井下電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

童 春

安徽銅冠(廬江)礦業(yè)有限公司 安徽合肥 231563

無人駕駛是車子脫離了駕駛員，能夠自動完成駕駛員所做的各項(xiàng)事情，它需要運(yùn)用各種技術(shù)手段相結(jié)合來完成機(jī)器對人工的替代，現(xiàn)階段“無人”分為兩種，一種為遠(yuǎn)程遙控操作，另一種則是利用系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)完全無人駕駛。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)就是利用智能系統(tǒng)連接駕駛室，完全代替人工進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)。例如，通過安裝感應(yīng)器等了解電機(jī)車路況行駛信息、行駛位置以及是否有障礙物等信息；采用強(qiáng)大的算法系統(tǒng)，通過收集電機(jī)車從停車點(diǎn)到放礦漏斗再到礦倉放卸礦的工作過程建立其運(yùn)行模擬控制系統(tǒng)，使得電機(jī)車能夠根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的信號完成定點(diǎn)停車、定點(diǎn)啟動、定點(diǎn)加速、定點(diǎn)轉(zhuǎn)向等動作。工人僅僅需要在調(diào)度室內(nèi)通過大屏幕實(shí)時(shí)檢測電機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)及各個(gè)參數(shù)，這進(jìn)一步提高了安全運(yùn)輸?shù)男阅堋?/p>

一、井下電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

隨著社會的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)逐漸應(yīng)用到井下采礦中來，從井下遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦到遠(yuǎn)距離遙控出礦，再到井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)闹悄芑?，井下采礦無人化的實(shí)現(xiàn)不再是空談。隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，井下無人駕駛技術(shù)越來越成熟，將人工智能技術(shù)、自動定位技術(shù)、傳感避障技術(shù)以及自動控制系統(tǒng)等技術(shù)結(jié)合起來，在一定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)井下的無人作業(yè)。尤其是井下無軌運(yùn)輸系統(tǒng)，通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集分析，利用先進(jìn)系統(tǒng)，完全可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)臒o人化作業(yè)。減少井下人工成本，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。

二、沙溪銅礦的工作現(xiàn)狀

沙溪銅礦采用地下方式開采，主要分為10個(gè)大中段，分別是-160m中段、-290m中段、-410m中段、-530m中段、-650m中段、-770m中段、-800m中段、-850m中段、-910m中段以及-970m中段，其中自地表-160m中段到井下-770m中段為出礦中段，-800m中段為環(huán)形礦體的主要階段運(yùn)輸水平，承擔(dān)著整個(gè)礦山礦廢石的運(yùn)輸，而-850m中段到-970m中段則為破碎提升中段。-800m運(yùn)輸巷道采用沿、穿脈環(huán)形運(yùn)輸，礦石運(yùn)輸系統(tǒng)采用斜井—皮帶運(yùn)輸，其主要過程是：采場礦石爆破進(jìn)入出礦采場→電動鏟運(yùn)機(jī)回采出礦→采區(qū)溜井→-800m中段環(huán)形運(yùn)輸系統(tǒng)震動放礦機(jī)→CJY20/9GP架線式雙機(jī)牽引電機(jī)車牽引20立方米側(cè)卸式電機(jī)車→礦石倉→-850m中段破碎系統(tǒng)→-910m皮帶運(yùn)輸→主井提升→地表大礦倉。

三、電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過-800m中段的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，我們了解到電機(jī)車的運(yùn)輸過程為從?？奎c(diǎn)出發(fā)，然后到震動放礦機(jī)處放礦，最后到礦倉進(jìn)行卸載礦石，循環(huán)往復(fù)，根據(jù)其工作的過程我們設(shè)計(jì)如下的電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)。

整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)由調(diào)度控制中心、信號傳輸系統(tǒng)以及系統(tǒng)終端三大部分結(jié)構(gòu)組成，具體如圖1所示，各部分具體介紹如下：

