煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化現(xiàn)狀分析及框架設(shè)計(jì)研究

常凱， 劉志更， 袁曉明， 李媛

（1. 中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2. 山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006；3. 山西晉中理工學(xué)院 文法學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

為提升煤礦智能化水平，2020年2月25日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，國(guó)內(nèi)煤礦開始啟動(dòng)并加快推進(jìn)礦井智能化建設(shè)。輔助運(yùn)輸作為煤礦生產(chǎn)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著全礦井生產(chǎn)所需人員、物資及設(shè)備的中轉(zhuǎn)和運(yùn)輸工作，其智能化對(duì)于提高礦井生產(chǎn)效率和確保礦井安全有著重要意義。

國(guó)內(nèi)外露天煤礦的智能輔助運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了礦用卡車在固定路段內(nèi)的無人駕駛、自動(dòng)裝載、自動(dòng)卸載、主動(dòng)避障、智能調(diào)度等功能，工程實(shí)踐也取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。但井工煤礦的智能輔助運(yùn)輸系統(tǒng)還不健全，除了不完善的車輛智能調(diào)度系統(tǒng)、為數(shù)不多的駕駛輔助系統(tǒng)、局部的無人駕駛場(chǎng)景展示外，研究目標(biāo)和范圍還比較模糊。一方面是因?yàn)檩o助運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)需要的管控平臺(tái)、高速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、井下配套設(shè)施等基礎(chǔ)環(huán)境有待重新建設(shè)或升級(jí)，智能化專業(yè)人才隊(duì)伍也有待組建。井下一些場(chǎng)景尚處于人工輔助、機(jī)械化和半自動(dòng)化的狀態(tài)，核心技術(shù)、核心元部件、核心裝備研發(fā)滯后較多，直接過渡到智能化顯得力不能及。另一方面一個(gè)很重要的因素是輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化的建設(shè)框架還不夠清晰，面對(duì)煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化的市場(chǎng)需求，現(xiàn)有系統(tǒng)的智能化功能還不夠完善，裝備的智能化程度仍有待提升?，F(xiàn)有的煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化應(yīng)用僅是在已有的技術(shù)、系統(tǒng)和裝備上增加一些智能化的元素，達(dá)不到系統(tǒng)融合產(chǎn)生的綜合效果[1]。

本文簡(jiǎn)要總結(jié)了國(guó)內(nèi)外煤礦輔助運(yùn)輸智能化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了井工煤礦輔助運(yùn)輸智能化存在的問題，從輔助運(yùn)輸系統(tǒng)功能角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化框架，為輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化建設(shè)和發(fā)展提供研究思路。

1 國(guó)內(nèi)外煤礦輔助運(yùn)輸智能化現(xiàn)狀

1.1 露天煤礦輔助運(yùn)輸智能化現(xiàn)狀

露天煤礦輔助運(yùn)輸具有運(yùn)行區(qū)段內(nèi)人流量少、場(chǎng)景單一、運(yùn)輸路線相對(duì)固定等優(yōu)勢(shì)。礦用自卸卡車作為露天煤礦輔助運(yùn)輸?shù)闹饕b備，采用無人駕駛方案可為露天煤礦開采運(yùn)輸過程中存在的調(diào)度困難、人工成本高、能源消耗大、安全事故多發(fā)等突出問題帶來新的解決方案。國(guó)內(nèi)外的礦業(yè)巨頭、煤機(jī)裝備和無人駕駛高科技企業(yè)紛紛涉足露天煤礦無人駕駛領(lǐng)域[2]。

早在20世紀(jì)末，隨著新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的露天煤礦采用先進(jìn)的智能化連續(xù)開采技術(shù)，大幅提高了礦山的自動(dòng)化水平及開采效率；礦用卡車無人駕駛也已經(jīng)擁有使用幾百臺(tái)車、完成幾十億噸運(yùn)載量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用效果顯著。2019年4月，自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)（Autonomous Haulage System， AHS）應(yīng)用在澳大利亞、南北美洲的礦山，已經(jīng)完成超過20億t物資運(yùn)輸，目前該系統(tǒng)已在10個(gè)礦山得到應(yīng)用。2020年4月，美國(guó)卡特彼勒公司使用礦山之星系統(tǒng)（MineStar）移送的物資已達(dá)20億t[3]。

