無人駕駛技術(shù)在紫金山金銅礦大規(guī)模軌道運輸實踐

夏 林 曹志剛 谷彥博 黃新彥3

（1．紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦；2．北京速力科技有限公司）

面對礦業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢，國內(nèi)地下開采軌道運輸逐漸向自動化、無人化方向探索，目前國內(nèi)大部分電機車無人駕駛技術(shù)仍處于小規(guī)模試驗性應(yīng)用階段。紫金山金銅礦330 m水平運輸巷道電機車無人駕駛系統(tǒng)于2019年9月實現(xiàn)了11臺串電阻調(diào)速電機車同時運行，實現(xiàn)了基于串電阻機車在地下金屬礦復(fù)雜軌道及大規(guī)模運輸環(huán)境下的無人駕駛運輸系統(tǒng)［1］。

1 工程概況

紫金山金銅礦330 m礦石運輸水平采用有軌運輸方式，運行11～12臺ZK20-9/550-2c型架線式井下礦用雙機牽引電機車，底側(cè)卸式礦車，每節(jié)車廂容積為12 m3，載重約為16 t/節(jié)。機車依次在溜井裝礦后出硐，通過2萬t和8 000 t卸礦站自動卸礦。其中，電機車為配有2臺直流85 kW電機的20 t機車，調(diào)試采用串電阻方式，司控器通過中間繼電器，控制直流接觸器改變直流主回路的相應(yīng)觸點閉合，通過改變電機的轉(zhuǎn)向和所串接電阻大小來調(diào)速。電機車采用給風(fēng)制動方式，司機室有小型的通風(fēng)機，主電機的接線盤和空壓機改裝到車蓋板上部，空間大便于維修，司機室配置了電臺便于調(diào)度和通訊指揮［2］。

井下運輸作業(yè)全部為人工駕駛，人工參與程度和操作要求高，存在以下問題。

（1）安全風(fēng)險大。有軌電機車人工駕駛時，經(jīng)常出現(xiàn)由于人員操作失誤，跟車距離近，人員疲憊等問題導(dǎo)致的機車跳軌、追尾等問題，同時井下屬于硐室片幫、冒頂多發(fā)區(qū)，人工駕駛電機車發(fā)生安全事故、井下人員傷害、工亡等概率大。

（2）工作環(huán)境差、職業(yè)健康水平低。由于井下陰暗潮濕、粉塵大及電機車運輸過程噪音大，造成電機車司機、井下放礦人員等職業(yè)健康水平程度很低。

（3）手動操作、人員勞動強度大。由于井下條件限制，電機車駕駛室尺寸狹小、自動化程度低，再加上井下工作環(huán)境惡劣，長時間駕駛?cè)菀自斐删码姍C車司機疲勞，且勞動強度大。

有軌運輸無人駕駛電機車的改造實施，可加速數(shù)字化礦山的發(fā)展，現(xiàn)場不需要操作工人的駐守，按計劃自主運行可有效縮短生產(chǎn)安排時間，地表遠(yuǎn)程操控實現(xiàn)了電機車司機的本質(zhì)上安全生產(chǎn)。基于以上背景，2018年紫金山金銅礦開始進(jìn)行井下電機車無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究項目，對無人駕駛系統(tǒng)相關(guān)配套硬件及軟件進(jìn)行了系統(tǒng)化的設(shè)計，實現(xiàn)了有軌電機車在無人駕駛模式下自動運行、精確定位、自動道岔、一控多、與控制中心數(shù)據(jù)交換等功能。

2 無人駕駛系統(tǒng)研究與實施

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝、流程，經(jīng)技術(shù)討論后確定了具備遠(yuǎn)程遙控、自動駕駛的電機車無人駕駛的解決方案。電機車能夠全自動無人駕駛運行，按照目前現(xiàn)狀，設(shè)置遙控操作臺6個，實現(xiàn)控制室內(nèi)一人操控井下多臺電機車，取消放礦崗位工，減少電機車駕駛員，提高作業(yè)效率。

