定位系統(tǒng)在有軌機車無人駕駛中的應用

黃元葉

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

機車遠程駕駛系統(tǒng)是以提升宜春鉭鈮礦運輸效率，降低系統(tǒng)作業(yè)人員數(shù)量及運維成本為目標的礦山生產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)機車無人駕駛、遠程放礦、礦石自動卸載、礦石自動稱重、機車安全預警等功能，能夠顯著提升運輸效率，優(yōu)化生產(chǎn)運輸調(diào)度，合理利用資源，降低生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)作業(yè)安全，是建設智能化礦山、科技化礦山及未來無人化礦山的重要支撐系統(tǒng)，定位系統(tǒng)的實現(xiàn)是無人駕駛系統(tǒng)的關鍵所在。

1 定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的關鍵——網(wǎng)絡平臺

對比4G 與5G 網(wǎng)絡覆蓋范圍，1880 MHz 頻段4G 網(wǎng)絡有效覆蓋半徑能達到2000 m，而5G 網(wǎng)絡相對低頻段2.6 GHz 有效覆蓋半徑不足500 m。在宜春鉭鈮礦有限公司數(shù)字化礦山——電機車無人駕駛系統(tǒng)建設中，考慮建設成本及覆蓋范圍要求，為滿足定位系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)交換，需搭建網(wǎng)絡平臺——4G LTE 無線專網(wǎng)，由核心網(wǎng)設備、網(wǎng)管系統(tǒng)、室外覆蓋基站、集群終端、室外CPE 終端、調(diào)度系統(tǒng)、移動基站等部分組成。無線寬帶集群專網(wǎng)系統(tǒng)的分級組網(wǎng)模式下，在調(diào)度中心機房統(tǒng)一管理eSCN 核心網(wǎng)設備、網(wǎng)管服務器、綜合調(diào)度機、系統(tǒng)網(wǎng)管等網(wǎng)絡設備調(diào)度所有用戶，運輸沿線建立若干個移動基站實現(xiàn)完全覆蓋，如有隧道還需敷設泄漏電纜進行網(wǎng)絡覆蓋。以車載CPE（EG860V2）為載體，實現(xiàn)上位機與有軌機車之間的通信。LTE 無線專網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 LTE 無線專網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)框架

2 定位系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 定位標簽

基于現(xiàn)場運輸線路潮濕、環(huán)境復雜，有源電子標簽和半有源電子標簽內(nèi)部均需電池供電，成本高、壽命有限且不易做成薄卡，不能滿足現(xiàn)場環(huán)境使用要求。為滿足機車定位系統(tǒng)要求，定位標簽選型可選用高射頻無源電子標簽[1]即RFID 標簽，其工作原理如下：在RFID 讀卡器的讀出范圍之外時，電子標簽處于無源狀態(tài)，在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時，閱讀器發(fā)出的射頻能量為無源電子標簽提供工作所需的電源，采用反射調(diào)制方式向讀卡器傳送相關標簽信息。根據(jù)宜春鉭鈮礦有限公司電機車運行速度≤10 km/h，讀卡速率能達到200 ms 內(nèi)讀取兩次以上即可。顯然，無源電子標簽能達到現(xiàn)場使用要求。

2.2 定位標簽與讀卡器的安裝

根據(jù)宜春鉭鈮礦有限公司露天式有軌運輸方式，運輸線路由“隧道+露天式軌道運輸”兩部分組成，在定位標簽的安裝方式上選用兩個安裝方案：①在隧道側(cè)面及架線桿上安裝定位標簽，在電機車頭同側(cè)面安裝定位標簽讀卡器實現(xiàn)定位標簽的讀取功能；②在軌道枕木上安裝定位標簽，在電機車頭底部安裝定位標簽讀卡器實現(xiàn)定位標簽的讀取功能。固然“側(cè)面安裝”方式讀卡器及定位標簽具有能保持干凈整潔，也容易維護等優(yōu)點，但在實際使用過程發(fā)現(xiàn)讀取效率不高，部分標簽讀取距離較長，容易出現(xiàn)標簽漏掃現(xiàn)象。選用“枕木安裝”效果顯著，基本上沒出現(xiàn)漏掃標簽現(xiàn)象，對現(xiàn)場及電機車頭整體較為美觀大方。通過兩種安裝方式對比，采用枕木安裝定位標簽及車頭底部安裝讀卡器方式，實現(xiàn)了定位標簽相關數(shù)據(jù)的讀取功能（圖2）。

圖2 定位標簽安裝

為保證定位標簽識別的準確及有效性，在定位點上安裝兩個定位標簽，讀取其中一個定位標簽就能實現(xiàn)定位系統(tǒng)的相關功能，采用“二選一”讀取方式，大大減少標簽漏掃及標簽損壞導致定位功能失效的故障率，保證定位系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

2.3 定位標簽讀取

RFID 標簽采用RFID 標簽讀卡器實現(xiàn)對標簽數(shù)據(jù)的讀取及傳輸。在機車上安裝讀卡器讀取RFID 定位標簽。RFID 讀卡器是一種能閱讀電子標簽數(shù)據(jù)的自動識別設備，RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID 標簽讀卡器的讀取可靠性直接影響整體無人駕駛系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在宜春鉭鈮礦有限公司數(shù)字化礦山項目——電機車無人駕駛系統(tǒng)建設中，通過比對多種RFID讀卡器實際運行情況，在與PLC 數(shù)據(jù)傳輸過程中，不僅通信協(xié)議及現(xiàn)場總線連接方式要一致，與RFID 標簽卡射頻范圍也應保持一致，才能實現(xiàn)機車運行過程中標簽讀取穩(wěn)定、可靠，不出現(xiàn)漏掃標簽現(xiàn)象，為無人駕駛及自動駕駛奠定基礎。定位系統(tǒng)效果如圖3 所示。

