宜春鉭鈮礦有軌電機(jī)車運(yùn)輸應(yīng)用技術(shù)研究

李金鋒，于騫翔

(1.江西鎢業(yè)控股集團(tuán)宜春鉭鈮礦有限公司，江西 宜春 336000； 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

江西宜春鉭鈮礦床位于江西省宜春市東南20 km處，是以鉭為主的特大型稀有金屬礦床。礦山采用有軌電機(jī)車作為主要運(yùn)輸方式，以“車輛—溜井—平硐電機(jī)車”的聯(lián)合方式進(jìn)行礦巖運(yùn)輸。以人力勞動(dòng)為主導(dǎo)的井下運(yùn)輸方式由駕駛員手動(dòng)駕駛架線式電機(jī)車、放礦工手動(dòng)放礦，具有自動(dòng)化程度低、作業(yè)人員工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，電機(jī)車故障率高、裝載系數(shù)、自動(dòng)化程度、運(yùn)礦效率低。

為解決上述問題，提高礦巖運(yùn)輸效率，該礦山于2020年開展了電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的研究與應(yīng)用，對井下用于礦巖運(yùn)輸?shù)碾姍C(jī)車進(jìn)行智能化改造。有軌機(jī)車無人駕駛技術(shù)由機(jī)車遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)、數(shù)據(jù)支撐模塊、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測模塊及前端無人化作業(yè)系統(tǒng)組成，以提升運(yùn)礦車間運(yùn)輸效率、降低系統(tǒng)作業(yè)人員數(shù)量及運(yùn)維成本為目標(biāo)。遠(yuǎn)程駕駛及數(shù)據(jù)集成模塊主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)車定位、車輛運(yùn)行監(jiān)測、遠(yuǎn)程裝礦監(jiān)測等功能，前段電機(jī)車系統(tǒng)包含了電機(jī)車無人化自主運(yùn)行、溜井遠(yuǎn)程放礦和軌道衡自動(dòng)稱重等。各環(huán)節(jié)之間以數(shù)據(jù)和4G通信互聯(lián)，完成礦巖的智能化運(yùn)輸。

井下電機(jī)車的智能化改造是加強(qiáng)新一代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)有效融合，改善職工工作環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的可行性方案，可以為礦山采運(yùn)選的協(xié)同生產(chǎn)提供保障，消除“卡脖子”生產(chǎn)運(yùn)輸現(xiàn)狀，有效改善井下有軌運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平，提高礦石運(yùn)輸效率。

1 機(jī)車遠(yuǎn)程駕駛集成平臺(tái)

遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)是電機(jī)車運(yùn)行過程中人員指令發(fā)送和接收的集成化控制中心，部署于運(yùn)礦車間的地表中控室。數(shù)據(jù)采集和展示模塊用于監(jiān)視機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，操作人員借助視頻的監(jiān)控信息，完成有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。

如圖1所示，該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作界面集成包括機(jī)車操作臺(tái)控制、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、自動(dòng)放礦系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測、運(yùn)輸參數(shù)設(shè)定、故障報(bào)警等功能，操作人員在地表完成一系列的參數(shù)設(shè)定和指令，相關(guān)控制系統(tǒng)模塊會(huì)自主完成作業(yè)，并實(shí)時(shí)反饋礦車運(yùn)行參數(shù)，以方便人員進(jìn)行運(yùn)輸狀態(tài)判斷。

圖1 遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)Fig.1 Remote driving platform

遠(yuǎn)程駕駛平臺(tái)既具備了人員遠(yuǎn)程操作、人為指令發(fā)送和反饋，又可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)無人化自主運(yùn)行，以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算為主要手段，對運(yùn)輸過程中采集的視頻數(shù)據(jù)和礦石數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測，發(fā)出相應(yīng)的決策指令，高效的完成放礦和運(yùn)輸作業(yè)。

2 井下4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2.1 運(yùn)輸過程4G網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及優(yōu)勢