國(guó)內(nèi)露天煤礦無人駕駛技術(shù)與裝備研究較晚，隨著地面無人駕駛相關(guān)感知、定位和控制等技術(shù)的日益成熟，2019-2021年，國(guó)內(nèi)露天煤礦無人駕駛系統(tǒng)得到了工業(yè)化應(yīng)用和推廣[4]，主要應(yīng)用在稀土礦（內(nèi)蒙古包鋼股份白云鄂博礦區(qū)）、金屬礦（河南洛陽鉬業(yè)集團(tuán)三道莊鉬礦、江西江銅集團(tuán)城門山銅礦）、煤礦（華能集團(tuán)伊敏露天礦、大唐國(guó)際寶利煤炭有限公司、準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝煤礦、國(guó)家能源集團(tuán)神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦、國(guó)家能源集團(tuán)神華新疆能源有限責(zé)任公司準(zhǔn)東露天煤礦等）。其中國(guó)家能源集團(tuán)神華新疆能源有限責(zé)任公司準(zhǔn)東露天煤礦開展的5G+卡車無人駕駛技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，在采場(chǎng)與排土場(chǎng)運(yùn)距為3.5 km的路段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié)作業(yè)過程的完全無人自主運(yùn)行。卡車平均運(yùn)行速度達(dá)35 km/h，在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)距和提升高度作業(yè)條件下，無人駕駛運(yùn)行效率達(dá)到了有人駕駛平均效率的90%以上。通過階段性的露天煤礦無人駕駛連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)總里程達(dá)1.735×105km[5]。

1.2 井工煤礦輔助運(yùn)輸智能化現(xiàn)狀

煤礦井下巷道空間狹小、岔路口多、粉塵大、濕度大、通風(fēng)差，這些復(fù)雜環(huán)境對(duì)智能傳感器的感知質(zhì)量非常不利。輔助運(yùn)輸裝備在井下運(yùn)行距離較長(zhǎng)，覆蓋范圍較廣，相較一些固定場(chǎng)景的智能化系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的難度較高。同時(shí)目前在井下受限空間內(nèi)的精確定位技術(shù)、地圖構(gòu)建技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、自動(dòng)裝卸和接駁技術(shù)、無人駕駛技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)剛起步，尚不具備工業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)，致使井工煤礦的輔助運(yùn)輸智能化發(fā)展緩慢。

隨著近幾年車輛定位與調(diào)度、機(jī)車綜合保護(hù)、駕駛輔助、無人駕駛等技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)井工煤礦輔助運(yùn)輸智能化建設(shè)取得了一定成果，如國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭補(bǔ)連塔煤礦的車輛智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)綜合平臺(tái)信息化展示、人員及車輛實(shí)時(shí)定位、固定場(chǎng)景的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和回放、地面調(diào)度室與井下駕駛員之間的調(diào)度對(duì)講和視頻通話、井下交通信號(hào)燈邏輯控制、車輛運(yùn)行信息上傳等功能[6]。國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭大柳塔煤礦無軌膠輪車安裝了預(yù)防撞系統(tǒng)和防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)，提高了車輛運(yùn)行的安全性[7]。國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭布爾臺(tái)煤礦開展了5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下新能源運(yùn)人車的無人駕駛測(cè)試[8]。山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦挖金灣區(qū)副平硐安設(shè)了無軌膠輪車失速保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)無軌膠輪車發(fā)生速度失控時(shí)，車載掛鉤鉤住巷道設(shè)備的阻攔索，給車輛提供一個(gè)可靠且平穩(wěn)的拉力，使車輛減速，避免持續(xù)向下跑車，主動(dòng)制動(dòng)效果良好[9]。

從上述應(yīng)用情況可以看出，井工煤礦輔助運(yùn)輸智能化目前還處于裝備的單機(jī)智能化發(fā)展階段，尚未形成集車輛調(diào)度、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、交通指揮、物資管控等功能于一體的輔助運(yùn)輸智能化系統(tǒng)。

2 井工煤礦輔助運(yùn)輸智能化存在的問題

井工煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化建設(shè)剛剛起步，受礦井基礎(chǔ)條件建設(shè)不足、裝備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、地面一些高新技術(shù)在井下環(huán)境應(yīng)用的難度相對(duì)較高等因素制約，輔助運(yùn)輸智能化建設(shè)進(jìn)展較慢。