圖1 電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(一)調(diào)度控制中心

調(diào)度控制中心由四部分結(jié)構(gòu)組成，分別是遙控臺、機(jī)車監(jiān)測服務(wù)器、視頻監(jiān)控服務(wù)器以及調(diào)度服務(wù)器。通過安裝系統(tǒng)工作臺使得工人不僅可以在調(diào)度室內(nèi)觀察并監(jiān)視整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的無人駕駛，還可以通過操作臺進(jìn)行遙控操作電機(jī)車設(shè)備運(yùn)行，此操作臺的按鍵手柄完全按照電機(jī)車駕駛室內(nèi)的操作裝置一比一還原，不存在遙控操作不習(xí)慣的問題。同時(shí)在調(diào)度室的顯示屏幕上可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，如電機(jī)車的運(yùn)行速度、電機(jī)車的實(shí)時(shí)位置定位以及電機(jī)車的運(yùn)行參數(shù)等信息。這樣有利于操作人員更好地了解設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，可以立即安排專業(yè)人員進(jìn)行處理，省時(shí)高效，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)井下運(yùn)輸中段布滿了監(jiān)控?cái)z像頭，如各個(gè)放礦漏斗、礦廢石倉、各個(gè)道岔等地點(diǎn)實(shí)施保證電機(jī)車在人員的監(jiān)控之下運(yùn)行，例如，礦倉、廢石倉等地點(diǎn)通過安裝料位檢測器對井下的礦位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，而攝像頭和檢測器通過接入井下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將實(shí)際信息回傳到調(diào)度室的顯示屏幕上，通過檢測電機(jī)車所在的實(shí)時(shí)位置，合理對電機(jī)車編組進(jìn)行任務(wù)分配調(diào)度，最后通過系統(tǒng)控制每個(gè)電機(jī)車單元進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)，使其能夠按照排班要求完成任務(wù)。

(二)信號傳輸系統(tǒng)

信號傳輸系統(tǒng)是整個(gè)電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)的核心部分，所有通信設(shè)備的接入管理，以及整個(gè)電機(jī)車自動運(yùn)輸命令的下達(dá)、各臺電機(jī)車相關(guān)信息的傳達(dá)，甚至視頻監(jiān)控信息的轉(zhuǎn)接等都是通過其完成的。信號傳輸系統(tǒng)主要是由各個(gè)點(diǎn)建立的信號聯(lián)絡(luò)站(即通信基站)、用于數(shù)據(jù)交換處理的核心交換機(jī)及井下所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成。利用無線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信基站通過數(shù)據(jù)收集，將電機(jī)車在行駛過程中的各種運(yùn)行參數(shù)、軌道行駛狀況以及周邊環(huán)境的相關(guān)信息在電機(jī)車內(nèi)部安裝的車載無線終端和控制中心之間相互傳遞。通過不斷傳輸相關(guān)信息，及時(shí)反映出電機(jī)車是否在正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及周邊生產(chǎn)環(huán)境是否正常等。

(三)系統(tǒng)終端裝置

(1)電機(jī)車無線終端。安裝在駕駛室內(nèi)，作為一條信息接收與傳送的主要端口，以無線網(wǎng)絡(luò)連接為紐帶，通過與各個(gè)點(diǎn)建立的信號聯(lián)絡(luò)站(即通信基站)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)，隨時(shí)隨地將電機(jī)車收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行無障礙傳輸。

(2)車載控制器。其有三種作用，分別是操作電機(jī)車是否開啟、是否提前剎車關(guān)閉電路、分析電機(jī)車運(yùn)行時(shí)的設(shè)備參數(shù)和傳輸與接受在運(yùn)行過程中收集的各種信息以及調(diào)度控制中心所下達(dá)的各種生產(chǎn)指令，并根據(jù)相應(yīng)程序完成相應(yīng)的工作指令來達(dá)到控制電機(jī)車的目的。

(3)信標(biāo)器。主要作用為對井下的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行感知，同時(shí)提供電機(jī)車的實(shí)時(shí)位置。

四、電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)中所需要攻關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)

(一)電機(jī)車工作環(huán)境的探測與感知技術(shù)

電機(jī)車工作環(huán)境的探測與感知技術(shù)是將不同的感應(yīng)器(即傳感器)安裝在車子的不同部位，以此來達(dá)到對電機(jī)車運(yùn)行過程中周邊環(huán)境信息的收集與分析的目的。這是電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提，也是整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全正常行駛的重要保障，例如，在車上安裝距離傳感器和攝像頭來實(shí)現(xiàn)環(huán)境的感知，在放礦漏斗處安裝料位傳感器以此來監(jiān)控礦車是否放滿，從而來控制放礦漏斗的開關(guān)等。

通過安裝的傳感器不斷地發(fā)出以及接受反射的信號，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，得出周邊物體與電機(jī)車之間的實(shí)際距離。如果出現(xiàn)異常情況立即向控制臺發(fā)出警報(bào)并停車，等待專業(yè)技術(shù)人員的檢查與維修。另外，通過在車上安裝定位器實(shí)時(shí)確定電機(jī)車的位置。當(dāng)經(jīng)過路口時(shí)，控制臺通過反饋回來的位置信息，根據(jù)電機(jī)車要行駛的方向，及時(shí)向路口的帶道器發(fā)出指令進(jìn)行變道作業(yè)，帶道器根據(jù)指令自動進(jìn)行變道，確保列車能夠在正確的軌道上行駛?，F(xiàn)階段市場上的傳感器所發(fā)出的信號強(qiáng)度相對來說還是很高的，其抗干擾能力也是非常強(qiáng)的，在一定程度上來說還是比較適合井下運(yùn)輸中段大范圍探測的，在井下各個(gè)點(diǎn)均可正常使用。但是好的傳感器在市場上價(jià)格也是很高的，這可能會導(dǎo)致其生產(chǎn)成本也比較高，另外現(xiàn)階段的傳感器還存在著一些問題，例如，一些感應(yīng)傳感器在使用過程中由于一些環(huán)境的影響還可能會造成檢測結(jié)果延遲的問題等，但是在一定程度上，現(xiàn)階段市場上的傳感器適用于井下生產(chǎn)使用。