為實現(xiàn)目標(biāo)，需要對現(xiàn)場配套設(shè)施進(jìn)行改造和建設(shè)。有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)主要包含電機車本體改造、車輛速度監(jiān)測與固定點定位單元、無線和光纖網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)絡(luò)、信集閉控制系統(tǒng)、井下人員定位單元、溜井遠(yuǎn)程裝礦控制單元以及調(diào)度控制中心系統(tǒng)單元。有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)的構(gòu)成框架中包含地表智能控制和井下控制2部分：地表智能控制系統(tǒng)主要包含工業(yè)交換機、服務(wù)器、遠(yuǎn)程操作臺、調(diào)度臺等設(shè)備；井下部分主要包含無線WIFI通訊、裝礦控制、轉(zhuǎn)轍機控制、定位系統(tǒng)、機車ATO控制、重要點位視頻監(jiān)視等。機車上的控制數(shù)據(jù)和視頻畫面通過客戶端和巷道里的基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，再通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地表控制室，使得操作員能夠清晰了解機車和現(xiàn)場情況。

為實現(xiàn)有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)，需要改造電機車、安裝精準(zhǔn)定位設(shè)備、搭建無線和有線網(wǎng)絡(luò)、改造信集閉系統(tǒng)、建設(shè)人員定位系統(tǒng)、改造放礦系統(tǒng)、建設(shè)控制中心等。

2.1 電機車改造

為了實現(xiàn)電機車的遠(yuǎn)程控制，需要對電機車進(jìn)行全方面的改造工作，其中包含制動缸改造、受電弓改造、自動控制改造等。

改造應(yīng)按設(shè)備使用情況綜合考慮，特別老舊接近報廢年限的車輛需通過購買全新變頻控制帶遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的電機車；一般狀態(tài)良好的電機車?yán)迷{(diào)速控制電路，只改造受電弓、手剎車、中間控制繼電器，增加遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的方式。此種方式對保存的電機車備件可以繼續(xù)發(fā)揮作用，不僅降低投資和維修費用，還對運行維護(hù)有利。在此針對現(xiàn)有的16臺20 t電機車進(jìn)行斷氣剎、受電弓、自動控制改造［3］。

2.1.1 制動缸改造

原電機車機械剎車部分為給氣剎，如機車在運行過程中出現(xiàn)氣缸泄露、空壓機損壞、制動電磁閥不動作等任何一個故障時，將會引起電機車無法制動，進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。為保證電機車能夠在斷電、氣罐沒氣、電制動失效等特殊情況下能夠自動停車，特此將機車機械剎車方式改為斷氣剎，從而可以有效避免這些危險發(fā)生。斷氣剎氣缸體有2個進(jìn)出氣孔，一個為常用制動，一個為停放制動，其原理為當(dāng)常用制動氣孔無氣壓時，停放制動進(jìn)出氣孔充氣，將缸體內(nèi)制動彈簧壓縮，推桿縮回，停放制動處于未施加狀態(tài)；當(dāng)氣缸均無氣壓時，缸內(nèi)彈簧自動彈出，推桿伸出，制動施加，實現(xiàn)了氣壓故障時停車的連鎖控制。

2.1.2 受電弓改造

原受電弓為拉升式，需要司機在駕駛室內(nèi)通過手拉繩索完成升降弓操作。為滿足機車在運行過程中實現(xiàn)自動升降弓操作，將原受電弓更換為氣動受電弓，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因為整個無人駕駛系統(tǒng)設(shè)計為自動運行方式，在機車經(jīng)過溜井、岔尖劃線交匯處、卸礦站、道口等位置需要能夠?qū)崿F(xiàn)自動升降弓操作，故廢除原手繩拉弓方式，更改為氣缸升降弓方式，從而實現(xiàn)了受電弓的遠(yuǎn)程控制，為無人駕駛的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

2.1.3 自動控制改造

要在串電阻電機車基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動駕駛目的，首先要對機車本體的電氣回路進(jìn)行改造，使機車能發(fā)送和接收信集閉信號，接受自動化系統(tǒng)控制指令；還需要對機車機械部總建進(jìn)行改造以執(zhí)行指令，在機車本體增加無線通訊設(shè)備、協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備、轉(zhuǎn)速測速裝置，在前端增加雷達(dá)障礙物檢測裝置和精確定位信息掃描設(shè)備，以及在各位置增加機車視頻等，最終將牽引系統(tǒng)與機車本體控制融合調(diào)試，實現(xiàn)電機車的遠(yuǎn)程自動控制。