當(dāng)前多數(shù)井工煤礦基于智能化發(fā)展的礦井基礎(chǔ)設(shè)施和高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)不足，已建成的定位系統(tǒng)對(duì)于車輛的定位精度和實(shí)時(shí)性尚不能滿足輔運(yùn)裝備運(yùn)行速度要求，制約了輔助運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)智能化功能的發(fā)揮和實(shí)現(xiàn)。礦井物料管理僅在倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)有所進(jìn)展，運(yùn)行和使用中的物料缺乏有效監(jiān)管，物料消耗量大?，F(xiàn)有的車輛調(diào)度系統(tǒng)僅具有一些狀態(tài)信息的展示和發(fā)布、靜態(tài)視頻監(jiān)控和固定邏輯的紅綠燈控制等常規(guī)功能，車輛運(yùn)行缺乏統(tǒng)一的調(diào)配和利用，綜合運(yùn)輸效率低，燃油成本陡增，浪費(fèi)嚴(yán)重。對(duì)于多種運(yùn)輸方式并存的礦井，急需實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)裝卸和自動(dòng)接駁。輔助作業(yè)場(chǎng)景急需實(shí)現(xiàn)輔助作業(yè)功能的自動(dòng)化和智能化，降低作業(yè)人員數(shù)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。單機(jī)智能化方面，受鋰電池技術(shù)發(fā)展和安全因素影響，新能源車輛續(xù)駛里程有待突破，運(yùn)行模式有待驗(yàn)證，確保車輛運(yùn)行安全的駕駛輔助系統(tǒng)亟待完善。

（1） 定位系統(tǒng)定位精度低和實(shí)時(shí)性差。礦井巷道內(nèi)無衛(wèi)星信號(hào)，不僅巷道長(zhǎng)廊效應(yīng)凸顯，目標(biāo)活動(dòng)范圍較為分散，且井下環(huán)境信號(hào)屏蔽物較多、電磁環(huán)境復(fù)雜多變，要實(shí)現(xiàn)人員、車輛等動(dòng)目標(biāo)的精確定位，需要采用室內(nèi)定位技術(shù)?，F(xiàn)有定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。可看出超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位技術(shù)與其他無線定位技術(shù)相比，具有定位精度高、覆蓋距離遠(yuǎn)、成本適中、功耗低、安全風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，可以克服復(fù)雜巷道空間內(nèi)的障礙物阻擋，無論是精度還是穩(wěn)定性都非常適合在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確實(shí)時(shí)定位，能夠滿足《煤礦井下人員定位系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》對(duì)目標(biāo)定位的精度要求。

表1 定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of positioning technologies

目前煤礦井下在用的定位系統(tǒng)多以UWB或UWB（定位）+ZigBee（通信）融合組網(wǎng)2種形式為主。其中融合組網(wǎng)將定位網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)分離，采用雙通信技術(shù)下發(fā)模式，優(yōu)先ZigBee下發(fā)，若ZigBee下發(fā)失敗，轉(zhuǎn)UWB鏈路下發(fā)，為井下撤離、呼叫增設(shè)雙保險(xiǎn)，在意外發(fā)生時(shí)后臺(tái)還能夠與被困者進(jìn)行通信。通過ZigBee下發(fā)信息和上傳求救信號(hào)，豐富和擴(kuò)展了UWB定位系統(tǒng)功能應(yīng)用，可以滿足井下定位系統(tǒng)建設(shè)中雙向通信要求?，F(xiàn)有的UWB定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)人員或設(shè)備靜態(tài)定位精度為3 cm，動(dòng)態(tài)定位精度為100 cm。該定位精度用于運(yùn)動(dòng)中的輔助運(yùn)輸裝備勉強(qiáng)夠用，但若用于井下車輛的自動(dòng)駕駛和無人駕駛系統(tǒng)，定位的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性還難以滿足使用要求[10-11]。

（2） 車輛智能調(diào)度系統(tǒng)功能缺乏融合?，F(xiàn)有的車輛智能調(diào)度系統(tǒng)采用WiFi無線通信、UWB精確定位、機(jī)車車輛信號(hào)安全調(diào)度、視頻監(jiān)控等技術(shù)，在井下主要運(yùn)輸巷道設(shè)置通信基站、信號(hào)機(jī)、讀卡分站等設(shè)備，配合地面監(jiān)控中心服務(wù)器及軟件，實(shí)現(xiàn)軌道機(jī)車或無軌膠輪車的智能調(diào)度和管理[12-13]。其中軌道機(jī)車智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車、礦車的精確定位、信號(hào)機(jī)道岔自動(dòng)控制、電機(jī)車安全識(shí)別、自動(dòng)閉鎖、工況信息自動(dòng)上傳等功能。無軌膠輪車車輛智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛定位、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車輛指揮調(diào)度、交通管控、違章報(bào)警、調(diào)度對(duì)講、視頻通話、信息發(fā)布、信息展示、報(bào)表管理、行車軌跡回放、無線通信、數(shù)據(jù)上傳等功能。

