地下礦無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)探究

隋 淼

（長春黃金設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130012）

地下礦無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)探究

隋 淼

（長春黃金設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130012）

本文在闡述地下礦無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出技術(shù)方案，即智能電機(jī)車技術(shù)、調(diào)度系統(tǒng)方案、通訊技術(shù)方案、裝載站控制技術(shù)。將無人駕駛運(yùn)輸電機(jī)車投入到礦山中運(yùn)行已獲成功，證實(shí)該方案可行性強(qiáng)，運(yùn)行效果良好。

地下礦；無人駕駛電機(jī)車；地下運(yùn)輸；技術(shù)方案

礦山地下運(yùn)輸是保證地下采礦系統(tǒng)有序運(yùn)轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段礦山常用的地下運(yùn)輸方式包括三種，即皮帶運(yùn)輸方式、無軌運(yùn)輸方式以及有軌道運(yùn)輸方式，以電機(jī)車提供地下運(yùn)輸牽引力。但是，軌道運(yùn)輸方面存在許多問題，例如無人運(yùn)輸主要采用的信、集、閉調(diào)度系統(tǒng)僅能對電機(jī)車運(yùn)行發(fā)揮指揮作用，無法起到控制效能。并且信、集、閉硬件無法精確獲取電機(jī)車位置，導(dǎo)致其調(diào)度效率較低。某些電機(jī)車仍然需要人工操作，致使礦石運(yùn)輸過程仍然受制于人為因素，人員疲憊、操作失誤現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重者釀成安全事故。伴隨著礦產(chǎn)資源需求的不斷擴(kuò)大，有些礦山處于超深度、高海拔區(qū)域，涌水量大，危險(xiǎn)度高，這樣便對礦石運(yùn)輸能力有著較高的要求。而無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸技術(shù)的出現(xiàn)就為礦山開采提供了新的極具可行性與安全性的運(yùn)輸方案，不僅可以滿足當(dāng)前與日俱增的開采需求，同時(shí)節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)安全程度。這種技術(shù)主要適用于大型、特大型與特殊礦山。從其發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展前景看，無人駕駛電機(jī)車技術(shù)已取得經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與環(huán)境效益的三重效益，將更為廣泛的運(yùn)用到未來的礦山開采之中。

1 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

1. 1 機(jī)車驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案

無人駕駛電機(jī)車無人員隨車操作，因此難以全面掌控電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，尤其是在電機(jī)車減速及停車時(shí)，電機(jī)車能否精準(zhǔn)控制關(guān)乎采礦運(yùn)輸系統(tǒng)能否安全順暢通行。對此，必須著力提升電機(jī)車精準(zhǔn)度與可靠性。當(dāng)前主要使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)車以滿足對電機(jī)車有效運(yùn)行的要求，并且現(xiàn)今變頻器已趨于成熟安全，并廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域之中。因此，在機(jī)車驅(qū)動(dòng)上可運(yùn)用變頻器精準(zhǔn)控制。

1. 2 機(jī)車控制技術(shù)方案

無人駕駛電機(jī)車要在地表控制室遠(yuǎn)程遙控電機(jī)車完成地下運(yùn)輸任務(wù)，確保在安全可靠基礎(chǔ)上減少人員勞動(dòng)。但是若電機(jī)車運(yùn)行全程依賴人工操縱，在大型礦山復(fù)雜巷道運(yùn)輸上反而增大了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低運(yùn)輸效率，同時(shí)運(yùn)輸安全難以保證。所以，必須給電機(jī)車裝備智能控制系統(tǒng)，保證電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行，特殊環(huán)節(jié)由人員操控，從而減輕人員工作壓力，保證無人運(yùn)輸電機(jī)車運(yùn)行安全、順暢、高效。所以，應(yīng)在電機(jī)車系統(tǒng)中配置智能功能。

