李竹年

（中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 潁上 236200）

0 引言

近年來，我國煤礦智能化建設(shè)取得積極進展，從中央到地方，智能化礦山建設(shè)的相關(guān)文件頻頻出臺，煤炭行業(yè)吹響了向智能化煤礦邁進的集結(jié)號，雖然煤礦的智能化建設(shè)取得了階段性的成果，但是距離全面實現(xiàn)智能化煤礦建設(shè)還有較大的差距。

眾所周知，技術(shù)革新是推動產(chǎn)業(yè)升級的重要動能，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)應(yīng)用于煤礦，為煤礦行業(yè)的裝備升級提供了基礎(chǔ)保障。智能化電機車就是基于GIS地圖、5G通信網(wǎng)絡(luò)及AI技術(shù)進行升級改造的輔助運輸設(shè)備。

本文對電機車智能化改造升級及在煤礦井下應(yīng)用進行研究，列舉出智能化電機車的技術(shù)要求，具備的功能，所需要的設(shè)備，所具備的駕駛模式等方面做出介紹，為提高礦井生產(chǎn)效率與新建礦井輔助運輸方式的選擇提供新思路。

1 電機車智能化升級改造內(nèi)容

智能化電機車以無線通信網(wǎng)絡(luò)及千兆工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺，以軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)為依托，采用井下機車精確定位技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)和礦井GIS地圖系統(tǒng)技術(shù)，并結(jié)合電機車變頻控制及遠程擬人化操作的礦井安全生產(chǎn)運輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)電機車智能駕駛。系統(tǒng)具有多種控制工作模式：在裝卸作業(yè)環(huán)節(jié)，配備手持式遙控器，就近遙控控制；干線主運輸線路，由地面控制中心擬人化操作臺遠程控制或自動控制；在不需要遙控或自動控制時，使用人工控制。

改造內(nèi)容主要包括制動系統(tǒng)、車輛傳感設(shè)備系統(tǒng)、車輛智能控制和執(zhí)行系統(tǒng)。車輛改造后具備的功能包括：障礙物的識別、避障等功能、車輛自動制動和停車、車輛具備遠程被控功能、在調(diào)度系統(tǒng)的指揮下，車輛具有自動駕駛、車輛輔助駕駛功能。機車具有自主定位和自主避障功能，使得不完全依賴網(wǎng)絡(luò)進行定位或者調(diào)度，提升機車的主動安全能力。

2 智能化電機車升級改造所需設(shè)備

主要由車載通信控制器（含電源）、車載視頻攝像儀、障礙物檢測裝置、主動定位裝置等組成，具有無線通信接口，實現(xiàn)與主控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

2.1 地面控制系統(tǒng)設(shè)備

在地面集控中心設(shè)置主控服務(wù)器、遠程控制臺等。

（1）服務(wù)器2臺，用于測控數(shù)據(jù)的處理、流媒體服務(wù)、WEB發(fā)布、通信服務(wù)管理等。

（2）千兆網(wǎng)絡(luò)交換機2臺。用于與井下專用環(huán)網(wǎng)之間的通訊，并與控制臺之間進行數(shù)據(jù)交換。

（3）?？低暰W(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機1套，用于井下移動視頻、固定點視頻攝像儀的信息采集、儲存和處理。

2.2 遠程駕駛控制臺

在地面調(diào)度中心設(shè)置的遠程控制臺，對井下智能電機車進行遠程操作控制。主要設(shè)備：工控機、嵌入式觸摸屏計算機，用于組建遙控駕駛控制臺、調(diào)度控制、視頻管理等。

2.3 其他巷道內(nèi)設(shè)備

道岔、阻車器等實現(xiàn)遠控、司控（遙控）或自動控制，道岔安裝岔位自動顯示裝置，機車通過風(fēng)門來實現(xiàn)司控（遙控）或自動控制。

2.3.1 司控道岔改造和升級

司控道岔控制箱作為隔爆兼本安型礦用設(shè)備，用于軌道道岔驅(qū)動設(shè)備的控制，控制箱在系統(tǒng)中作為司控道岔的驅(qū)動控制設(shè)備，將接收到的道岔控制命令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功率驅(qū)動，完成井下軌道道岔裝置的動作，同時將監(jiān)測到的道岔位置信號傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）計算機控制：在與系統(tǒng)聯(lián)通后，由計算機自動控制，此時其他控制無效；

