地下礦無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)方案研究

張毅力 汪令輝 黃壽元

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司;2.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦;3.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司)

礦山地下運(yùn)輸特別是礦石運(yùn)輸是地下采礦系統(tǒng)的關(guān)鍵工程之一。礦石運(yùn)輸目前主要采用3種形式，即軌道運(yùn)輸、無(wú)軌運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸，目前國(guó)內(nèi)地下軌道運(yùn)輸主流是以電機(jī)車(chē)作為牽引設(shè)備［1］。國(guó)內(nèi)軌道運(yùn)輸也存在一系列問(wèn)題，如采用的信集閉生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)僅能指揮電機(jī)車(chē)運(yùn)行，不能直接控制電機(jī)車(chē)的運(yùn)行，對(duì)電機(jī)車(chē)的控制能力低;基于信集閉硬件構(gòu)成和工作原理，不能獲得電機(jī)車(chē)的準(zhǔn)確位置，有些區(qū)段劃分受到硬件設(shè)備限制不合理等諸多原因，造成信集閉調(diào)度效率不高;人工操作電機(jī)車(chē)使得礦石運(yùn)輸受到人為因素的影響很大，人員疲憊、闖紅燈現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故。

隨著采礦業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和礦產(chǎn)資源需求的擴(kuò)大，采礦規(guī)模越來(lái)越大，年開(kāi)采量上千萬(wàn)噸級(jí)特大礦山不斷出現(xiàn)。一些特殊礦山處于高海拔、超深度，存在大量涌水或其他危險(xiǎn)，礦山對(duì)礦石運(yùn)輸能力、效率和安全性提出了越來(lái)越高的要求。隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人工成本在采礦成本中占的比例也不斷增大。人們對(duì)工作環(huán)境的要求也不斷提高，許多學(xué)者認(rèn)為無(wú)人采礦技術(shù)是21世紀(jì)采礦重要發(fā)展領(lǐng)域［2］。無(wú)人駕駛的電機(jī)車(chē)運(yùn)輸技術(shù)正是朝著這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)的重要環(huán)節(jié)，它提供了一種可靠、安全的運(yùn)輸方案，可以滿足礦山地下運(yùn)輸?shù)倪@些新需求。這一技術(shù)對(duì)于大型礦山、特大型礦山、特殊礦山都有很好的適用性。從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益看，無(wú)人駕駛也是地下礦電機(jī)車(chē)運(yùn)輸發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)礦用無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)技術(shù)是一項(xiàng)重大技術(shù)需求。

目前國(guó)外此類(lèi)技術(shù)的使用條件是在全封閉無(wú)人行走的巷道內(nèi)使用，這和我國(guó)現(xiàn)有礦下條件有較大區(qū)別。而無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)及亞洲還處于空白階段，尚無(wú)地下礦運(yùn)輸采用無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)的應(yīng)用實(shí)例。在歐洲少數(shù)國(guó)家有少數(shù)大型礦山在采用此項(xiàng)技術(shù)，例如瑞典的Kriuna礦從20世紀(jì)80年代就采用了無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸技術(shù)［3］，但是類(lèi)似礦山世界范圍內(nèi)不超過(guò)5家。由于此項(xiàng)技術(shù)在世界采礦業(yè)很少采用，因此相關(guān)報(bào)道和技術(shù)資料也很少。再加上國(guó)外公司對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的保密，使得此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)難度很大。2011年5月，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司與銅陵有色金屬集團(tuán)冬瓜山銅礦聯(lián)合，在冬瓜山銅礦進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，取得了成功。

1 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)特征與關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

地下礦無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)試驗(yàn)選擇在銅陵有色金屬集團(tuán)冬瓜山銅礦－875 m運(yùn)輸中段進(jìn)行。牽引設(shè)備為20 t電機(jī)車(chē)2臺(tái)，采用前后雙機(jī)牽引，1列編組11節(jié)車(chē)皮，頭尾長(zhǎng)度82 m，直流滑觸線供電電壓為550 V，裝卸載站各1個(gè)，相距750 m，彎道2處，軌道寬度900 mm。

無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，它是集采礦技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、工程設(shè)計(jì)技術(shù)、變頻拖動(dòng)技術(shù)、總線通訊技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信集閉技術(shù)、特殊傳感器技術(shù)等多領(lǐng)域技術(shù)為一體的多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合技術(shù)。這些技術(shù)可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)的設(shè)備系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)，主要包括變頻拖動(dòng)技術(shù)、總線通訊技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信集閉技術(shù)、特殊傳感器技術(shù)等，而采礦技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、工程設(shè)計(jì)技術(shù)等則是第二類(lèi)，主要作為無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)的應(yīng)用條件。本研究主要闡述運(yùn)用第一類(lèi)技術(shù)的方案確定。

