礦山有軌運輸電瓶人車管控系統(tǒng)研究

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)相融合實現(xiàn)信息通信技術(shù)(ICT)的全面應(yīng)用。礦用電機車是井下運輸?shù)V石、物料的主要運輸工具,在礦巖運輸中扮演著十分重要的角色。實現(xiàn)礦井電機車的無人化,一方面可以提高礦石運輸?shù)男?節(jié)約成本；另一方面,可以避免危險事故發(fā)生時對機車操作人員造成不必要的傷亡[1]。礦山有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)的自動化控制技術(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,實現(xiàn)井下電機車自動控制和無人駕駛,有效提高電機車運行效率,降低礦石運輸成本,緩解井下安全生產(chǎn)壓力[2]。在已實施有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)的礦山,當(dāng)有軌運輸電瓶車、材料車和人車等輔助車輛進入后,如何確保輔助車輛有效避讓無人駕駛電機車和保障人員安全,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輸系統(tǒng)的設(shè)計和智能調(diào)度進行了研究,設(shè)計了一種適用于煤礦井下無軌膠輪車系統(tǒng)的巷道運輸線路分析方法,實現(xiàn)了無軌膠輪車運輸系統(tǒng)的自動控制,減少巷道內(nèi)無軌膠輪車的堵車問題[3]。隨著有軌運輸無人駕駛技術(shù)的成熟和全面推廣應(yīng)用[4-5],針對有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)與有軌輔助車輛,特別是有軌運輸電瓶人車的管控,成為建設(shè)智能化安全礦山必須優(yōu)先考慮的問題。

1 有軌運輸無人駕駛與電瓶人車運輸

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。有軌運輸系統(tǒng)是地下礦山開采首選的生產(chǎn)運輸工藝系統(tǒng)。礦用電機車是礦山開采過程中礦石和巖石運輸?shù)挠熊夁\輸設(shè)備,其具有運力大、成本低、設(shè)備相對簡單、可靠性強的特點,在大型地下礦山中被廣泛采用。實現(xiàn)地下礦山有軌運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)有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)在多個礦山得到了成功應(yīng)用。2013年冬瓜山銅礦-875 m運輸中段無人駕駛電機車試驗成功,驗證了該技術(shù)方案實用可行,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車提出了基于基礎(chǔ)運輸無人駕駛系統(tǒng)的優(yōu)化方案,并實現(xiàn)了雙機牽引的有軌運輸無人駕駛系統(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,構(gòu)建了有軌電機車無人駕駛系統(tǒng),實現(xiàn)了地面遠(yuǎn)程遙控裝礦、有軌電機車無人駕駛自動運行及全自動卸礦等功能[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車無人駕駛技術(shù)的解決方案[12]。

礦山有軌運輸無人駕駛項目建設(shè)的出發(fā)點即為“無人則安”,當(dāng)有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)投入運行后,需要考慮現(xiàn)場其他生產(chǎn)工序開展工作時的人員進出和材料運輸問題,特別是有軌運輸電瓶人車、材料車和其他有人駕駛的輔助車輛與無人駕駛系統(tǒng)存在同時運行或者交替運輸?shù)那闆r。雖然,王京華和王李管等人提出基于計算機視覺技術(shù)的礦井電機車無人駕駛障礙物檢測[13],以及呂秀娟提出的井下電機車無人駕駛的移動閉塞技術(shù)進行防碰撞檢測和信號系統(tǒng)管理[14],礦山實際生產(chǎn)管理中需要充分考慮有人駕駛電瓶人車的安全,實現(xiàn)電瓶人車與無人駕駛電機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,降低電瓶人車的占道時間,提高無人駕駛電機車系統(tǒng)的運行效率,從安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益方面都有迫切需求和實施的必要性。

2 有軌運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,其有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)成功投入運行,為了方便采場相關(guān)作業(yè)人員出入和部分材料運輸采購了兩臺電瓶驅(qū)動的電機車。有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)在運行過程中和電瓶人車存在運行風(fēng)險。有軌運輸電瓶人車管控系統(tǒng)從項目現(xiàn)場運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)動實現(xiàn)電瓶人車與無人駕駛電機車的智能管控。有軌運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)用表明礦山有軌運輸電瓶人車管控系統(tǒng)技術(shù)成熟、維護管理簡單、運行可靠,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。同時,降低電瓶人車的占道時間,提高無人駕駛電機車系統(tǒng)的運行效率。

