基于5G通信技術的地下遙控鏟運機開發(fā)及應用

牟少良

（山金重工有限公司）

近年來隨著淺部礦產(chǎn)資源的枯竭，金屬礦產(chǎn)資源開采逐步向深部發(fā)展。深部開采存在高溫、高壓、高濕、通風差等不利因素，惡劣的環(huán)境對采礦工人的生命健康和設備的安全使用造成威脅，增加了深部開采的難度。根據(jù)國家對智慧礦山、數(shù)字礦山建設的總體要求，礦業(yè)裝備朝著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，各個礦山裝備機械化、智能化水平越來越高。隨著第五代移動通訊技術的發(fā)展及基礎設施的不斷完善，促使超視距控制技術在無軌裝備上得以實現(xiàn)。

2019年，山東黃金萊西金礦成功實現(xiàn)首批5G基站的部署，成功實現(xiàn)了井下-500 m水平礦井5G信號的全覆蓋，在此背景下，開發(fā)基于5G通信技術的超視距遙控鏟運機成為可能。根據(jù)現(xiàn)場調研，對設備的結構、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、通信傳輸路線架構進行了設計研發(fā)［1-5］。

1 遙控鏟運機的基本技術參數(shù)及功能

1.1 設備技術參數(shù)

現(xiàn)場調研萊西金礦巷道斷面尺寸、5G通信系統(tǒng)的信號傳輸延遲率、相關配套部件功能損耗等工作參數(shù)以及工作安全性，結合國家標準《地下鏟運機》（JB/T 5500—2015）要求，設計設備主要技術參數(shù)見圖1。

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1.2 遙控鏟運機功能規(guī)劃

鏟運機用于井下礦石爆破后松散物料的鏟裝和運輸工作，根據(jù)其功能和超視距遙控的特殊情況，結合以前視距控制鏟運機開發(fā)經(jīng)驗，制定該設備滿足實際生產(chǎn)具備的功能如下。

（1）操作人員在地面控制中心通過操控平臺遠程操控鏟運機，實現(xiàn)啟動、行駛、轉向、工作、停止等功能。

（2）車輛需具有本地和遠程控制2種模式。

（3）可以實現(xiàn)一個操控平臺對多臺遙控設備的操控，即實現(xiàn)一控多功能。

（4）車輛具備作業(yè)環(huán)境視頻監(jiān)控采集、環(huán)境CO濃度實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)上傳顯示功能。

（5）運行狀態(tài)與工況信息（包括速度、轉角、傾角等姿態(tài)參數(shù)及壓力、時間等系統(tǒng)參數(shù)）實時采集上傳顯示功能。

（6）設備故障監(jiān)測、異常診斷及運維提醒報警自動停機鎖車安全保護功能。

（7）360°視頻監(jiān)控配合毫米波雷達，同時視頻畫面及雷達距離提示為駕駛員操作提供依據(jù)。

（8）工作狀態(tài)下設備在網(wǎng)絡突然中斷的突發(fā)狀況下自動制動、進入空檔停車狀態(tài)。

2 遠程控制路線確定及系統(tǒng)設計

對現(xiàn)場井下5G網(wǎng)絡的布置調研，通過專業(yè)網(wǎng)絡公司來了解5G移動通信架構布局及相關5G配套產(chǎn)品的功能特性，確定總體的超視距控制系統(tǒng)方案及路線。

總的控制路線：操控室內工人通過集控操作臺發(fā)出的指令通過集采中心統(tǒng)一采集發(fā)送給地面控制中心，地面控制中心對數(shù)據(jù)進行處理后經(jīng)路由器通過5G通信傳輸至井下基站，基站發(fā)射無線信號通過車載CPE進行接收，然后通過路由和網(wǎng)關將信號轉換為指令發(fā)送給車載控制中心，由車載控制中心控制各部分進行動作。具體控制路線圖如圖1所示。

2.1 遙控鏟運機系統(tǒng)組成

遙控鏟運機因為其遙控的屬性，需要經(jīng)過遠程操控、指令的網(wǎng)絡傳輸、指令的本地接收和執(zhí)行等步驟，因此需要井上主控臺發(fā)出指令，通過主控系統(tǒng)進行控制。由于設備遠離人的視線，現(xiàn)場工作畫面需要通過視頻采集系統(tǒng)進行回傳，增加360°全景影像及雷達避障系統(tǒng)可以準確對設備當前位置進行定位，行進過程中及時躲避障礙物?？紤]到智能礦山的建設，設計設備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)及故障報警系統(tǒng)，可以動態(tài)監(jiān)測設備運行狀態(tài)，通過設備運行狀態(tài)大數(shù)據(jù)及時對健康狀況進行綜合分析，配合故障報警系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)設備故障并進行診斷，防止設備損壞或安全事故發(fā)生。

遙控鏟運機結構包括機械結構、液壓系統(tǒng)、遠程操作臺、車輛主控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息采集及反饋系統(tǒng)、360°全景影像及雷達避障系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由工作液壓系統(tǒng)、轉向液壓系統(tǒng)、行駛液壓系統(tǒng)和卷纜液壓系統(tǒng)組成。