數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)主要用于為電機(jī)車無人運(yùn)輸、溜井自適應(yīng)放礦作業(yè)提供數(shù)據(jù)分析和基于數(shù)據(jù)計(jì)算的決策指令發(fā)送。系統(tǒng)的主要部分由網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，采用“4G LTE固定基站+泄露電纜”的方式覆蓋運(yùn)輸硐室內(nèi)外運(yùn)輸鐵道通信。4G-LTE是一種新的高速無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前它的技術(shù)研究和應(yīng)用水平都處在一個(gè)快速發(fā)展的階段?；咀酉到y(tǒng)主要包括兩類設(shè)備：基站收發(fā)臺(tái)(BTS)和基站控制器(BSC)[1]。從現(xiàn)在使用者的應(yīng)用情況來看，4G-LTE技術(shù)的應(yīng)用速率和通信質(zhì)量等基本可以達(dá)到電機(jī)車無線通信的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要[2]。在4G基站建設(shè)中，從性能、配套、兼容性及使用要求等各方面綜合考慮了基站的選擇，其中基站設(shè)備必須與移動(dòng)交換中心相兼容或配套，取得了較好的通信效果。

由于井下運(yùn)輸巷道是雙車對開同時(shí)運(yùn)行作業(yè)環(huán)境，在實(shí)際運(yùn)輸中，2#線環(huán)境惡劣，長度約800 m，4G無線專網(wǎng)頻率為1.8 GHz，通過兩個(gè)基站對整個(gè)運(yùn)礦2#線1 600 m進(jìn)行覆蓋，巷道內(nèi)通過泄露電纜進(jìn)行信號覆蓋，外及卸礦區(qū)域則通過無線信號覆蓋，覆蓋范圍高于5G通信網(wǎng)的范圍。經(jīng)過測算、信號仿真等方式確認(rèn)，相比于最新的5G通信協(xié)議，采用4G通信仍然滿足數(shù)據(jù)通信的要求，4G-LTE信號覆蓋更具優(yōu)勢。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能測試試驗(yàn)

4G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完畢后，需要測試運(yùn)輸硐室內(nèi)外鐵路信號強(qiáng)度，本文進(jìn)行通信的性能實(shí)驗(yàn)檢測，實(shí)驗(yàn)測得4G平均速率達(dá)32～35 Mb/s，系統(tǒng)控制延時(shí)約20 ms，信號強(qiáng)度滿足業(yè)務(wù)需求，具體實(shí)驗(yàn)測試獲得的數(shù)據(jù)見表1。RSRP為信號接收功率。

表1 硐室通信性能測試數(shù)據(jù)

2.3 有軌運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)

車載通信系統(tǒng)作為無線通訊基站的客戶端，接收來自車載終端解析監(jiān)控中心的控制指令。地表中控室的無人駕駛控制臺(tái)通過RS485通訊協(xié)議和Modbus通訊協(xié)議遠(yuǎn)程控制電機(jī)車變頻器，實(shí)時(shí)讀取電機(jī)工作電壓、電流等參數(shù)，作為控制信息的反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的前進(jìn)、后退、加速、減速等行為控制。

車載客戶前置設(shè)備(Customer Premise Equipment，CPE)是一種接收移動(dòng)信號并以無線Wi-Fi信號發(fā)出來的移動(dòng)信號接入設(shè)備，同時(shí)將高速4G信號轉(zhuǎn)換成Wi-Fi信號，可支持大量通信同時(shí)上網(wǎng)的移動(dòng)終端，在電機(jī)車端無線通信中扮演著重要的信號轉(zhuǎn)換角色[3]。車載CPE和網(wǎng)絡(luò)攝像儀固定在電機(jī)車上，與基站無線連接。攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)由CPE傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)AP，然后通過線纜傳輸?shù)街骰?，利用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將視頻碼流送至地面調(diào)度室中解碼顯示，進(jìn)行監(jiān)控。井下無線AP沿電機(jī)車行進(jìn)路線排列，軌道實(shí)行全范圍的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使CPE能夠在不同AP節(jié)點(diǎn)之間順暢地漫游切換[4]。硐室內(nèi)外通信基站及車載CPE見圖2。

圖2 硐室內(nèi)外拉遠(yuǎn)基站及車載CPEFig.2 Remote base station and vehicle CPE inside and outside the chamber

