地下礦無人駕駛電機車運輸關鍵技術方案研究

張毅力 汪令輝 黃壽元

(1.銅陵有色金屬集團控股有限公司;2.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦;3.中國恩菲工程技術有限公司)

礦山地下運輸特別是礦石運輸是地下采礦系統(tǒng)的關鍵工程之一。礦石運輸目前主要采用3種形式，即軌道運輸、無軌運輸、皮帶運輸，目前國內(nèi)地下軌道運輸主流是以電機車作為牽引設備［1］。國內(nèi)軌道運輸也存在一系列問題，如采用的信集閉生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)僅能指揮電機車運行，不能直接控制電機車的運行，對電機車的控制能力低;基于信集閉硬件構成和工作原理，不能獲得電機車的準確位置，有些區(qū)段劃分受到硬件設備限制不合理等諸多原因，造成信集閉調(diào)度效率不高;人工操作電機車使得礦石運輸受到人為因素的影響很大，人員疲憊、闖紅燈現(xiàn)象時有發(fā)生，甚至出現(xiàn)嚴重事故。

隨著采礦業(yè)技術的不斷發(fā)展和礦產(chǎn)資源需求的擴大，采礦規(guī)模越來越大，年開采量上千萬噸級特大礦山不斷出現(xiàn)。一些特殊礦山處于高海拔、超深度，存在大量涌水或其他危險，礦山對礦石運輸能力、效率和安全性提出了越來越高的要求。隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，人工成本在采礦成本中占的比例也不斷增大。人們對工作環(huán)境的要求也不斷提高，許多學者認為無人采礦技術是21世紀采礦重要發(fā)展領域［2］。無人駕駛的電機車運輸技術正是朝著這個目標邁進的重要環(huán)節(jié)，它提供了一種可靠、安全的運輸方案，可以滿足礦山地下運輸?shù)倪@些新需求。這一技術對于大型礦山、特大型礦山、特殊礦山都有很好的適用性。從經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益看，無人駕駛也是地下礦電機車運輸發(fā)展趨勢，開發(fā)礦用無人駕駛電機車技術是一項重大技術需求。

目前國外此類技術的使用條件是在全封閉無人行走的巷道內(nèi)使用，這和我國現(xiàn)有礦下條件有較大區(qū)別。而無人駕駛電機車運輸技術目前在國內(nèi)及亞洲還處于空白階段，尚無地下礦運輸采用無人駕駛電機車的應用實例。在歐洲少數(shù)國家有少數(shù)大型礦山在采用此項技術，例如瑞典的Kriuna礦從20世紀80年代就采用了無人駕駛電機車運輸技術［3］，但是類似礦山世界范圍內(nèi)不超過5家。由于此項技術在世界采礦業(yè)很少采用，因此相關報道和技術資料也很少。再加上國外公司對此項技術的保密，使得此項技術的研發(fā)難度很大。2011年5月，中國恩菲工程技術有限公司與銅陵有色金屬集團冬瓜山銅礦聯(lián)合，在冬瓜山銅礦進行了實地試驗，取得了成功。

1 應用現(xiàn)場特征與關鍵技術環(huán)節(jié)

地下礦無人駕駛電機車運輸控制系統(tǒng)試驗選擇在銅陵有色金屬集團冬瓜山銅礦－875 m運輸中段進行。牽引設備為20 t電機車2臺，采用前后雙機牽引，1列編組11節(jié)車皮，頭尾長度82 m，直流滑觸線供電電壓為550 V，裝卸載站各1個，相距750 m，彎道2處，軌道寬度900 mm。

無人駕駛電機車運輸技術是一項綜合性技術，它是集采礦技術、機械技術、工程設計技術、變頻拖動技術、總線通訊技術、無線通訊技術、計算機技術、控制技術、信集閉技術、特殊傳感器技術等多領域技術為一體的多學科、多領域的綜合技術。這些技術可以分為兩類，第一類為無人駕駛電機車的設備系統(tǒng)的軟硬件技術，主要包括變頻拖動技術、總線通訊技術、無線通訊技術、計算機技術、控制技術、信集閉技術、特殊傳感器技術等，而采礦技術、機械技術、工程設計技術等則是第二類，主要作為無人駕駛電機車的應用條件。本研究主要闡述運用第一類技術的方案確定。