現(xiàn)今無人駕駛電機(jī)車的智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）根據(jù)指令自動(dòng)行駛：無人駕駛電機(jī)車配設(shè)智能功能后，接到調(diào)度指令后，會(huì)依據(jù)預(yù)設(shè)程序行使，按照運(yùn)行中的道路狀況自行調(diào)整運(yùn)行速度與運(yùn)行狀況，同時(shí)在電機(jī)車中升降、裝卸、鳴笛與停車等設(shè)置自動(dòng)化程序。（2）自動(dòng)保護(hù)功能：無人駕駛電機(jī)車在運(yùn)駛中，可按照運(yùn)輸線路道路狀況，自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行速度，避免追尾等交通事故的發(fā)生；可按照線路狀況自行選擇終止運(yùn)行，避免與其他機(jī)車摩擦碰撞。（3）控制方式：無人駕駛電機(jī)車的控制方式較多，主要包括檢修方式、自動(dòng)方式、人工操作方式以及遙控方式等，需要根據(jù)無人電機(jī)車的實(shí)際生產(chǎn)需求，根據(jù)無人電機(jī)車生產(chǎn)需求選擇合適的控制方式，以此保證其能夠和電機(jī)車的危機(jī)處理、設(shè)備巡檢、人工操作、遠(yuǎn)程控制以及實(shí)際需求相適應(yīng)。（4）同步控制：電機(jī)車礦石運(yùn)輸一般采用前后2臺電機(jī)車牽引進(jìn)行運(yùn)輸，因此2臺電機(jī)車必須保持同步操作功能。（5）事故處理：利用智能處理方式處理電機(jī)車電氣故障，設(shè)備控制室人員及時(shí)操縱設(shè)備推出運(yùn)輸任務(wù)，避免因設(shè)備故障占用車道，確保運(yùn)輸通暢。（6）控制功能：無人駕駛電機(jī)車可在運(yùn)行過程中基于運(yùn)行需要，使用加速、減速、停車、緊急制動(dòng)、剎車、駐車控制等控制功能。（7）電壓適應(yīng)范圍：在地下運(yùn)輸線路中，有些線路較長，電壓波動(dòng)較大，加之升降集電弓對電壓有特別要求，所以，變頻器應(yīng)與直流電壓0～550V的直流電壓環(huán)境相適宜，通過二次開發(fā)變頻器，使變頻器適宜于作業(yè)環(huán)境。

1. 3 特殊傳感器方案

無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸過程中，電機(jī)車運(yùn)輸中的振動(dòng)問題是急需解決的問題。對此，應(yīng)首先分析電機(jī)車運(yùn)輸環(huán)境。較之地上鐵路運(yùn)輸，地下電機(jī)車運(yùn)輸工作環(huán)境復(fù)雜，電機(jī)車精度低，減震性差，加之地下礦鐵軌鋪設(shè)不夠平整，運(yùn)輸線路中多彎道、岔道，電機(jī)車通過卸載站時(shí)需要懸空，這些都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)車在運(yùn)行過程中振幅大，由此加大了檢測設(shè)備選擇難度。

過去在電機(jī)車改造上，主要采用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器對電機(jī)車位移、速度進(jìn)行檢測，然而使用發(fā)現(xiàn)，由于電機(jī)車自身有極強(qiáng)的震動(dòng)性，旋轉(zhuǎn)編碼器在震動(dòng)影響下，壽命較短，難以滿足電機(jī)車運(yùn)行要求。電機(jī)車生產(chǎn)廠商需與傳感器廠家緊密合作，突破傳統(tǒng)檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)，解決電機(jī)車使用過程中的振動(dòng)問題，制作出可對電機(jī)車位移、速度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測的傳感器。

2 通訊技術(shù)方案的確定

2. 1 地下無人駕駛電機(jī)車無線通訊環(huán)境分析

地下電機(jī)車運(yùn)行于巷道，為檢測無人駕駛電機(jī)車無線通訊環(huán)境，其試驗(yàn)現(xiàn)場通訊巷道截面為高、寬分別為3.2 m 和3 m，半徑為60m，列編組頭尾不相見。該巷道路面不平。電機(jī)車高、寬分別為2m、1.8m。其中1列運(yùn)礦編組約為70m，其中電機(jī)車和巷道的間隙為0. 6m。

對1列運(yùn)礦編組進(jìn)行無線通訊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明主要作用于無線通訊，存在明顯的活塞效應(yīng)，空巷道截面為運(yùn)礦編組巷道通訊截面的30倍，而通訊距離介于空巷道距離的1/3～1/2之間。