2.2 精準(zhǔn)定位設(shè)計

電機車在井下運輸路段遠(yuǎn)程遙控以及智能行駛過程中，精準(zhǔn)定位是最基本的前提條件，是實現(xiàn)全自動運行的基礎(chǔ)，只有時刻掌握機車在巷道內(nèi)的實時位置信息，才能對下一時刻的控制進(jìn)行決策分析控制。由于電機車在井下運行，暫不能使用GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行定位，因此針對有軌運輸電機車的運行特性，采用獨立定位技術(shù)。

精準(zhǔn)定位具體實現(xiàn)方法：根據(jù)軌道情況、關(guān)鍵設(shè)備點以及精度要求，對全程路徑做出系統(tǒng)精度規(guī)劃，配合車速計數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。電機車在運行過程中，中央控制單元對礦車上安裝的從動測速編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，然后再對其進(jìn)行積分運算，計算出位移累加值，進(jìn)而能夠?qū)崟r確定電機車在路段上的具體位置，采用礦車從動測速的方式消除了因機車頭打滑產(chǎn)生的位置累計錯誤。同時運用射頻識別RFID技術(shù)，巷道內(nèi)放置多處RFID標(biāo)簽，每一個標(biāo)簽都具有唯一的ID號，電機車上安裝標(biāo)簽掃描設(shè)備，該設(shè)備將掃描到的標(biāo)簽ID號實時傳遞給電機車無人駕駛控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將所有布置在巷道內(nèi)的標(biāo)簽與標(biāo)簽所在的位置信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便電機車經(jīng)過標(biāo)簽時進(jìn)行位置修正，確保累積誤差在合理范圍內(nèi)，進(jìn)一步增強了機車定位的準(zhǔn)確性。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)整體由光纖網(wǎng)和無線網(wǎng)組成，分為視頻、控制、定位3個網(wǎng)絡(luò)單位，肩負(fù)著井下視頻傳輸、設(shè)備信號采集與控制、人車定位的重任。三網(wǎng)分離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能夠保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，避免單點故障。本系統(tǒng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及當(dāng)前國際流行的有線和無線相結(jié)合的技術(shù)方案，有線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于1 000 Mb/s光纖以太網(wǎng)而構(gòu)建，無線網(wǎng)狀架構(gòu)則基于標(biāo)準(zhǔn)WIFI技術(shù)，為井下設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的通訊平臺。井下和井上通訊通過工業(yè)級千兆交換機組成一個有線環(huán)網(wǎng)，增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。井下的無線基站通過有線接入到礦用千兆交換機，從而保證了數(shù)據(jù)交換的速率。巷道內(nèi)的電機車、手機、電子定位卡等無線設(shè)備和附近的WIFI基站進(jìn)行實時通訊，將數(shù)據(jù)傳送到地表控制中心。

2.4 通訊系統(tǒng)

本次的通訊系統(tǒng)建設(shè)是以光纖有線網(wǎng)絡(luò)為骨干，根據(jù)信息內(nèi)容劃分為視頻、控制、定位3個子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)單元。按空間分布情況將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為三級網(wǎng)絡(luò)，單模光纖接入網(wǎng)、巷道無線接入網(wǎng)及電機車本體網(wǎng)絡(luò)。