車輛智能調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展一定是要全方位實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)輸各環(huán)節(jié)的智能化調(diào)度和管理才有意義?，F(xiàn)有的車輛智能調(diào)度系統(tǒng)功能還僅限于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、單一的信息展示和查看、固定邏輯的交通信號(hào)燈控制等。尚沒有與礦井實(shí)際情況有機(jī)融合，沒有與物資的裝運(yùn)、交接、卸載、回收等環(huán)節(jié)有深度交集和銜接，僅僅做到了井下輔運(yùn)信息的收集和匯總，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的分析和再處理，難以真正支撐系統(tǒng)去做決策，有待進(jìn)一步深入研究。

（3） 駕駛輔助系統(tǒng)模塊不健全。駕駛輔助系統(tǒng)是利用安裝于車上的各種傳感器（攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和超聲波雷達(dá)等）在第一時(shí)間收集車內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)車輛周圍靜動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤處理，及時(shí)判斷車輛當(dāng)前所處狀態(tài)，提示駕駛員采取下一步操作，全面提高車輛行駛安全性[14]。

駕駛輔助系統(tǒng)涵蓋的范圍較廣，對(duì)于煤礦輔助運(yùn)輸車輛來講主要有防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)、360°全景環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)防撞系統(tǒng)、交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)、下坡行車輔助制動(dòng)系統(tǒng)、自適應(yīng)照明系統(tǒng)等。其中防疲勞駕駛預(yù)警和預(yù)防撞系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。多種下坡行車輔助制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)基本滿足當(dāng)前礦井長(zhǎng)距離下坡制動(dòng)需求。360°全景環(huán)視監(jiān)控、交通標(biāo)志識(shí)別和自適應(yīng)照明等系統(tǒng)還在研發(fā)中。

（4） 無人駕駛技術(shù)與元部件發(fā)展滯后。地下金屬礦山無人駕駛技術(shù)早于煤礦，山東黃金萊西金礦和甘肅金川集團(tuán)金屬礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軌道機(jī)車的無人駕駛運(yùn)行。2020-2021年，一些科研單位在國(guó)內(nèi)煤礦進(jìn)行了最新的井下無人駕駛車輛性能展示。采用的技術(shù)路線多是在原來的防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車上加裝定位單元、環(huán)境感知單元、整車控制單元，根據(jù)收集到的環(huán)境信息對(duì)目標(biāo)車輛的油門、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制，在井下路況較好的巷道內(nèi)進(jìn)行了無人駕駛運(yùn)行試驗(yàn)[15-17]。

盡管各裝備制造商已經(jīng)聯(lián)合國(guó)內(nèi)地面無人駕駛科技企業(yè)進(jìn)行了井下車輛無人駕駛嘗試，激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高清攝像頭、深度相機(jī)等感知型傳感器也有了隔爆型或本安型產(chǎn)品。但當(dāng)前僅實(shí)現(xiàn)了巷道中的居中自主行駛，還未能實(shí)現(xiàn)井下巷道彎道自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)轉(zhuǎn)彎、錯(cuò)車、自主導(dǎo)航等操作。未來無人駕駛在煤礦井下的真正落地還要依賴于低時(shí)延高速網(wǎng)絡(luò)、高精度定位、高精度地圖等系統(tǒng)的成熟應(yīng)用。

3 煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化框架設(shè)計(jì)

根據(jù)2021年6月5日國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》中的建設(shè)要求[18]，總結(jié)提出了輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化建設(shè)總體目標(biāo)：建設(shè)具有智能規(guī)劃、任務(wù)分配功能的輔助車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)物資運(yùn)輸、人員運(yùn)輸?shù)容o助運(yùn)輸車輛的智能管控、智能路徑規(guī)劃與智能調(diào)度，積極開展井下輔助作業(yè)的機(jī)器人替代，完善運(yùn)輸車輛駕駛輔助系統(tǒng)功能，分區(qū)域適時(shí)應(yīng)用和推廣無人駕駛，全面提升礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑健?/p>

