論電鏟從傳統(tǒng)模式到智能遠程操控的深遠影響

張志勇，陳 闖，張立偉，馬繼偉，張玉林，鄧小軍，郭大偉

（1.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司南露天煤礦，內(nèi)蒙古 通遼 029200；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030020）

1 傳統(tǒng)模式下電鏟存在的問題

電鏟作為露天礦常用的挖裝設備，用于露天礦山進行剝離或采掘等工作，是露天礦山間斷和半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，其綜合性能直接決定著整個礦山開采的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)模式主要依靠人工經(jīng)驗操作，工作環(huán)境存在現(xiàn)場溫差大、高粉塵，設備沖擊負荷、震動、顛簸強烈。同時，電鏟本體存在體積大、操作難度大、危險系數(shù)高，長時間連續(xù)工作易疲勞等問題[1-2]。從作業(yè)、人機交互、節(jié)能環(huán)保、成本、安全生產(chǎn)等方面采集各項數(shù)據(jù)進行分析說明，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)操控模式的影響因素

2 電鏟傳統(tǒng)模式操控存在的問題

2.1 電鏟傳統(tǒng)模式操控的危險

從駕駛員、電鏟設備本體、配合的裝卸車輛等方面進行具體舉例說明。

1）一旦發(fā)生車體傾覆，威脅司機的生命安全。電鏟最大爬坡角度一般不超過15°，實際裝載作業(yè)時不能超過4°，在現(xiàn)場操作時，司機一旦沒有按照標準進行操作，沒能及時調(diào)整電鏟的姿態(tài)，或操作過程中發(fā)生設備故障等問題導致車體傾覆，威脅司機的人身生命安全。

2）視覺盲區(qū)導致的磕碰事故、人員誤傷。大型礦用電鏟的盲區(qū)是指操作人員的視線看不到的設備工作運動涉及的空間區(qū)域。盲區(qū)存在的主要原因是設備體量過大和駕駛室布局狹窄。體積過大，駕駛員無法實時掌握后方及側(cè)方的視野及回轉(zhuǎn)半徑，一方面生產(chǎn)過程中容易與裝載設備發(fā)生磕碰，另一方面對附近的人員產(chǎn)生安全威脅。

3）作業(yè)時電鏟與礦卡的碰撞。電鏟在施工過程中，尤其是裝車環(huán)節(jié)，空間高頻率大角度旋轉(zhuǎn)，很容易因為視野范圍受限或機手操作失誤等原因，無法瞄準地點、碰撞卡車、卸料時誤砸卡車，甚至還可能出現(xiàn)人員傷亡等嚴重事故。所以，在設備作業(yè)期間，需要對工作裝置移動范圍內(nèi)的障礙物進行判斷與規(guī)避，防止碰撞以及可能造成人員受傷、設備損壞以及自機損傷等問題[3]。

4）容易產(chǎn)生駕駛疲勞，誤操作等威脅安全生產(chǎn)。當任務緊張，開采作業(yè)量較大，需要人員加班加點，長時間連續(xù)作業(yè)，因疲勞而導致反應遲鈍或判斷力下降、操作失誤增加，嚴重時會對車輛失去控制，造成事故的發(fā)生。同時，電鏟在長時間運轉(zhuǎn)中，也會造成疲勞，不僅影響機械性能，還會造成嚴重事故，見圖2。

圖2 疲勞駕駛的表現(xiàn)及危害

5）電鏟的斗齒掉落問題導致粉碎機破壞。電鏟鏟斗的斗齒在工作時因受到礦石物料較大的反作用力而容易發(fā)生脫落現(xiàn)象，操作者很難第一時間觀察發(fā)現(xiàn)鏟斗的斗齒掉落，并且時刻關(guān)注設備斗齒情況，會分散操作者的注意力，降低生產(chǎn)作業(yè)效率。裝車結(jié)束后，裝有掉落斗齒的車將其運送到下一流程，進行破篩，因斗齒材質(zhì)、硬度等方面都與礦石等土料有差異，脫落的斗齒連同礦石物料一同進入碎石機中會導致碎石機損壞，進而引發(fā)整條采掘—破碎生產(chǎn)線的停工，給礦山造成了巨大的經(jīng)濟損失。