（2）本機控制：使用本機按鈕實現(xiàn)本地控制，此控制方式僅當計算機解鎖后才有效；

（3）手搖轉(zhuǎn)換：在停電或控制電路出現(xiàn)故障時，可用手動搖柄來轉(zhuǎn)換岔尖方向。

2.3.2 礦用LED信號機控制器

信號機用來給出進路開放與閉鎖及運行方向信號。主要功能有以下幾點：

（1）以紅、綠、黃三種顏色顯示，可按需要顯示箭頭、字符、滿盤，顯示距離遠，觀察清晰。

（2）燈光可閃爍顯示，可在進路開放進提醒司機、行人，能提高效率，保證安全。

（3）具有故障—安全功能，收到控制編碼后執(zhí)行此模式90s，控制設(shè)備必須在此時間內(nèi)再次控制，否則信號機認為控制設(shè)備故障，以保證運輸安全。

3 智能電機車升級改造實現(xiàn)的功能

實現(xiàn)輔助駕駛、遠程駕駛、遙控駕駛，電機車應(yīng)具備主動安全、主動定位、運輸狀態(tài)檢測等基本功能。

3.1 煤礦井下電機車導(dǎo)航地圖構(gòu)建技術(shù)

通過整合礦井現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源、硬件設(shè)備資源、視頻設(shè)備資源等，基于礦井空間布局二維重構(gòu)技術(shù)，基于GIS地圖，構(gòu)建輔助運輸用的GIS，應(yīng)用于車載終端導(dǎo)航和地面調(diào)度中心。如圖1所示，基于礦井GIS地圖，憑借先進的人機交互方式，實現(xiàn)礦井可視化管理監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析駕駛艙等功能。用以提升礦井決策效率，實現(xiàn)礦井的智慧化管理和運營。

圖1 基于GIS的車載終端導(dǎo)航地圖

根據(jù)實際情況動態(tài)管理維護井下地圖信息（線路信息），創(chuàng)建/編輯線路時支持添加實際的道路組件，例如，道路上的紅綠燈、標志物、司控道岔等，使得礦井的地圖更加精準，為車輛的實時位置信息提供依據(jù)。

3.2 電機車自主導(dǎo)航

井下電機車在行駛過程中，車載終端將基于激光雷達和RFID的電機車動態(tài)融合定位技術(shù)計算獲取電機車的實際位置，車載終端運用多融合精確定位技術(shù)，將各種受限空間，包括彎道、限速區(qū)域、紅綠燈路口等各種復(fù)雜路況下進行車速管理，提高安全性能。

3.3 障礙物識別和避障功能

電機車在煤礦井下運行，復(fù)雜的地質(zhì)條件和運行環(huán)境帶來了不確定性。輔助駕駛、遠程駕駛、遙控駕駛電機車應(yīng)能精準識別出井下巷道內(nèi)軌道空間中的靜態(tài)、動態(tài)物體，并進行相關(guān)的避障動作。電機車具有AI識別功能，識別到人員和車輛會自動減速停車。

3.4 彎道減速

在彎道入口處/出口處布置定點傳感器標簽，對機車的速度進行管理。圖2為彎道減速示意圖。限速分等級進行限速。定點傳感器分9個等級，見表1。

表1 彎道減速布置定點傳感器含義

圖2 彎道減速示意圖

3.5 電機車防追尾

方案采用車載無線射頻信號和車載終端接收器實現(xiàn)電機車的防追尾跟蹤技術(shù)。通過調(diào)整發(fā)射功率和接收功率，成功實現(xiàn)兩者有效信號傳輸距離大于規(guī)定制動距離。當兩車距離小于制動距離時按預(yù)定策略給出語音提示，或執(zhí)行剎車。