根據(jù)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化建設(shè)總體目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化總體框架，主要包括物資運(yùn)輸管控系統(tǒng)、車輛智能調(diào)度系統(tǒng)和單機(jī)智能化系統(tǒng)，如圖1所示。核心內(nèi)容包括物資編碼和物資集裝化運(yùn)輸、自動(dòng)裝卸和自動(dòng)接駁、精準(zhǔn)定位和智能導(dǎo)航、智能調(diào)度、駕駛輔助系統(tǒng)、輔助作業(yè)機(jī)器人、無人駕駛等[19-20]。

圖1 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化總體架構(gòu)Fig. 1 Overall architecture of intelligent auxiliary transportation system

3.1 物資編碼和物資集裝化運(yùn)輸

（1） 智能物資配送系統(tǒng)建設(shè)。完成智能物流、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)物資線上申請(qǐng)、審批、物資與車輛電子綁定、自動(dòng)跟蹤、電子交接等功能，最終實(shí)現(xiàn)所有物資從井上倉儲(chǔ)到井下施工現(xiàn)場(chǎng)的信息化管控，同時(shí)將各環(huán)節(jié)管控信息并入安全信息系統(tǒng)和結(jié)算系統(tǒng)。智能物資配送系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能物資配送系統(tǒng)Fig. 2 Intelligent material distribution system

智能物資配送流程：在倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)，將入庫的礦用物資進(jìn)行編碼，錄入型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量、供應(yīng)商等必要信息。各生產(chǎn)隊(duì)提出物資需求（包含名稱、代碼、數(shù)量、需求時(shí)間、需求地點(diǎn)等信息）；輔運(yùn)隊(duì)根據(jù)物資需求信息，綜合考慮運(yùn)送地點(diǎn)，制定單車次貨運(yùn)訂單，并調(diào)配對(duì)應(yīng)車輛前往物資準(zhǔn)備區(qū)；物資準(zhǔn)備區(qū)根據(jù)貨運(yùn)訂單與倉儲(chǔ)對(duì)接，進(jìn)行物資的標(biāo)準(zhǔn)化組裝；輔運(yùn)隊(duì)將配送物資運(yùn)輸至指定地點(diǎn)；生產(chǎn)隊(duì)負(fù)責(zé)物資的接收和卸貨，同時(shí)負(fù)責(zé)多余物資的裝車；輔運(yùn)隊(duì)將多余物資運(yùn)輸至地面?zhèn)}儲(chǔ)，倉儲(chǔ)辦理多余物資入庫和廢舊物資處理，自此交接完成一個(gè)物資配送流程。該流程可實(shí)現(xiàn)物資從倉儲(chǔ)、編碼、裝車、運(yùn)輸、卸車到回收過程的全流程信息化管控。

智能物資配送系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：① 可實(shí)時(shí)查看和掌握物資物流狀態(tài)信息。② 實(shí)行單車次貨運(yùn)訂單，可實(shí)現(xiàn)車輛的高效利用，提高車輛周轉(zhuǎn)率，減少浪費(fèi)。③ 便于物資消耗報(bào)表統(tǒng)計(jì)。④ 各環(huán)節(jié)分工明確，可實(shí)現(xiàn)物資的智能高效配送。

（2） 物資集裝化運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)。掘進(jìn)工作面錨桿、錨索、錨固劑、托盤、鋼帶、護(hù)網(wǎng)等錨護(hù)材料種類繁多、外形尺寸和包裝差異性大，由于井下掘進(jìn)工作面物料運(yùn)輸空間受限，現(xiàn)有的搬運(yùn)方式（錨護(hù)材料一般由工人分批次人工搬運(yùn)放置到物資區(qū)再行碼放）勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。尤其是采用快速掘進(jìn)工藝后，這樣的備料方式與掘進(jìn)進(jìn)尺不匹配的問題更加凸顯。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物資的集裝化運(yùn)輸是解決上述問題的有效途徑[21]。按照物資的外形尺寸和用量需求，定制設(shè)計(jì)專用物資集裝箱，集裝箱內(nèi)設(shè)置隔板將物資分開放置且不積壓。在地面物資準(zhǔn)備區(qū)將物資按格放好，輔運(yùn)隊(duì)將集裝箱整體運(yùn)輸至作業(yè)地點(diǎn)后，整體卸下集裝箱，省去了工人搬運(yùn)物資和二次碼放環(huán)節(jié)，待物資用完后將空的集裝箱整體運(yùn)回地面。集裝箱運(yùn)輸車具有自動(dòng)快速更換集裝箱的功能。