3 電鏟遠程操控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡介

以霍林河南露天煤礦的電鏟遠控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由電鏟本地端圖像聲音采集系統(tǒng)、遠程端的圖像聲音重現(xiàn)系統(tǒng)、通訊模塊接入（5G/4G/WIFI）、控制操作臺及整套控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電鏟操作臺采用仿真駕駛室的結(jié)構(gòu)，操作方式與實際在挖掘機中操作類似，操作者可快速適應遠程操作模式。同時，操作臺通過多路顯示屏，傳輸現(xiàn)場作業(yè)信息，在遠程操作過程中，司機面向的2D 電子屏幕需要提供全面的場景覆蓋的同時，也需要通過各類傳感器合理的布局，為遠程操作手傳遞充足且條理清晰的現(xiàn)場圖像信息，以及車體傾斜角度等物理傳感數(shù)據(jù)。

其實景顯示屏系統(tǒng)采用6 塊顯示器進行顯示，能同時觀察A 型架（自動彈窗行人識別）、左視，主視角采用圖像拼接技術(shù)由中間上下兩塊顯示屏構(gòu)成，支持主視角下切屏到鏟和地面的切角，司機室（天輪視角、樓梯后視）、右視等，彈窗可通過操作員按下手柄按鍵彈出畫面，操作員松開按鍵，畫面收回。

6 塊顯示屏能夠完整呈現(xiàn)鏟斗運行狀態(tài)以及工作面情況，消除電鏟四周盲區(qū)，清晰顯示電鏟外部四周情況；顯示內(nèi)部主要位置運行情況；顯示電鏟行走狀態(tài)以及尾部電纜狀態(tài)；完整顯示卡車位置等。

3.2 遠控系統(tǒng)的多項智能化功能

1）車態(tài)感知功能。系統(tǒng)采用傾角傳感器來測量角度，該傳感器集成多種傳感芯片和處理芯片，可以采集處理多個姿態(tài)信息。傳感器內(nèi)置濾波算法，有效降低測量噪聲，提高測量精度，快速計算當前的實時運動狀態(tài)，反饋設備傾斜情況。在無干擾的情況下，水平方向測量誤差在0.05°之內(nèi)，垂直方向測量誤差在1°之內(nèi)。儀表盤展示電鏟車體的傾斜角度，該儀表盤既具備圖像指示的交互方式，又清晰明確地標注傾角數(shù)據(jù)，有效提示駕駛員目前電鏟的實際傾斜狀態(tài)，從而規(guī)避左右側(cè)翻、前后傾覆的危險。當傾斜角度大于等于3°時，主顯示屏邊框發(fā)出持續(xù)警告，提示遠程操作手盡快處理。此功能能夠有效減少側(cè)翻、跌落等工程機械成本的損耗和現(xiàn)場危險公關(guān)的成本支出，見圖3。

圖3 傾角儀狀態(tài)顯示

2）行人識別功能。本系統(tǒng)通過AI 引擎，使得設備具備車尾行人識別功能。車身后方安裝有車尾攝像頭，可以看到設備后方的全景圖像。常規(guī)情況下，操作員的屏幕不顯示后視視角。當有人員或其他設備出現(xiàn)在設備后方時，系統(tǒng)可以自動追蹤檢測到目標對象，并將后視圖以彈窗的形式展示到主屏幕上，并將人員和設備用紅色線框標注，使得提示作用更為明顯。此功能通過人工智能的方式，掃除了操作手的視覺盲區(qū)，能夠規(guī)避施工現(xiàn)場的最大安全隱患，大幅降低了工程和施工方的安全成本和運營成本。該功能既能及時識別人員，提醒司機注意保護，又能保證顯示畫面井然有序不雜亂，盡量不分散司機注意力，在安全可用的基礎(chǔ)上，保障了遠程作業(yè)的工作效率。

3）避障控制功能。本系統(tǒng)研發(fā)了定點卸料功能，遠程操作手可以通過手柄上的“記錄當前位置”按鍵，記錄下當前鏟斗，大臂和轉(zhuǎn)臺的傳感器角度值，在作業(yè)臂運動到任意其他位置后，可以使用“復位”鍵。這時會通過傳感器數(shù)據(jù)的變化自動計算出一條軌跡回到記錄位置，完成卸料點的定位。該功能可以避免操作手因系統(tǒng)延遲、網(wǎng)絡卡頓、2D 屏幕無法判斷3D 景深的遠程控制無法避免的一系列問題，造成的誤傷卡車等事故，同時能夠極大的提高遠程裝車效率。除此之外，為了防止自動復位時意外的發(fā)生，操作手執(zhí)行抬起大臂操作會終止自動復位；為了方便操作手自動復位和卸料的流暢性，挖斗向外翻的操作也會終止自動復位；如果檢測到電鏟履帶移動，軌跡規(guī)劃會受到影響，這時會清除已記錄的位置信息。