狹長巷道會(huì)對通訊距離產(chǎn)生直接的影響，地表空曠地帶通訊距離為2km以內(nèi)的通訊設(shè)備，能夠直接進(jìn)行地下無人駕駛電機(jī)車的通訊，如果巷道彎曲，將會(huì)影響通訊效果和通訊距離。狹長巷道中采取無線通訊方式，即波及通訊距離同時(shí)會(huì)對無線電發(fā)射造成影響，影響通訊狀況。地表無線電波狀況受傳播距離的影響較大，傳播距離越大，地表無線電波降低越大。地下巷道內(nèi)，無線電波為完全減退時(shí)，會(huì)規(guī)律性的被反射，繼而影響無線通訊情況。

2. 2 無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸對無線通訊的需求

無人駕駛電機(jī)車要想實(shí)現(xiàn)順暢運(yùn)輸，應(yīng)有兩條無線通訊鏈路，其一，編組車頭與車尾間的，使頭車、尾車實(shí)現(xiàn)同步控制；其二，電機(jī)車與控制室間的通訊鏈路，使電機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)送至控制室，同時(shí)將其中的指令傳輸至電機(jī)車。

（1）無線通訊對象數(shù)目。通常狀況下，電機(jī)車運(yùn)輸無線通訊對象的數(shù)量是固定不變的，對于特大型礦山至少需要8列編組，對于大型礦山需要設(shè)置4列編組，在實(shí)際設(shè)定過程中需要根據(jù)運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需求確定。綜合而言，無人電機(jī)車運(yùn)行中通訊對象具有數(shù)量少、對量固定的特點(diǎn)。（2）無線通訊的數(shù)據(jù)容量。一般狀況下，電機(jī)車對運(yùn)輸通訊對象數(shù)據(jù)容量的要求非?？量?，嚴(yán)格明確無線通訊對象的工作任務(wù)，并按照控制的實(shí)際要求將總通訊數(shù)據(jù)容量降低至最小字節(jié)。（3）無線通訊覆蓋范圍要求。為充分實(shí)現(xiàn)無人電機(jī)車運(yùn)行的可靠性與安全性，在電機(jī)車運(yùn)輸中需要根據(jù)需求覆蓋無線通訊，防止通訊死角的出現(xiàn)。（4）無線通訊速率及中斷。為充分實(shí)現(xiàn)無人電機(jī)車運(yùn)行的可靠性與可控制性，其通訊速率應(yīng)保證符合遙控電機(jī)車運(yùn)行要求。無線通訊覆蓋范圍的通訊中斷，應(yīng)施以智能措施補(bǔ)救，確保及時(shí)下達(dá)控制指令，滿足生產(chǎn)安全。

2. 3 通訊方案確定

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展背景下，無線通訊技術(shù)隨之快速發(fā)展，各種類型與用途的無線通訊技術(shù)將走入實(shí)際應(yīng)用之中。普遍應(yīng)用于礦山運(yùn)輸?shù)叵孪锏赖臒o線通訊之中，主要為WIFI, ZigBee, PLC無線通訊以及有串口無線通訊等。在充分掌握無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸對于無線通訊的要求，我們可在探析通訊技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可指定如下無線通訊方案：將無線通訊主站設(shè)置于集中控制室中，并在巷道內(nèi)部鋪設(shè)RS485電纜，在RS485電纜上連接通訊中斷器。使其與電機(jī)車收發(fā)一體機(jī)構(gòu)成通訊系統(tǒng)，進(jìn)而形成完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。

圖1 無線通訊方案

3 結(jié)語

無人駕駛電動(dòng)車順應(yīng)當(dāng)前不斷擴(kuò)大的礦山規(guī)模，是地下礦電機(jī)車運(yùn)輸?shù)慕窈蟀l(fā)展的必然趨勢。本研究通過分析無人駕駛電機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)，提出無線通訊方案，探究地下礦無人駕駛電機(jī)車在地下礦運(yùn)輸中的具體應(yīng)用狀況，為其他礦采用無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸提供參考。

[1]地下礦無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸技術(shù)[J]. 現(xiàn)代職業(yè)安全，2013,04:108.

[2]張毅力,汪令輝,黃壽元. 地下礦無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)方案研究[J]. 金屬礦山,2013,05:117-120.

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TD52

A

1671-0711（2017）04（下）-0104-02