2 電機車運輸技術方案確定

電機車是無人駕駛電機車運輸環(huán)節(jié)中的重要設備，是無人駕駛電機車運輸主要的監(jiān)控對象。因此，電機車的技術方案直接關系到本研發(fā)課題的成敗。其中需要解決的關鍵技術包括驅(qū)動關鍵技術、控制方案以及關鍵傳感器技術。本研究提出的一套技術合起來形成了智能電機車技術方案。

2.1 機車驅(qū)動技術方案

無人駕駛電機車由于沒有操作人員隨車操作，不能根據(jù)現(xiàn)場情況隨時調(diào)整電機車的控制狀態(tài)，特別是在電機車減速和減速停車階段，控制是否精確直接關系到運輸系統(tǒng)的安全。因此，電機車控制精度必須準確和可靠。在目前的電機車驅(qū)動方式中，只有變頻器驅(qū)動電機車方式才能滿足此要求，而且變頻器是一項成熟技術，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)的各個領域。最終確定采用變頻器驅(qū)動方案。

2.2 機車控制技術方案的確定

無人駕駛電機車運輸最終要實現(xiàn)在地表集中控制室遙控完成電機車運輸任務，其目的之一就是在安全的前提下減輕操作人員的勞動強度;如果電機車運行完全依靠人工遙控控制，不僅操作人員的勞動強度很大，更主要的是也無法保證運輸?shù)陌踩?。因此，電機車必須具備智能控制系統(tǒng)，電機車在絕大多數(shù)時間內(nèi)按照生產(chǎn)要求自動運行，在個別環(huán)節(jié)由人工遙控操作，這樣不僅可以減輕操作人員的勞動強度，也可以使得電機車運行更加安全和高效。因此，電機車控制必須具備智能功能。

在無人駕駛電機車運輸中，電機車在以下方面實現(xiàn)了智能化。

(1)按照調(diào)度指令自動運行:電機車在接收到調(diào)度指令后，可以按照設定好的程序自動運行，在運行線路中的彎道、道岔、裝載、卸載、直道分別選擇不同的運行速度，在設定的位置自動升降集電弓、自動鳴笛、自動停車等待。

(2)電機車自動保護功能:電機車在運行過程中，可以根據(jù)整體運輸線路情況自動降低運行速度，防止發(fā)生追尾事故;可以根據(jù)整體運輸線路情況自動停止，避免與前方停止機車碰撞;可以根據(jù)整體運輸線路情況，自動選擇駛出穿脈時機，避免不必要的緊急制動。

(3)電機車控制方式:為了適應電機車實際生產(chǎn)需求，電機車具有遙控方式、自動方式、人工方式、檢修方式。通過以上控制方式完全可以滿足電機車正常生產(chǎn)、遠程遙控、臨時人工操作、設備檢修等需求。

(4)電機車同步控制:試驗中礦石運輸采用前后2臺電機車牽引運輸形式，因此2臺電機車必須保持同步操作功能。

(5)電機車事故處理:當其中一臺電機車出現(xiàn)故障時(此處指電氣故障)，采用智能處理方式，及時退出故障設備，由集中控制室人員遙控退出運輸任務，減少事故占道情況的發(fā)生，保證運輸?shù)目煽啃浴?/p>

(6)電機車完善的控制功能:電機車可以根據(jù)運行要求，實現(xiàn)自動加速、減速、慣性停車、斜坡停車、緊急電氣制動、緊急氣剎制動、停車駐車控制、溜車駐車控制等諸多在電機車運行中需要的控制功能。

(7)優(yōu)異的電壓適應范圍:有些地下運輸線路很長，滑觸線電壓經(jīng)常波動很大，再加上升降集電弓的要求，因此變頻器必須適應直流電壓從0～550 V的工作環(huán)境。經(jīng)過對變頻器的二次開發(fā)，使得變頻器完全可以適應上述工作環(huán)境。