有軌運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)具有信號燈、電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)等閉鎖控制功能，用于對軌道進(jìn)行行為控制。當(dāng)電機(jī)車對向或前方有車、道岔故障或位置不對時(shí)，機(jī)車前方岔道口信號燈關(guān)閉，停止電機(jī)車前進(jìn)。在確定了電機(jī)車的前進(jìn)方向后，機(jī)車后方車頭的指示燈必須鎖定紅燈，作為提示后方車輛保持行車距離的知識標(biāo)志，保證連續(xù)電機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

3 生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

電機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是保證運(yùn)輸安全和系統(tǒng)正常工作的重要組成部分，具有自動(dòng)檢測機(jī)車編號、機(jī)車位置、方向、車速等機(jī)車狀態(tài)信息的功能，并能夠?qū)⒁曨l信息實(shí)時(shí)上傳至中控室，為人員提供操作指導(dǎo)。系統(tǒng)主要檢測在電機(jī)車經(jīng)過運(yùn)輸關(guān)鍵區(qū)域時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測，如溜井口放礦處、巷道端口、道岔、軌道衡、卸載站等。當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測傳感器監(jiān)測到異常狀態(tài)，如車速過快時(shí)，電機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)向生產(chǎn)管理平臺(tái)發(fā)出狀態(tài)異常報(bào)警信號，并采取提前預(yù)設(shè)好的避險(xiǎn)操作進(jìn)行危險(xiǎn)規(guī)避，以人員和計(jì)算機(jī)雙決策、雙控制的方式保證運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)電機(jī)車位置信息測定是實(shí)現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵，機(jī)車精準(zhǔn)定位主要通過設(shè)定標(biāo)簽RFID的方式，圖3展示了一種基本的“標(biāo)簽-讀卡”方式。RFID是射頻識別的英文縮寫，一種能閱讀電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的自動(dòng)識別設(shè)備，通過非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，采集的射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處安裝抗金屬標(biāo)簽卡，機(jī)車上方安裝標(biāo)簽讀卡器，當(dāng)電機(jī)車行至某標(biāo)簽卡處讀卡器將讀到的標(biāo)簽卡ID通過串口發(fā)送給車載終端，車載終端根據(jù)標(biāo)簽卡的ID號，更新電機(jī)車的位置坐標(biāo)。

圖3 FRID讀卡器(HR2609R)及定位標(biāo)簽Fig.3 FRID reader(HR2609R) and positioning label

4 溜井智能化放礦

溜井放礦是井下有軌運(yùn)輸?shù)钠鹗辑h(huán)節(jié)，振動(dòng)放礦機(jī)的自適應(yīng)放礦是運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)無人化的重要實(shí)現(xiàn)措施。溜井放礦經(jīng)歷了從人力到自動(dòng)化地發(fā)展過程，得出由目前最為先進(jìn)的遠(yuǎn)程控制向未來智能化自主決策控制發(fā)展的趨勢和必然結(jié)果的結(jié)論。運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)溜井的智能化改造與礦山井下使用最廣泛的運(yùn)輸系統(tǒng)建立聯(lián)系，形成遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控放礦的作業(yè)流程。

宜春鉭鈮礦的礦石主要通過溜井進(jìn)行集中放礦，然后由電機(jī)車運(yùn)輸至卸載站。傳統(tǒng)的電機(jī)車裝礦需三人協(xié)調(diào)配合，一人開電機(jī)車兩人指揮并提拉放礦機(jī)擋板放礦。駕駛員開動(dòng)電機(jī)車運(yùn)行，放礦工通過電鈴提示告知電機(jī)車工礦車到位，判斷礦車停止位置與振動(dòng)放礦機(jī)放礦口吻合時(shí)放礦工升起振動(dòng)放礦機(jī)安全擋板進(jìn)行放礦。以上情況，對車及放礦過程中必須由三人協(xié)同完成，在對車及裝礦過程中放礦工必須在漏斗附近能看見溜井井筒的范圍內(nèi)，在突發(fā)事件來臨時(shí)容易造成人員傷亡。且對車情況耗用大量時(shí)間，嚴(yán)重影響裝放礦效率。