3.2 自動(dòng)裝卸和自動(dòng)接駁

無軌膠輪車輔助運(yùn)輸不需要進(jìn)行物資的二次換裝，即可實(shí)現(xiàn)人員及物資的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”無中轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)輸，該優(yōu)點(diǎn)也使其成為了高產(chǎn)高效礦井輔助運(yùn)輸?shù)谋剡x項(xiàng)。但在我國(guó)山東、安徽及云貴川地區(qū)的很多中小型煤礦，輔助運(yùn)輸方式采用的仍是以軌道機(jī)車運(yùn)輸為主，單軌吊、架空乘人裝置及無軌膠輪車為輔，多種方式并存的運(yùn)輸方式，人員上下班路上耗時(shí)較多，物資中轉(zhuǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，輔助運(yùn)輸效率低，導(dǎo)致產(chǎn)能受限，亟待實(shí)現(xiàn)物資的自動(dòng)裝卸和自動(dòng)接駁。

煤礦輔助運(yùn)輸需要實(shí)現(xiàn)物資自動(dòng)裝卸和自動(dòng)接駁的場(chǎng)景主要如下：① 依托精準(zhǔn)定位及特征識(shí)別技術(shù)，研究整體式物資集裝箱的自動(dòng)裝卸和自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物資從地軌到無軌、地軌到單軌吊、單軌吊到無軌、無軌到地軌、無軌到單軌吊等多種形式的自動(dòng)物資轉(zhuǎn)運(yùn)和接駁，有效提高運(yùn)輸效率，降低輔運(yùn)安全事故發(fā)生概率。② 實(shí)現(xiàn)地軌和單軌吊的自動(dòng)道岔變換功能，取消人工干預(yù)。③ 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)類運(yùn)輸裝備的快速自動(dòng)充換電池功能。

3.3 精準(zhǔn)定位和智能導(dǎo)航

（1） 輔助運(yùn)輸精準(zhǔn)定位系統(tǒng)。精準(zhǔn)定位技術(shù)是輔助運(yùn)輸裝備實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)。依托于F5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、井下地理信息系統(tǒng)、WiFi無線通信技術(shù)、UWB精確定位技術(shù)或新型組合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下運(yùn)輸機(jī)車及車輛類動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位。

（2） 導(dǎo)航系統(tǒng)。利用已知的井下巷道數(shù)字地圖，根據(jù)設(shè)定的起始點(diǎn)和目的地，按照路線優(yōu)、節(jié)能佳、安全性高的原則，采用適宜的全局路徑規(guī)劃算法，快速合理地規(guī)劃出線路。在操作終端上顯示地圖及車輛當(dāng)前位置、行車速度、到目的地的距離、規(guī)劃路線提示、路口轉(zhuǎn)向提示的行車信息等。行進(jìn)中可用語音提前向駕駛者提供路口轉(zhuǎn)向、導(dǎo)航系統(tǒng)狀況等行車信息。

3.4 智能調(diào)度

（1） 輔助運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電機(jī)車、單軌吊機(jī)車的精確定位、信號(hào)機(jī)道岔自動(dòng)控制、電機(jī)車安全識(shí)別、自動(dòng)閉鎖、工況信息自動(dòng)上傳等功能。實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車的精準(zhǔn)定位、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、違章報(bào)警、調(diào)度對(duì)講、視頻通話、信息上傳等功能。實(shí)現(xiàn)車輛的可視化監(jiān)測(cè)，在地面調(diào)度室以漢字、模擬圖和表格等形式實(shí)時(shí)顯示各車輛位置、區(qū)段占用、視頻圖像等信息。

（2） 車輛智能調(diào)度系統(tǒng)。根據(jù)井下所有機(jī)車及車輛運(yùn)行信息及作業(yè)需求，快速自動(dòng)規(guī)劃各車輛運(yùn)行路線，并自動(dòng)調(diào)度各車輛出發(fā)時(shí)間、會(huì)車地點(diǎn)，提高運(yùn)輸效率。在生產(chǎn)物資的裝運(yùn)、交接、卸載、回收等環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)電子化管理，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握物資運(yùn)輸過程的動(dòng)態(tài)變化。通過計(jì)算機(jī)在網(wǎng)上進(jìn)行物資申請(qǐng)、審批，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)下發(fā)、安排出庫和裝車、運(yùn)輸?shù)戎噶?；根?jù)各區(qū)段的車輛位置，通過計(jì)算機(jī)的聯(lián)鎖運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扳動(dòng)道岔、轉(zhuǎn)換紅綠燈信號(hào)來指揮車輛運(yùn)行，有效提升礦井物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率，提高礦井生產(chǎn)運(yùn)輸管理自動(dòng)化和信息化水平。