2.3 特殊傳感器方案

在無人駕駛電機車運輸中，電機車的位置和速度是重要的參數(shù)，首先要解決機車運輸過程中的振動問題。要分析電機車的工作環(huán)境。地下電機車運輸?shù)恼w工作環(huán)境無法與地表民用鐵路相比，電機車本身制造精度就比較低，礦用電機車本身減震性能差，井下礦鐵軌敷設平整度不高，彎道、岔道在整個運輸線路中占比重很大，電機車經(jīng)過卸載站時處于懸空狀態(tài)，所有這些最終造成電機車在運行時，電機車整體振動非常大，這就給選擇檢測設備帶來很大的難度。

在以往人們對電機車技術改造過程中，選擇傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測電機車的位移和速度，但是經(jīng)過使用證明，由于電機車本身的高振動性，旋轉(zhuǎn)編碼器使用壽命很短，不能滿足電機車的使用工況要求。經(jīng)過與電機車廠家密切合作，并與相關傳感器廠家合作研發(fā)，從檢測設備機構上進行突破，較好地解決了電機車運行過程中存在的振動問題，研制出了可以準確檢測電機車位移和速度的傳感器。

3 通訊技術方案的確定

3.1 地下無人駕駛電機車無線通訊環(huán)境分析

地下電機車主要是在巷道內(nèi)運行，試驗現(xiàn)場通訊巷道截面為高×寬=3.2 m×3 m，彎道半徑在60 m，1列編組頭尾人的目光不能相見。巷道表面坑洼不平。電機車寬度1.8 m，高度2 m。1列運礦編組長度在70 m左右，電機車與巷道左右間隙在0.6 m左右。

根據(jù)無線通訊實際試驗，1列運礦編組對無線通訊的活塞效應非常明顯，在有運礦編組存在的巷道，無線通訊有效截面幾乎減小到空巷道的1/3。通訊距離縮短為空巷道通訊距離的1/3到1/2。

狹長的巷道對通訊距離影響也非常大，通常地表空曠地帶通訊距離1～2 km的設備，在地下直巷道通訊距離在200～300 m，彎巷道通訊距離更短。

在狹長的巷道采用無線通訊，除了對通訊距離有很大影響外，無線電波反射也會給通訊造成不良影響。地表無線電波隨著傳播距離的增大逐步降低，而地下巷道內(nèi)，在無線電波還沒有衰減時就會沒有規(guī)律地不斷被反射，從而給無線通訊帶來不良影響。

3.2 無人駕駛電機車運輸對無線通訊的需求分析

要實現(xiàn)無人駕駛電機車運輸必須具備2條鏈路的無線通訊。1條鏈路是1列編組的頭車和尾車之間通訊，實現(xiàn)頭車和尾車同步控制;另外1路是電機車與集中控制室之間的無線通訊，實現(xiàn)把電機車的運行數(shù)據(jù)傳送到集中控制室，同時把集中控制室的指令發(fā)送給電機車。

無線通訊對象的數(shù)量。無人駕駛電機車運輸使用的無線通訊對象通常是固定的，一般大型礦山同時運行4列編組即可滿足運輸生產(chǎn)需求，特大性礦山同時運行編組數(shù)量基本上也超不過8列編組。其通訊對象特點是對象固定且數(shù)量少。

無線通訊的數(shù)據(jù)容量。無人駕駛電機車運輸?shù)目刂埔鬀Q定著每一個通訊對象通訊的數(shù)據(jù)容量。經(jīng)過仔細計算每個對象工作任務，在滿足控制要求的前提下，把總的通訊數(shù)據(jù)容量壓縮到最小字節(jié)。

無線通訊覆蓋范圍要求。為了確保無人駕駛電機車運輸?shù)陌踩煽浚仨氃谡麄€運輸范圍內(nèi)覆蓋無線通訊，不能出現(xiàn)通訊死角。

無線通訊速率及中斷要求。為了保證對電機車的可靠控制，通訊速率必須滿足集中遙控電機車的要求。對于整個無線通訊覆蓋范圍內(nèi)出現(xiàn)的少數(shù)通訊中斷情況，必須采用智能彌補方法補救，確保控制指令的及時下達和滿足生產(chǎn)安全。