視覺的檢測主要是通過在井下運(yùn)輸巷道各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)以及電機(jī)車上安裝的高清攝像頭進(jìn)行周圍環(huán)境的拍攝，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺將攝像頭檢測的畫面?zhèn)骰卣{(diào)度室的主機(jī)，通過人工智能技術(shù)對傳回的畫面信息進(jìn)行分析比對并做出最佳的處理指令，代替人工進(jìn)行智能化的科學(xué)處理。通過與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并對收集的信息進(jìn)行儲存優(yōu)化，通過不斷的調(diào)試達(dá)到最優(yōu)解。視覺檢測需要對攝像頭傳回的信息進(jìn)行全面處理，并根據(jù)處理的信息通過人工智能做出正確的判斷，圖片信息的處理，依賴于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)算法，現(xiàn)階段這種算法已普遍應(yīng)用到無人駕駛汽車了。相對來說這種技術(shù)還是比較成熟的，完全可以在電機(jī)車上實(shí)現(xiàn)。

(二)障礙物的感知與自動躲避

通過相應(yīng)的技術(shù)手段獲得了電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)和周邊的環(huán)境條件后，就要考慮電機(jī)車在自動運(yùn)行時(shí)對前方障礙物的感知與自動躲避，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)對技術(shù)的要求非常高。現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)電機(jī)車自動駕駛過程中對障礙物的感知與自動躲避主要采用三種方法，具體內(nèi)容如下：

運(yùn)動障礙物檢測技術(shù)需要結(jié)合環(huán)境感知技術(shù)，通過分析檢測到的電機(jī)車周圍環(huán)境信息，分析出正在運(yùn)動的障礙物后進(jìn)行避障。常用的障礙物檢測法有實(shí)體類聚法、地圖坐標(biāo)差分法和目標(biāo)跟蹤法。實(shí)體類聚法基于數(shù)據(jù)信息分類實(shí)現(xiàn)，將傳感器采集到的環(huán)境信息進(jìn)行障礙物分類，由此可以更好地記錄每個(gè)障礙物的運(yùn)動狀態(tài)；地圖坐標(biāo)差分法是通過分析地圖上障礙物分布情況來記錄物體的運(yùn)動信息，并對運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行估算；目標(biāo)跟蹤法是通過跟蹤分析系統(tǒng)已經(jīng)記錄的該檢測目標(biāo)的信息，估算下一時(shí)刻的目標(biāo)信息。

障礙物軌跡預(yù)測技術(shù)原理為：當(dāng)無人駕駛測控系統(tǒng)采集到障礙物的運(yùn)動狀態(tài)后，通過運(yùn)動預(yù)測算法描繪出其運(yùn)動軌跡，并判斷是否與電機(jī)車自身預(yù)設(shè)的行駛軌跡相交，采集的信息越多，算法越精確。若算法最后的結(jié)果是兩個(gè)軌跡相交，則需要無人駕駛測控系統(tǒng)給出相應(yīng)的避障指令。該類技術(shù)主要采用人工智能技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法做出相應(yīng)的避障決策，以及重新設(shè)計(jì)電機(jī)車的行駛軌跡。

(三)電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤與實(shí)時(shí)位置的定位

通過在電機(jī)車上安裝相應(yīng)的定位裝置，根據(jù)定位裝置不斷反饋的信息就可以實(shí)時(shí)了解到電機(jī)車運(yùn)行到了哪個(gè)地方，以及其在向哪個(gè)方向行駛，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤與實(shí)時(shí)位置的定位。這全部都依賴于當(dāng)今可以定位科技的發(fā)展，現(xiàn)階段一些常用的定位器、追蹤器等裝置技術(shù)非常成熟，已經(jīng)廣泛運(yùn)用到我們的實(shí)際生活當(dāng)中來了，例如，現(xiàn)在的無人汽車定位技術(shù)、手機(jī)定位等，一般來說常用的定位技術(shù)有慣性定位技術(shù)和無線定位技術(shù)兩種。