3.5 駕駛輔助系統(tǒng)

井下車輛駕駛輔助系統(tǒng)主要包括防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)、360°全景環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)防撞系統(tǒng)、交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)、下坡行車輔助制動(dòng)系統(tǒng)、自適應(yīng)照明系統(tǒng)。

（1） 防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)駕駛員不刷臉認(rèn)證、開車瞌睡、打哈欠、開車抽煙、開車打電話、開車注意力不集中、離崗/攝像頭遮擋等不良駕駛行為檢測(cè)功能，并發(fā)出預(yù)警。

（2） 360°全景環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)。在車輛周圍安裝能覆蓋車輛周邊所有視場(chǎng)范圍的 4～8個(gè)廣角攝像頭，對(duì)同一時(shí)刻采集到的多路視頻影像進(jìn)行拼接融合，處理成一張車輛周邊360°的車身俯視圖并在中控臺(tái)顯示，使司機(jī)能夠直觀地看到車輛四周情況，有效減少駕駛過程中刮蹭、碰撞等事故的發(fā)生。

（3） 預(yù)防撞系統(tǒng)。預(yù)防撞系統(tǒng)能自動(dòng)探測(cè)車輛前方障礙物，測(cè)算出發(fā)生碰撞的可能性。若系統(tǒng)判斷碰撞的可能性很大，則發(fā)出警報(bào)聲。若系統(tǒng)判斷碰撞不可避免，則預(yù)先收緊前座安全帶、啟動(dòng)剎車來最大限度地減輕損傷。

（4） 交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)。使用前攝像頭結(jié)合模式識(shí)別軟件，可以識(shí)別常見的交通標(biāo)志（紅綠燈、限速、停車、掉頭等）。借助于靈活的軟件平臺(tái)增強(qiáng)探測(cè)算法，準(zhǔn)確識(shí)別不同地點(diǎn)的交通標(biāo)志，提醒駕駛員注意巷道前方懸掛的交通標(biāo)志，降低駕駛員不遵守交規(guī)的可能性，提高車輛運(yùn)行的安全性。

（5） 下坡行車輔助制動(dòng)系統(tǒng)。為了避免制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷過大，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，在不踩加速踏板和制動(dòng)踏板的條件下，通過加裝緩速器或采用其他類型速度控制系統(tǒng)，自動(dòng)將車速控制在適當(dāng)水平。系統(tǒng)工作時(shí)，車輛以恒定低速行駛，確保行駛的穩(wěn)定性與提高駕乘的舒適性。

（6） 自適應(yīng)照明系統(tǒng)。根據(jù)定位和導(dǎo)航信息綜合評(píng)判，系統(tǒng)在車輛會(huì)車、轉(zhuǎn)彎和經(jīng)過紅綠燈時(shí)，自動(dòng)調(diào)整算法，控制相應(yīng)燈光顯示，自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光遠(yuǎn)近、亮度和角度。

3.6 輔助作業(yè)機(jī)器人

開展井下輔助作業(yè)的機(jī)器人替代。煤礦井下輔助作業(yè)主要包括巷道巡檢作業(yè)、管路安裝作業(yè)、巷道攤鋪?zhàn)鳂I(yè)、錨桿補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)、底板修復(fù)作業(yè)、巷道清洗作業(yè)、混凝土泵送作業(yè)、電纜收放作業(yè)、開槽作業(yè)、噴漿作業(yè)等，裝備自動(dòng)化程度較低，輔助作業(yè)時(shí)占用人員多。在上述作業(yè)中使用輔助作業(yè)機(jī)器人替代后，預(yù)計(jì)減人目標(biāo)見表2。

表2 輔助作業(yè)減人目標(biāo)Table 2 Auxiliary operation personnel reduction targets

從表2可看出，井下輔助作業(yè)場(chǎng)景使用機(jī)器人后綜合減員達(dá)55.9%，不僅可大大提高輔助作業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能夠有效減少下井作業(yè)人員數(shù)量，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 無人駕駛