2.2 各組成系統(tǒng)設計

（1）機械結構。機械部分按照1 m3鏟運機標準設計前機架裝配體、后機架裝配體、鏟斗和附件結構。

（2）液壓系統(tǒng)。按照原1 m3鏟運機的液壓系統(tǒng)進行電氣化設計，將液壓部選型設計為電液比例控制，為后期遠程電控做準備。

（3）車輛主控系統(tǒng)。通過在地面集控中心設置集控平臺，將轉向、工作、前進、后退、制動、啟動、停止等信號通過集中采集模塊輸入計算機進行分析計算，然后通過以太網(wǎng)將信號傳輸?shù)骄禄?，通過鏟運機上的CPE接收基站發(fā)出的信號（或者通過集成在鏟運機后部電纜內的網(wǎng)線實現(xiàn)有線連接，減少信號衰減），隨后經(jīng)過路由器通過車載ProfiNet網(wǎng)橋將工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線對接，實現(xiàn)與現(xiàn)場工控機的直接通信。最后由現(xiàn)場工控機通過現(xiàn)場CAN總線對車輛的各電液比例閥進行精準控制，最終實現(xiàn)車輛的工作和運行。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在設備前側安裝攝像頭用于行進時觀察前部路況。在左右兩側安裝2個后方向攝像頭用于觀察左右兩側巷道及車輛后部情況。在后側安裝1個攝像頭用于觀察鏟斗舉升高度位置，防止操作時鏟斗碰觸巷道頂部。該系統(tǒng)采集的圖像信息實時上傳并在主控制室顯示。

（5）信息采集及反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)對整車的運行參數(shù)、工況信息及周圍環(huán)境信息進行實時采集上傳，并在操控室狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)顯示分屏上顯示。對于采集的信息經(jīng)控制中心進行分析，當發(fā)現(xiàn)異常時主動采取相應措施規(guī)避風險，防止事故發(fā)生和設備損壞。

（6）360°全景影像及雷達避障系統(tǒng)。在鏟運機上使用了車載360°全景影像及雷達避障系統(tǒng)，根據(jù)設備的運動隨動式顯示車輛前后左右車體畫面，用于操作者操作時無法獲知設備位置的不適應感，幫助操作者適應遠程操縱的不適應感。前后左右4個雷達實時顯示車輛距四周的距離，超過設定距離時設備及時停車規(guī)避危險。

3 安全控制策略的制定及程序的編制

設備屬于遠程控制，人員不能觀察設備的異常并做出快速判斷，所以遙控操作設備一旦發(fā)生異?；蛘呤Э?，對周圍人員及設備的危害極大，極易造成人員傷亡和設備損壞。在總結前期常規(guī)設備使用中存在的風險點基礎上，對新型的超視距鏟運機存在的風險，特別是遙控狀態(tài)以及通訊中斷狀態(tài)下設備自動控制安全策略進行詳細規(guī)劃和編制。

4 項目創(chuàng)新及應用

4.1 創(chuàng)新點

（1）控制系統(tǒng)采用CAN總線技術，鏟運機的啟動、加速、行駛、工作、停機等全過程在本地控制的基礎上實現(xiàn)遠程控制功能。

（2）開發(fā)的車載主控系統(tǒng)及遠程集控平臺操作系統(tǒng)實現(xiàn)了由控制中心發(fā)送指令，操作人員通過電子屏幕對鏟運機進行遠程控制，完成啟動、熄火、前進、后退、左右轉向、升降動臂、收翻鏟斗、制動、停機等全過程動作。

（3）通過傳感器和信號采集模塊，對鏟運機的運行壓力、溫度、速度、轉向角、傾斜角度、運行時間及CO濃度等信息進行采集、監(jiān)測、傳輸及數(shù)據(jù)處理和存儲，并具備異常報警和定期維保提示功能。將公路車輛的360°全景監(jiān)控技術首次應用于井下鏟運機，使操作者能直觀有效掌控現(xiàn)場環(huán)境信息，進一步提高設備運行的安全性。

（4）開創(chuàng)性地在電動鏟運機上實現(xiàn)了地下基站與設備的有線通信，即將網(wǎng)線集成在電動鏟運機的后部拖曳電纜中，設計了專門用于鏟運機的網(wǎng)線滑環(huán)，將網(wǎng)線的直線運動變?yōu)榫硗驳男D運動。該方法有效減少了無線傳輸帶來的信號衰減，保證車輛的操控安全性和減少數(shù)據(jù)傳輸丟失。

4.2 實際應用

該設備經(jīng)設計制造完成后，于2019年11月在萊西金礦進行了5G通信網(wǎng)絡下的應用測試，經(jīng)現(xiàn)場調試和測試，各項功能均符合預定要求。后續(xù)應用該技術研發(fā)的3 m3智能鏟運機順利在焦家金礦井下-77 m水平得到應用。

5 結 論

經(jīng)過對鏟運機液壓系統(tǒng)進行電氣自動化配置設計，規(guī)劃遙控控制路線，并對控制系統(tǒng)進行了規(guī)劃設計，增加故障診斷、視頻實時顯示控制系統(tǒng)及雷達避障系統(tǒng)，最終完成了基于5G通信技術的遙控鏟運機設計開發(fā)項目。通過在5G移動通信場景下的遙控實驗，設備完全實現(xiàn)了行駛、工作、視頻監(jiān)控、避障等功能，各項參數(shù)指標符合國家技術要求和預期。