3.6 電機車能安全穿過無線網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)

網(wǎng)絡(luò)偶爾的異?；蛘吣硞€點的短期弱覆蓋情況的存在，對輔助駕駛、遙控駕駛用電機車的一個基本要求是：在某個特定的弱覆蓋（比如2個無線基站的cell交界處），電機車能安全地穿過盲區(qū)。且這個弱覆蓋區(qū)域并非某個特定的區(qū)域，會隨著網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化而變化。

3.7 實現(xiàn)智能化電機車的可視化監(jiān)控

車輛視頻系統(tǒng)全視角的監(jiān)控軌道輔運設(shè)備及線路狀態(tài)，實現(xiàn)可視化監(jiān)控和調(diào)度；通過地面顯示屏或井下硐室顯示屏、工作站、礦上網(wǎng)絡(luò)等，根據(jù)權(quán)限設(shè)置，實現(xiàn)對運輸過程的全程可視化監(jiān)控，并提供所見即所得的實時可視化調(diào)度。

（1）移動視頻。實時上傳機車移動視頻至車輛調(diào)度系統(tǒng)，以便相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和調(diào)度人員能夠及時、直觀地掌握井下運輸狀況。

（2）遠程駕駛、自動駕駛（按照指令自動駕駛）等功能。

（3）輔助運輸電機車智能調(diào)度功能，調(diào)度及運行數(shù)據(jù)的管理和回放功能。

3.8 其他功能要求

（1）運行機車具備即時語音通訊功能；

（2）主要運輸大巷和車場應(yīng)設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并能實現(xiàn)遠程瀏覽；

（3）根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場實際情況，在巷道口、硐室口、彎道處設(shè)置機車運行自動控聲光預(yù)報警信號裝置，機車頂車作業(yè)具備自動聲光警示報警裝置。

4 智能化電機車具備的駕駛模式

4.1 電機車遙控駕駛模式

電機車配有礦用本安型遙控接收器，通過手持礦用本安型遙控器可控制電機車的啟動、停止、前進、后退、點動、加速、減速等操作。方便電機車司機井下摘掛鉤、倒車等情況。

4.2 輔助駕駛功能

當司機在車上進行手動模式時，車輛的處于手動模式，人工操作的級別最高。機車監(jiān)控系統(tǒng)能進行相關(guān)的狀態(tài)顯示和記錄。機車能識別障礙物、關(guān)鍵位置點等，并報警提醒司機進行相關(guān)的操作。

4.3 遠程駕駛功能

系統(tǒng)支持調(diào)度人員或司機在遠程駕駛機車，通過計算機、防爆計算機可在調(diào)度室或者井下硐室操作駕駛機車完成運輸任務(wù)。只需在裝料點和卸料點（車場）匹配人員裝卸貨物，整個運輸線路上無須司機隨車，運輸過程中，車輛上不需要司機。

遠程駕駛軟件界面上可顯示所駕駛機車在運輸線路上的具體位置，機車運行的參數(shù)，前后視頻。

遠程鍵盤及遠程駕駛界面的控制區(qū)，具有前進、后退、加速、減速、增壓、使能、急停、牽停、鳴笛、燈光、運行模式等按鈕，調(diào)度人員或司機可通過這些按鈕實現(xiàn)遠程駕駛。

5 結(jié)語

煤炭企業(yè)生產(chǎn)面臨地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、自然災(zāi)害多、開采難度大、采煤裝備自動化程度低、可靠性差等各種問題。建設(shè)智慧礦山，變革煤炭生產(chǎn)方式已成為煤炭行業(yè)和企業(yè)生存、發(fā)展的重大戰(zhàn)略需要。智能化電機車作為一種新的煤礦輔助運輸設(shè)備，對于解決煤礦輔助運輸從業(yè)人員多，改變傳統(tǒng)的運輸方式具有重大意義，是未來煤礦輔助運輸發(fā)展的趨勢。