（1） 軌道機(jī)車和單軌吊無人駕駛實(shí)現(xiàn)。建設(shè)地面及井下輔運(yùn)集控中心，采用高精度定位技術(shù)、高精地圖構(gòu)建技術(shù)、高清視頻監(jiān)控技術(shù)、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，在數(shù)字孿生的虛擬環(huán)境系統(tǒng)的輔助下，實(shí)現(xiàn)軌道機(jī)車和單軌吊機(jī)車的遠(yuǎn)程控制駕駛。采用環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、總線控制、智能防撞、駕駛輔助等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)啟停、自主道岔變換、自動(dòng)跟車等功能，實(shí)現(xiàn)軌道機(jī)車和單軌吊機(jī)車的智能化無人自動(dòng)駕駛。

（2） 無軌膠輪車無人駕駛實(shí)現(xiàn)。鼓勵(lì)具備條件的礦井探索應(yīng)用無軌膠輪車無人駕駛技術(shù)，分階段實(shí)施。① 初級(jí)階段：在不依賴精確定位系統(tǒng)的條件下，車輛上簡(jiǎn)單配置激光雷達(dá)、深度相機(jī)、毫米波雷達(dá)等傳感器，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車在井下固定路段內(nèi)的自主無人駕駛。② 中級(jí)階段：基于礦井高精地圖系統(tǒng)、車輛精確定位系統(tǒng)、智能導(dǎo)航系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車在導(dǎo)航環(huán)境下的區(qū)域無人駕駛，并借助地面集控中心平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的地面遠(yuǎn)程控制無人駕駛。③ 高級(jí)階段：在礦井物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)與地面?zhèn)}儲(chǔ)和井下使用場(chǎng)景間的無縫銜接，實(shí)現(xiàn)物資的全流程無人配送。無軌膠輪車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸、無人自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)轉(zhuǎn)彎、自動(dòng)避障、自動(dòng)充換電等功能，最終實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車常態(tài)化無人駕駛。

4 結(jié)論

（1） 當(dāng)前露天煤礦的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化進(jìn)展較快，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了礦用卡車在礦區(qū)固定線路內(nèi)的自動(dòng)駕駛、自動(dòng)避障和車輛調(diào)度。井工煤礦的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)受定位系統(tǒng)精度低和實(shí)時(shí)性差、調(diào)度系統(tǒng)功能缺乏有效融合、駕駛輔助系統(tǒng)模塊不健全、智能傳感器和自動(dòng)駕駛技術(shù)滯后等因素制約，智能化發(fā)展較為緩慢。井工煤礦輔助運(yùn)輸智能化目前還處于裝備的單機(jī)智能化發(fā)展階段，尚未形成集車輛調(diào)度、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、交通指揮、物資管控等功能于一體的輔助運(yùn)輸智能化系統(tǒng)。

（2） 總結(jié)提出了輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化建設(shè)總體目標(biāo)：建設(shè)具有智能規(guī)劃、任務(wù)分配功能的輔助車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)物資運(yùn)輸、人員運(yùn)輸?shù)容o助運(yùn)輸車輛的智能管控、智能路徑規(guī)劃與智能調(diào)度，積極開展井下輔助作業(yè)的機(jī)器人替代，完善運(yùn)輸車輛駕駛輔助系統(tǒng)功能，分區(qū)域適時(shí)應(yīng)用和推廣無人駕駛，全面提升礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑健?/p>

（3） 根據(jù)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化建設(shè)總體目標(biāo)設(shè)計(jì)了煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化框架：物資編碼和物資集裝化運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)物資從倉儲(chǔ)、編碼、裝車、運(yùn)輸、卸車到回收過程的全流程信息化管控；自動(dòng)裝卸和自動(dòng)接駁，實(shí)現(xiàn)物資在軌道機(jī)車、單軌吊、無軌等不同輔助運(yùn)輸方式之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和接駁；精準(zhǔn)定位和智能導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)人員及運(yùn)輸設(shè)備的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位、路線規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航；車輛智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)輸綜合信息展示、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、調(diào)度指揮和健康管理等功能；駕駛輔助系統(tǒng)，建設(shè)防疲勞駕駛預(yù)警、360°全景環(huán)視監(jiān)控、預(yù)防撞、交通標(biāo)志識(shí)別、下坡行車輔助制動(dòng)、自適應(yīng)照明等智能化子系統(tǒng)，提高機(jī)車運(yùn)行的安全性；輔助作業(yè)機(jī)器人替代，實(shí)現(xiàn)井下輔助作業(yè)場(chǎng)景的機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)，減少用工數(shù)量，提高輔助作業(yè)整體自動(dòng)化水平；無人駕駛，實(shí)現(xiàn)機(jī)車在礦井下的無人駕駛常態(tài)化運(yùn)行。