綜合分析了溜井在不同采礦環(huán)境下的運(yùn)行方式，建立了溜井振動(dòng)放礦機(jī)的遠(yuǎn)程放礦控制系統(tǒng)。鋪設(shè)光纖通信至振動(dòng)放礦機(jī)的控制單元，利用單片機(jī)控制放礦系統(tǒng)控制柜，通過有線通信實(shí)現(xiàn)中控室遠(yuǎn)程放礦功能，在放礦機(jī)和車斗安裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭，將礦車位置和裝礦狀態(tài)等實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程放礦操作平臺(tái)。在放礦全流程，以人員的遠(yuǎn)程控制為主要技術(shù)手段，同時(shí)高速的視頻傳輸為人員遠(yuǎn)程操作提供指導(dǎo)，達(dá)到了井下溜井放礦的無人化作業(yè)。同時(shí)，單由一人即可完成多處的溜井放礦作業(yè)，放礦效率大幅提高[5]。遠(yuǎn)程放礦作業(yè)方式見圖4。

圖4 遠(yuǎn)程放礦作業(yè)方式Fig.4 Remote ore drawing operation mode

5 電機(jī)車智能化運(yùn)輸系統(tǒng)整體運(yùn)行及效果

從整體上對電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)分析和改造，增加車載CPE、PLC控制單元、車載視頻采集和傳輸單元、讀卡器等通信控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)車與中控室的通信，完成整體運(yùn)輸流程的人員遠(yuǎn)程控制。無人駕駛系統(tǒng)在有效融合4GLTE無線專網(wǎng)、電機(jī)車運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)定位與遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程放礦等多種技術(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)礦車間有軌運(yùn)輸環(huán)節(jié)的全過程可視化管理及井下無人化運(yùn)輸。通過系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，針對雙車對開的運(yùn)行模式，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用“4G LTE固定基站+泄漏電纜”的信號覆蓋方式，可實(shí)現(xiàn)CJY20/9GP架線式電機(jī)車本地、遠(yuǎn)程、自動(dòng)三種方式的操作方式，并在減員增效、改善操作環(huán)境等方面取得顯著效果。

該系統(tǒng)作業(yè)平臺(tái)已穩(wěn)定高效運(yùn)行7個(gè)月，達(dá)到了預(yù)期效果，主要包括以下幾方面：

1)人員使用方面：系統(tǒng)實(shí)施后只需要1名操作員在中控室進(jìn)行駕駛、放礦、變道等操作，相比實(shí)施前需要電機(jī)車駕駛員和溜井放礦工3個(gè)崗位，每班每車優(yōu)化減少人員2人。

2)運(yùn)輸效率方面：振動(dòng)放礦機(jī)的遠(yuǎn)程操作以及運(yùn)輸調(diào)度的統(tǒng)一化管理，減少了人員作業(yè)量，實(shí)現(xiàn)單趟運(yùn)礦時(shí)間約為18 min，相比改造前單趟運(yùn)礦時(shí)間22 min，運(yùn)輸時(shí)間每趟減少18%。

3)裝載系數(shù)方面：通過系統(tǒng)的實(shí)施，將裝載系數(shù)提高到158 t/列，相比改造前112 t/列，運(yùn)輸效率提升了41%。

4)安全環(huán)保方面：系統(tǒng)應(yīng)用后，機(jī)車掉道次大幅減少，實(shí)現(xiàn)人員工作地點(diǎn)由井下轉(zhuǎn)到中控室集中控制，職工環(huán)境有效改善，勞動(dòng)強(qiáng)度得到有效降低，職工幸福感得到顯著提升。

宜春鉭鈮礦的電機(jī)車改造項(xiàng)目成果顯著，并為后續(xù)的智能化無人運(yùn)輸創(chuàng)造了條件，積累了設(shè)備改造的寶貴經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，培養(yǎng)了一批技術(shù)人員，在設(shè)備后期的維護(hù)和更新上達(dá)到自給自足。在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，電機(jī)車的遠(yuǎn)程控制雖然投入高回報(bào)慢，但從未來的礦山建設(shè)和智能化發(fā)展趨勢來看，電機(jī)車無人駕駛將是改變經(jīng)營方式和經(jīng)營理念、提高安全生產(chǎn)能力的必由之路。