慣性定位技術(shù)主要是通過在電機(jī)車上安裝慣性定位裝置即可完成電機(jī)車的定位，不需要使用電機(jī)車自身之外的輔助設(shè)備，定位的精度由慣性定位裝置的測量精度決定。該技術(shù)不受電機(jī)車行駛環(huán)境影響，能夠自主完成定位，具有高可靠性。但由于該技術(shù)不與外界通信，導(dǎo)致只要內(nèi)部出現(xiàn)問題，就有可能一直存在，井下產(chǎn)生累積誤差，使定位精度越來越低。

無線定位技術(shù)通過電機(jī)車與外部設(shè)備進(jìn)行無線通信獲取電機(jī)車的位置信息。無線定位技術(shù)定位范圍大，不會產(chǎn)生累積誤差，但是由于電機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境多樣化，無線通信不一定都能完全適應(yīng)，因此有可能導(dǎo)致定位精度降低。無線信號的傳輸和接收過程需要時(shí)間，所以無線定位還具有一定的延退性，但是可以通過對無線定位算法的改進(jìn)來消除延遲誤差。

(四)電機(jī)車自動運(yùn)行的控制技術(shù)

電機(jī)車要實(shí)現(xiàn)無人駕駛，首先還是要從電機(jī)車的操作上入手。從啟動到在行駛到井下不同的位置時(shí)，如在直道上需要進(jìn)行加速而過彎道和礦倉時(shí)則需要減速，而在放礦點(diǎn)或遇到障礙物時(shí)則需要停車。這都需要在進(jìn)行編程前對設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的收集，然后將收集的數(shù)據(jù)變成二進(jìn)制語言，編好一整套從設(shè)備啟動開始到卸礦結(jié)束這一整套流程的穩(wěn)定控制程序，利用電腦來對電機(jī)車進(jìn)行操作，使得電機(jī)車能夠根據(jù)程序控制進(jìn)行周而復(fù)始的拉礦卸礦作業(yè)。

現(xiàn)階段井下運(yùn)輸大多是鋪設(shè)軌道，讓電機(jī)車在軌道上行駛，這對電機(jī)車的使用性能要求非常高，首先它要符合井下的生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)能力，具備礦安標(biāo)志，抗大爆破沖擊波的沖擊能力較強(qiáng)，還應(yīng)該具備防爆、防潮、防漏電等其他相關(guān)的安全性能。

五、此系統(tǒng)實(shí)施后具有的一些優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)的人工駕駛，電機(jī)車無人駕駛有以下幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)。首先，解決了現(xiàn)階段金屬礦山井下人力資源不足的問題，將電機(jī)車駕駛員釋放了出來，解放了礦山的勞動力，改變了傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式。其次，電機(jī)車無人駕駛更能穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)V廢石，提高運(yùn)輸效率減少了人為的失誤，增加了井下自動化的進(jìn)程，提高了安全生產(chǎn)系數(shù)，節(jié)約了大量的人工成本，是建設(shè)數(shù)字化、智慧化礦山，實(shí)現(xiàn)智能采礦的重要組成部分。再次，實(shí)現(xiàn)了軌道的自動變道，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)了管控一體化、可視化項(xiàng)目，通過應(yīng)用自動化控制、大數(shù)據(jù)收集與分析，遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)等高新技術(shù)將整個(gè)運(yùn)輸過程采集匯總，利用編程技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令按順序進(jìn)行車輛自檢、啟動運(yùn)行、放礦作業(yè)、卸礦作業(yè)等一系列工作流程，各編組相互獨(dú)立，互補(bǔ)影響，有序地進(jìn)行井下的運(yùn)輸作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸?shù)陌胱詣踊踔寥詣踊M(jìn)一步減少了井下工人的勞動強(qiáng)度，提高了運(yùn)輸?shù)男剩淖兞诉\(yùn)輸工的工作環(huán)境，同時(shí)對井下的安全工作的開展影響深遠(yuǎn)，增加了礦山開采的安全系數(shù)。最后，將電機(jī)車駕駛、溜井放礦兩個(gè)崗位合二為一，優(yōu)化了勞動組織。在一定程度上使得井下的運(yùn)輸效率有所提高，對企業(yè)的降本增效、安全生產(chǎn)有著重要的意義。

結(jié)語

綜上所述，作為我國重要的資源，礦山的開采對保障我國的資源安全，提高對礦產(chǎn)資源的開采率和利用率有著十分重要的意義。在此背景下，本文通過深入分析研究無人駕駛電機(jī)車的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，為真正實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的智能化開采、自動化開采，提高礦產(chǎn)資源開采的效率提供有力的技術(shù)保障。