3.3 通訊方案確定

隨著科學技術的不斷發(fā)展，無線通訊技術也得到迅猛發(fā)展，各種類型、各種用途的無線通訊技術不斷涌現(xiàn)。已經(jīng)在地下巷道使用的無線通訊有小靈通、泄漏通訊、WIFI、ZigBee、PLC無線、串口無線通訊等。

通過對無人駕駛電機車運輸對無線通訊的需求以及這些通訊技術特點的綜合分析，采用了以下無線通訊方案:在集中控制室設置無線通訊主站，沿巷道敷設RS485電纜，根據(jù)實際情況在RS485電纜上掛接無線通訊中繼器。通過無線通訊中繼器與移動電機車收發(fā)一體機進行通訊，從而組成完整的通訊網(wǎng)絡。無線通訊方案如圖1所示。

圖1 無線通訊方案

此方案具備以下特點:沿巷道敷設電纜傳輸信號可靠，并且技術成熟;此種網(wǎng)絡拓撲結構適合本課題的要求;采用總線控制交換技術，有效解決多徑干擾問題;采用縮技術將數(shù)據(jù)壓縮到1 ms，使得無線信號抗干擾能力強;對于彎道處頭車和尾車的通訊，采用在中間車皮上增加一個中繼器的方案解決。

4 其他方面

4.1 是否需要獨立的調(diào)度系統(tǒng)

信集閉一直以來是國內(nèi)礦石軌道運輸必備的生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)，無人駕駛電機車運輸是否需要單獨設置獨立的信集閉系統(tǒng)?通過試驗研究的逐步深入，得出結論是:無人駕駛電機車運輸控制系統(tǒng)應該同時具備信集閉統(tǒng)一調(diào)度所有電機車功能，這樣才能實現(xiàn)無人駕駛電機車運輸，并有效地提高運輸效率。對于已建礦山現(xiàn)有的信集閉系統(tǒng)要根據(jù)實際礦山生產(chǎn)情況和生產(chǎn)方式，決定是否需要保留，這里不做過多討論。

4.2 裝載站控制技術方案的確定

在無人駕駛電機車運輸環(huán)節(jié)中，裝載站是一個難點。由于裝礦站受到目前裝礦設備和礦石性質(zhì)等各種因素的影響，要想實現(xiàn)自動按照控制程序裝礦幾乎是不可能的。

首先在裝礦環(huán)節(jié)中缺少計量設備，限于地下工況和安裝空間限制，安裝計量設備是不可能的。其次，溜井內(nèi)礦石粒度、料位高度等對放礦都會產(chǎn)生影響，因此放礦速度不可能均勻和一樣。因此在裝礦環(huán)節(jié)上無法實現(xiàn)定時或定量裝礦。

基于上述原因，采用遠程遙控裝礦設備運行、遙控電機車移動裝礦位置、視頻觀測裝礦情況方法來解決裝礦問題。

5 結論

無人駕駛能夠滿足許多礦山日益發(fā)展的新需求，是地下礦電機車運輸發(fā)展趨勢。以冬瓜山銅礦為背景，分析了無人駕駛電機車技術的關鍵問題、技術環(huán)節(jié)，提出了相應的技術方案，主要包括智能電機車技術方案、通訊技術方案、調(diào)度系統(tǒng)方案以及裝載站控制技術方案。聯(lián)合攻關研制出的新型變頻礦用電機車已經(jīng)在銅陵有色金屬集團冬瓜山銅礦－875 m運輸中段投入應用，初步效果良好。

不同的礦山條件不同，具體技術需求可能差異較大，相應的技術方案也會有差異。例如，可能需要研發(fā)無人駕駛電機車防撞人系統(tǒng)等。本研究關于技術方案確定的思路可供各種礦用無人駕駛電機車技術方案制定做參考。

［1］ 陸國閏.80年代瑞典地下鐵礦開采技術［J］.礦山技術，1990(1):56-70.

［2］ 吳和平，吳 玲，張 毅，等.井下無人采礦技術裝備導航與控制關鍵技術［J］.有色金屬:礦山部分，2007，59(6):12-16.

［3］ 沈德貴.90年代國外金屬地下礦采礦技術［J］.國外金屬礦山，1991(10):28-37.