2.2 車載移動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)而采用了車載移動終端實現(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終端系統(tǒng),其采用集成觸控屏的工業(yè)計算機一體機作為,即工業(yè)集成電腦整機。車載移動終端系統(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、防眩光、防塵防雨能力強,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定位模塊進行融合,實現(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、多接口擴展模塊等,以實現(xiàn)移動設(shè)備位置及工作信息的上下傳輸。

圖1 管控系統(tǒng)車載移動終端

2.3 巷道定位基站與設(shè)備安裝

有軌運輸電瓶人車管控系統(tǒng)需要在電瓶人車運行的全線路上進行實時定位和通信,為了嚴(yán)格管控有軌運輸電瓶人車在地表停車場的出入,在露天采用了GPS定位,進入平硐之后將UWB定位基站與某銅礦有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)的通信基站集成。某銅礦有軌運輸無人駕駛系統(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。有軌運輸無人駕駛通信基站配備有一塊可供基站工作2小時的電池,因此在接入UWB定位基站電源后,不會對原有的通信系統(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,對某銅礦有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)通信也會造成干擾。

2.4 核心管控軟件與數(shù)據(jù)中心開發(fā)

有軌運輸電瓶人車管控系統(tǒng)其核心功能是通過車載移動終端軟件開發(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:通信切換與信號強度管理、語音報警與提醒功能、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)計功能、運行地圖與其他電機車位置顯示功能、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、無人駕駛電機車與電瓶人車狀態(tài)位置現(xiàn)實功能、電瓶人車任務(wù)與運行預(yù)警、電瓶人車放行管理和任務(wù)確認(rèn)、報警與異常處理、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定位基站進行定位,實現(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,在平硐的750 m、900 m處各安裝一個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時通過電瓶人車的移動終端查看定位信息,當(dāng)電瓶人車在兩個UWB定位基站中間往復(fù)運行時,可實時監(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)置位置進行對比,進而測試出定位的精度,測試效果基本達(dá)到最初的設(shè)計要求。

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

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

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車相同的坐標(biāo)系,在中控室無人駕駛監(jiān)控上位機畫面中集成顯示,方便無人駕駛操作員直觀的了解電瓶人車的動向。

(3)電瓶人車調(diào)度功能

圖7 有軌運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)進行溝通,通訊方式單一,電瓶人車駕駛員存在疏忽和漏報的情況。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)鏈路實現(xiàn)電瓶人車的放行和調(diào)度管控。電瓶人車司機可以通過車載移動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輸無人駕駛系統(tǒng)上位監(jiān)控界面上向電瓶人車司機發(fā)送調(diào)度指令。有軌運輸電瓶人車管控系統(tǒng)調(diào)度信息可以定制并智能排序,實現(xiàn)快速對話。

圖8 有軌運輸電瓶人車快速對話框

圖9 中控快速對話框

(4)電機車在電瓶人車移動終端顯示

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

圖10 電機車在電瓶人車移動終端上的顯示

3.3 電瓶人車和電機車防碰撞測試

電瓶人車和無人駕駛電機車防碰撞功能是有軌運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。

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

圖11 有軌運輸電瓶人車防碰撞報警顯示

4 結(jié)論

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

圖12 中控防碰撞報警畫面

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

測試還檢驗了電瓶人車放行請求、電瓶人車位置顯示、無人駕駛電機車位置顯示、中控上位機與電瓶人車司機的調(diào)度和快速對話、電瓶人車和無人駕駛電機車防碰撞等多項實用功能,檢驗結(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)目前需要改進的問題包括在人車高速行駛時,UWB定位位置存在一定的波動,在電瓶人車與定位基站距離大于50 m以上時,定位波動較大,需要增加濾波優(yōu)化算法,保證定位連續(xù)穩(wěn)定。