圖3 定位系統(tǒng)效果

2.4 現(xiàn)場總線與通信協(xié)議

RFID 標簽讀卡器與PLC 之間數(shù)據(jù)交換是通過相關通信協(xié)議建立聯(lián)系，監(jiān)測機車的運行軌跡及實時位置，進而實現(xiàn)機車自動駕駛、自動變道及視頻切換等功能。

目前市場上運用較好的現(xiàn)場總線與通信協(xié)議主要有CANbus 總線與CAN-bus 協(xié)議及RS-485 總線與Modbus 協(xié)議，兩種方式均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能，由于標簽讀卡安裝在機車上，與PLC 的傳輸距離近，而RS-485 總線抗噪聲干擾性強，傳輸距離也能滿足要求，具備多站能力且建設成本相比CAN 總線要低的多，在宜春鉭鈮礦有限公司數(shù)字化礦山項目——電機車無人駕駛系統(tǒng)建設中，現(xiàn)場環(huán)境噪聲干擾性較大，選用RS-485 總線及Modbus 協(xié)議，實現(xiàn)RFID 標簽讀卡器與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換，為PLC 的數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定性提供保障。

2.5 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器即PLC，是機車無人駕駛系統(tǒng)的重要組成部分，通過Modbus 通信協(xié)議與RFID 讀寫器建立連接，讀取機車的實時位置信息并共享給中控室上位機，根據(jù)讀取的位置信息，編寫PLC 邏輯控制指令及上位機控制指令，實現(xiàn)定位系統(tǒng)相關功能及信集閉系統(tǒng)具有重要意義。

2.6 信集閉系統(tǒng)

信集閉控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮電機車運行路線和作業(yè)順序，根據(jù)信號聯(lián)鎖規(guī)則，自動控制轉(zhuǎn)轍機和信號燈的動作，控制信號燈或虛擬信號燈的開放與關閉，同時為電機車提供裝礦和卸礦溜井等目標位置。在上位機上實時顯示電機車在運輸巷道內(nèi)的位置、機車序號、車速及信號燈、道岔和區(qū)間的狀態(tài)等信息。系統(tǒng)具有故障聲光報警功能，能實時顯示故障的具體位置。同時自動記錄運行過程數(shù)據(jù)，生成管理報表，需要時可對電機車運行軌跡進行模擬回放。系統(tǒng)對電機車運行信息全程跟蹤、自動開放運行信號、轉(zhuǎn)動道岔、檢測道路狀態(tài)，指揮列車安全運行，符合故障導向安全原則，實現(xiàn)無人駕駛電機車的全自動智能調(diào)度。

信集閉控制系統(tǒng)采用集散式計算機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由上位機和下位機構(gòu)成：上位機設在地面主控制室，下位機設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)信息均由光纖通信介質(zhì)完成數(shù)字信號傳輸。主控室配備操作臺，操作臺配備工業(yè)控制計算機管理計算基于電機車的精確定位數(shù)據(jù)，信集閉控制系統(tǒng)進行邏輯運算，自動控制井下轉(zhuǎn)轍機和信號燈執(zhí)行相應指令，實現(xiàn)相應設備一鍵式自動集中控制。地面操作工根據(jù)電機車的位置數(shù)據(jù)和信集閉系統(tǒng)的信號指令，遠程遙控電機車使其自動運行到裝、卸礦溜井。電機車全程閉鎖運行，避免追尾事故的發(fā)生，同時將運輸系統(tǒng)的監(jiān)控信息上傳地面調(diào)度指揮中心，隨時反映各設備的工作狀態(tài)。

3 定位系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)測機車運行位置信息：通過RFID 安裝位置監(jiān)測機車讀取標簽時的位置信息，再根據(jù)速度傳感器讀取電機齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)計算機車行走距離，通過坐標的形式實現(xiàn)機車的精準定位。

（2）實現(xiàn)區(qū)間定速巡航：上位機依據(jù)RFID 標簽的位置信息實現(xiàn)區(qū)間定速巡航功能。

（3）自動升降弓：根據(jù)機車位置信息在架弓線連接處、卸載站，放礦平臺等易掛弓等重要節(jié)點實現(xiàn)自動升降弓功能。

（4）道岔自動控制：根據(jù)機車位置信息及行駛方向?qū)崿F(xiàn)岔道轉(zhuǎn)轍機正確變道。

（5）視頻自動切換：無人駕駛系統(tǒng)視頻監(jiān)控由車載視頻及主要位置視頻組成，為保障機車安全運行，需跟據(jù)機車位置信息自動切換各個位置視頻，實現(xiàn)掉道監(jiān)測功能。

（6）自動對車：在放礦過程，礦車箱與振動臺板的對齊過程可由機車位置信息來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

探討定位系統(tǒng)在有軌機車無人駕駛中的應用，構(gòu)建安全、可靠的機車定位系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡平臺、定位標簽與讀寫器、現(xiàn)場總線與通信協(xié)議、PLC 等，以實現(xiàn)有軌機車無人駕駛精確定位，在無人駕駛系統(tǒng)的控制、道岔變道、安全運行等方面具有重要意義。