障診斷、預(yù)維護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)的全生命周期管理。該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)備品備件、報(bào)廢等的超前管理，進(jìn)而降低企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，簡(jiǎn)化企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理程序。

2.5 計(jì)量系統(tǒng)

在鏟運(yùn)機(jī)車斗上安裝質(zhì)量傳感器，通過(guò)車斗內(nèi)載物質(zhì)量的變化實(shí)現(xiàn)礦石裝載量的計(jì)量。計(jì)量系統(tǒng)能夠?qū)⒚慷返V石與采場(chǎng)、溜井、操作人員相掛鉤，一次稱重便可分別針對(duì)鏟運(yùn)機(jī)、操作員、采場(chǎng)和溜井進(jìn)行考核。計(jì)量系統(tǒng)功能如表2 所示。

表2 計(jì)量系統(tǒng)功能

2.6 智能控制平臺(tái)

如圖2 所示，智能控制平臺(tái)由遙控座椅、液晶顯示屏和視頻處理系統(tǒng)等組成。遙控座椅采用一體式設(shè)計(jì)，座椅和操作扶手集成在一起，座椅的左右扶手各設(shè)置了一個(gè)操作手柄和多個(gè)操作按鈕，實(shí)現(xiàn)車輛的各種操控動(dòng)作。液晶顯示屏可以顯示車輛前后的視頻影像，配對(duì)的高清攝像頭能清晰地呈現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)前后方的圖像，方便操作人員觀察裝載機(jī)周圍的情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控[5]。

圖2 鏟運(yùn)機(jī)智能控制平臺(tái)

2.7 智能配礦系統(tǒng)

在鏟運(yùn)機(jī)智能控制平臺(tái)上集成智能配礦系統(tǒng)。智能配礦系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求自動(dòng)調(diào)整卡車和鏟運(yùn)機(jī)配比，也可以對(duì)已指派車輛的調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)更改，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況的突變。在調(diào)度指揮過(guò)程中，若車輛故障、道路變化等因素導(dǎo)致部分環(huán)節(jié)執(zhí)行遲滯或中斷時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.8 安全避障機(jī)制

在鏟運(yùn)機(jī)周身安裝測(cè)距雷達(dá)，該雷達(dá)用于鏟運(yùn)機(jī)周圍環(huán)境信息的探測(cè)，當(dāng)測(cè)距雷達(dá)監(jiān)測(cè)到障礙物或者誤入作業(yè)區(qū)人員時(shí)，向地面操作人員報(bào)警。當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)與障礙物的距離超過(guò)設(shè)定的安全界限閾值后，鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)行緊急制動(dòng)，并提示操作人員處理異常狀況。

3 結(jié)論

本文提出一種基于綠色智能礦山生產(chǎn)體系的鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能（AI）識(shí)別、5G 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人駕駛等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)作業(yè)的智能化管控。經(jīng)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，鏟運(yùn)機(jī)智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人駕駛、視頻監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)計(jì)量、智能配礦和安全避障等功能，為礦山安全生產(chǎn)的綠色化、智能化發(fā)展提供技術(shù)支持，對(duì)保障礦山生產(chǎn)安全起到重要支撐作用。