330 m礦石運輸水平的無線網(wǎng)絡(luò)是井下電機車與無人駕駛自動化系統(tǒng)傳輸?shù)募~帶。在井下根據(jù)巷道情況，設(shè)立若干經(jīng)過信道規(guī)劃好的無線AP（基站），使用無線網(wǎng)絡(luò)完美覆蓋井下電機車運輸巷道，盡可能壓縮信號在基站間切換時間。保留現(xiàn)有對講機系統(tǒng)，利用WIFI客戶端實現(xiàn)電機車與控制中心的通訊功能，并將電機車的視頻信號傳輸給地面主控室，以便遠(yuǎn)程操作員能及時確認(rèn)機車周邊情況，從而實現(xiàn)地表操作室與地下機車調(diào)度通訊一體化，設(shè)備信息監(jiān)測綜合數(shù)據(jù)同步傳輸。無線AP架構(gòu)設(shè)計：根據(jù)330 m水平平巷中裝礦點、道岔、架空線間斷等重要位置情況，布置一定數(shù)量的礦用基站，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)無線信號質(zhì)量。在條件較好的巷道內(nèi)，可通過測定信息強度來確定2個基站的合適距離，特別要測試轉(zhuǎn)彎處的信號強度情況，降低信號間相互影響，使兩基站的通信距離調(diào)整到最佳狀態(tài)。基站配置定向天線用以覆蓋巷道內(nèi)來車方向，天線和基站之間通過射頻線連接，可以插拔。井下基站就近接入千兆骨干交換機，由此實現(xiàn)地面調(diào)度中心與井下基站之間建立通信連接，與此同時所有基站之間通過光纖連接，并在條件允許的區(qū)域組成子環(huán)網(wǎng)。無線基站的布置應(yīng)避免通信盲區(qū)，同時結(jié)合軌道信集閉系統(tǒng)和電機車無線控制進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，做到節(jié)省投資的目的。電機車的控制數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)通過機車上的交換機進(jìn)行匯聚，再由車載VIP客戶端和巷道里安裝的井下WIFI基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終由無線基站的千兆有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地表控制中心。

2.5 信集閉系統(tǒng)改造

項目建設(shè)前對原有的遠(yuǎn)程放礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行了梳理，保留了原有的交換機和供電系統(tǒng)，新增加PLC工作站和8個控制分站，將21臺轉(zhuǎn)轍機和信號燈與放礦控制的信號在工作站層面集成，實現(xiàn)根據(jù)運輸計劃監(jiān)測機車位置信息，自動進(jìn)行轍機和信號燈的控制，達(dá)到自動調(diào)度的目標(biāo)，控制系統(tǒng)根據(jù)故障、指令、現(xiàn)場車輛信息等設(shè)定優(yōu)先級，確定了嚴(yán)格的技術(shù)措施：

（1）電機車進(jìn)入信號開放，必須滿足進(jìn)路中所有區(qū)段空閑（存車線除外）、道岔位置符合預(yù)期等條件。

（2）機車進(jìn)入信號機內(nèi)方應(yīng)及時關(guān)閉，結(jié)合車載控制器的車距防護(hù)技術(shù)措施，使同向2列電機車不產(chǎn)生追尾。

（3）當(dāng)?shù)啦淼汝P(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障或無法確定相關(guān)信息時，自動轉(zhuǎn)為關(guān)閉或約定警告信號并發(fā)送聲光報警信息。

（4）在中心主控室控制計算機的顯示屏上能實時顯示列車在運輸軌道位置、相應(yīng)區(qū)間的道岔狀態(tài)、危險區(qū)段報警燈功能。

電機車控制單元采用集散式PLC計算機控制系統(tǒng)，由上位機和下位機構(gòu)成，上位機設(shè)在濕法運輸車間地面控制室，下位機設(shè)在井下被控對象附近，兩者之間的控制命令及被控對象的狀態(tài)信息均由光纖完成數(shù)字信號傳輸。根據(jù)裝運礦作業(yè)計劃指令，信集閉系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮電機車運行，系統(tǒng)根據(jù)信號聯(lián)鎖規(guī)則，自動控制井下轉(zhuǎn)轍機的動作，自動控制電機車運行到指定裝礦或卸礦溜井。

2.6 人員定位系統(tǒng)

為了電機車平穩(wěn)安全的運行，需要對井下人員的位置和電機車的位置進(jìn)行實時監(jiān)視，確保人員和設(shè)備的安全。為此，建立了人員定位系統(tǒng)，進(jìn)入運輸平巷前，需要配備專用定位卡，通定信集閉系統(tǒng)傳送位置信息，實現(xiàn)實時運動軌跡監(jiān)測，根據(jù)人車相關(guān)位置信息進(jìn)行震動和聲音人車雙向預(yù)警警示功能，保障安全生產(chǎn)。

2.7 遠(yuǎn)程放礦系統(tǒng)