4）信號心跳監(jiān)測制動功能。本系統(tǒng)在遠程終端與智能控制系統(tǒng)之間，設計一套完整的信號心跳監(jiān)測機制，流程如下頁圖4 所示。當遠程終端的指令與智能控制系統(tǒng)的指令不能同步，差值超過500 ms時，智能控制系統(tǒng)立即停止電鏟的動作指令。待二者同步后，智能控制系統(tǒng)恢復對電鏟的動作指令輸出。除此之外，智能控制系統(tǒng)與控制器之間，有命令檢測機制，如果智能控制系統(tǒng)無法成功的向控制器發(fā)送指令，則控制器立即停止電鏟的動作，待二者之間可正常收發(fā)指令后，控制器恢復電鏟的動作輸出。該功能有效保障電鏟的動作執(zhí)行結(jié)果符合預計。

圖4 信號心跳檢測機制

5）設備端和操作臺均部署了應用層“密碼登錄”功能。本系統(tǒng)特別添加了密碼登錄界面，除了防止非法觸動，還可通過選擇受控設備編號，登錄不同房間，輸入密碼后，操作相應的遠程遙控設備。只有知道密碼的人才能安全登錄，其他“非法”人員則無法觸動機器，借此最大程度保護系統(tǒng)和機器安全運作[3]。

6）緊急制動功能。為響應國家標準，解決實際需求，本系統(tǒng)設計了兩種緊急制動功能：遠程緊急制動和本地緊急制動。并且，遠程緊急制動與本地緊急制動均為獨立功能，只有二者均解除，電鏟才可以正常動作。遠程緊急制動。遠程終端中包含1 個緊急制動按鈕，緊急制動按鈕為自鎖式按鈕，當需要執(zhí)行緊急制動時，遠程操作人員按下緊急按鈕后，電鏟的所有動作停止輸出，同時直接切斷挖機總電源，并熄火電鏟。該功能可遠程進行制動，防止誤操作，也可以在發(fā)生意外時，緊急剎停電鏟操作，充分保證遠程操作安全性。如需要解除緊急制動，需重新啟動設備。本地緊急制動。在作業(yè)現(xiàn)場，有獨立的緊急制動開關(guān)，此開關(guān)為遙控式開關(guān)。開關(guān)采用315 m 長波通信，不與現(xiàn)有通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。當現(xiàn)場人員需要在電鏟內(nèi)或電鏟作業(yè)范圍內(nèi)工作時，可以按下鎖定按鈕，位于車上的接收單元收到信號后會強行切斷驅(qū)動控制板卡電源，執(zhí)行緊急制動，電鏟的所有動作停止輸出。如需要解除緊急制動，需重新啟動設備。該功能賦予現(xiàn)場安全人員管理設備的權(quán)利，既可以在意外發(fā)生時剎停設備，也可以在現(xiàn)場需要對設備進行接管時確?，F(xiàn)場人員的安全[3]。

7）斗齒識別功能。智能斗齒識別系統(tǒng)可以監(jiān)控鏟斗斗齒的磨損情況和是否掉落[4]，首先利用深度學習技術(shù)使得計算機能夠在畫面中定位出需要關(guān)注的位置，即斗齒部分，將這部分信息和其他信息獨立開來，見圖5。再使用計算機視覺相關(guān)技術(shù)，利用級聯(lián)分類器，計算列均值和減去基線等方法，將二維圖像轉(zhuǎn)化成一維向量，從而判斷斷定是否有斗齒磨損或缺失。斗齒識別功能會一直在后臺運行，一旦發(fā)現(xiàn)斗齒磨損或缺失，則會在屏幕上顯示出斗齒損壞的信息和缺失的個數(shù)，操作者再與現(xiàn)場施工人員溝通，有效降低異常停機率，減少破篩設備損壞。

圖5 斗齒狀態(tài)識別

4 結(jié)論

近年來，隨著國家推出智慧礦山等政策的助力以及5G 無線通訊設施在露天礦山的鋪設，電鏟智能遠程操控系統(tǒng)將逐步替代傳統(tǒng)作業(yè)模式，該系統(tǒng)設計遵循可靠性、可擴展性、高效性等多維度原則，擁有信號心跳監(jiān)測制動、車態(tài)感知、緊急制動、密碼登錄、行人識別、避障控制、斗齒識別等功能可確保遠程遙控駕駛系統(tǒng)安全可靠，實用性強，既可保障作業(yè)安全，又可提高作業(yè)效率。

在未來，隨著政策的推動和科技的進步，遠程無人駕駛智能設備會逐漸成為主流。科技進步并非代替人工，而是保護個體。在科技的加持下，施工可以兼顧效率與安全，真正做到無事故、無重復勞動、無低效產(chǎn)能。