濕法廠運輸車間地表控制室操作臺可以同時顯示各條溜井的實時畫面，也可以根據(jù)需要切換某一條溜井放礦機的畫面。地表裝礦操作工根據(jù)視頻畫面操控控制手柄，對放礦機的振動放礦和電機車的遠(yuǎn)程對位進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)操作，完成遠(yuǎn)程裝礦過程。電機車無人駕駛系統(tǒng)的實施后，放礦工地點遷移到地面中控室，實行遠(yuǎn)程放礦操作，杜絕了因粉塵導(dǎo)致的職業(yè)危害。為實現(xiàn)遠(yuǎn)程放礦功能，需要對現(xiàn)場放礦點位的電氣柜進(jìn)行遠(yuǎn)程控制改造，從而實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制放礦機進(jìn)行放礦作業(yè)。考慮到正常、臨時、故障3種情況，放礦系統(tǒng)功能設(shè)計了遠(yuǎn)程自動、遠(yuǎn)程遙控、現(xiàn)場控制3種模式。正常為自動模式，轉(zhuǎn)轍機根據(jù)計劃自動控制輸出，車輛自動停靠裝礦。遠(yuǎn)程遙控模式下需要遠(yuǎn)程遙控轉(zhuǎn)轍機，供臨時調(diào)整作業(yè)計劃使用。

2.8 控制中心建設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場建筑情況，經(jīng)討論決定將地表控制室建立在濕法廠運輸車間辦公樓，利用原有視頻監(jiān)控大屏，隔離出一個設(shè)備機房，安裝了監(jiān)車、放礦、調(diào)度的控制臺，開發(fā)了運輸計劃調(diào)度、溜井放礦控制、電機車控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、人車定位、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，并在不同的控制臺上對系統(tǒng)進(jìn)行融合通信控制。使用成熟、先進(jìn)的工業(yè)控制硬件，取消了司機崗位，增加了監(jiān)車崗位，創(chuàng)新了地下采礦有軌運輸操控方式，機車可以根據(jù)現(xiàn)場情況和生產(chǎn)產(chǎn)量情況進(jìn)行優(yōu)化和自動調(diào)度，顯著提高了井下電機車線路的利用率、容量及本質(zhì)安全水平［4-6］?？刂浦行淖詣诱{(diào)度系統(tǒng)界面如圖1所示。

3 使用效益

本系統(tǒng)實現(xiàn)了11臺電機車在8.3 km復(fù)雜系統(tǒng)實時精準(zhǔn)定位設(shè)計、全自動無人駕駛運行，實現(xiàn)根據(jù)礦石品位、溜井位置不同自動配礦，具備防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，提升安全性能，具有多種控制方式，實現(xiàn)一人多機值守，最大程度提升效率。電機車自動運行實現(xiàn)2層控制，主控制PLC與機車核心控制器均具備獨立控制功能，最大程度地保證自動運行的安全；定位誤差精度小于0.5 m，運行速度精度控制在0.05 m/s內(nèi)，位置更新頻率為1 s/次；完全滿足生產(chǎn)要求，實現(xiàn)減員增效、提升本質(zhì)安全水平、人均運輸效率提升。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)將井下電機車司機、放礦、道岔等崗位人員的工作位置由井下電機車、溜井等地點合并轉(zhuǎn)移到地表控制室，多工種合并有效減少崗位人員，提高生產(chǎn)組織效率、本質(zhì)安全水平、職業(yè)健康水平，避免職業(yè)病的發(fā)生。同時，根據(jù)現(xiàn)場不同地段軌道情況，安全控制電機車運行速度；最大限度地減少操作員的工作量，通過一人操控監(jiān)視多臺電機車，提高電機車臺時效率和作業(yè)率，實現(xiàn)計劃派發(fā)自動化，保證安全高效完成生產(chǎn)任務(wù)。

紫金山井下電機車無人駕駛系統(tǒng)11臺電機車同時運行，突破了井下運輸系統(tǒng)調(diào)度復(fù)雜和軌道打滑時電機車精準(zhǔn)定位、電機車自動控制、通訊等多項難題，形成多項集成技術(shù)創(chuàng)新成果。