2 電機(jī)車(chē)運(yùn)輸技術(shù)方案確定

電機(jī)車(chē)是無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備，是無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸主要的監(jiān)控對(duì)象。因此，電機(jī)車(chē)的技術(shù)方案直接關(guān)系到本研發(fā)課題的成敗。其中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)、控制方案以及關(guān)鍵傳感器技術(shù)。本研究提出的一套技術(shù)合起來(lái)形成了智能電機(jī)車(chē)技術(shù)方案。

2.1 機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案

無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)由于沒(méi)有操作人員隨車(chē)操作，不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況隨時(shí)調(diào)整電機(jī)車(chē)的控制狀態(tài)，特別是在電機(jī)車(chē)減速和減速停車(chē)階段，控制是否精確直接關(guān)系到運(yùn)輸系統(tǒng)的安全。因此，電機(jī)車(chē)控制精度必須準(zhǔn)確和可靠。在目前的電機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)方式中，只有變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)車(chē)方式才能滿足此要求，而且變頻器是一項(xiàng)成熟技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。最終確定采用變頻器驅(qū)動(dòng)方案。

2.2 機(jī)車(chē)控制技術(shù)方案的確定

無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸最終要實(shí)現(xiàn)在地表集中控制室遙控完成電機(jī)車(chē)運(yùn)輸任務(wù)，其目的之一就是在安全的前提下減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度;如果電機(jī)車(chē)運(yùn)行完全依靠人工遙控控制，不僅操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，更主要的是也無(wú)法保證運(yùn)輸?shù)陌踩?。因此，電機(jī)車(chē)必須具備智能控制系統(tǒng)，電機(jī)車(chē)在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)按照生產(chǎn)要求自動(dòng)運(yùn)行，在個(gè)別環(huán)節(jié)由人工遙控操作，這樣不僅可以減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以使得電機(jī)車(chē)運(yùn)行更加安全和高效。因此，電機(jī)車(chē)控制必須具備智能功能。

在無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸中，電機(jī)車(chē)在以下方面實(shí)現(xiàn)了智能化。

(1)按照調(diào)度指令自動(dòng)運(yùn)行:電機(jī)車(chē)在接收到調(diào)度指令后，可以按照設(shè)定好的程序自動(dòng)運(yùn)行，在運(yùn)行線路中的彎道、道岔、裝載、卸載、直道分別選擇不同的運(yùn)行速度，在設(shè)定的位置自動(dòng)升降集電弓、自動(dòng)鳴笛、自動(dòng)停車(chē)等待。

(2)電機(jī)車(chē)自動(dòng)保護(hù)功能:電機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，可以根據(jù)整體運(yùn)輸線路情況自動(dòng)降低運(yùn)行速度，防止發(fā)生追尾事故;可以根據(jù)整體運(yùn)輸線路情況自動(dòng)停止，避免與前方停止機(jī)車(chē)碰撞;可以根據(jù)整體運(yùn)輸線路情況，自動(dòng)選擇駛出穿脈時(shí)機(jī)，避免不必要的緊急制動(dòng)。

(3)電機(jī)車(chē)控制方式:為了適應(yīng)電機(jī)車(chē)實(shí)際生產(chǎn)需求，電機(jī)車(chē)具有遙控方式、自動(dòng)方式、人工方式、檢修方式。通過(guò)以上控制方式完全可以滿足電機(jī)車(chē)正常生產(chǎn)、遠(yuǎn)程遙控、臨時(shí)人工操作、設(shè)備檢修等需求。

(4)電機(jī)車(chē)同步控制:試驗(yàn)中礦石運(yùn)輸采用前后2臺(tái)電機(jī)車(chē)牽引運(yùn)輸形式，因此2臺(tái)電機(jī)車(chē)必須保持同步操作功能。

(5)電機(jī)車(chē)事故處理:當(dāng)其中一臺(tái)電機(jī)車(chē)出現(xiàn)故障時(shí)(此處指電氣故障)，采用智能處理方式，及時(shí)退出故障設(shè)備，由集中控制室人員遙控退出運(yùn)輸任務(wù)，減少事故占道情況的發(fā)生，保證運(yùn)輸?shù)目煽啃浴?/p>

(6)電機(jī)車(chē)完善的控制功能:電機(jī)車(chē)可以根據(jù)運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速、減速、慣性停車(chē)、斜坡停車(chē)、緊急電氣制動(dòng)、緊急氣剎制動(dòng)、停車(chē)駐車(chē)控制、溜車(chē)駐車(chē)控制等諸多在電機(jī)車(chē)運(yùn)行中需要的控制功能。

(7)優(yōu)異的電壓適應(yīng)范圍:有些地下運(yùn)輸線路很長(zhǎng)，滑觸線電壓經(jīng)常波動(dòng)很大，再加上升降集電弓的要求，因此變頻器必須適應(yīng)直流電壓從0～550 V的工作環(huán)境。經(jīng)過(guò)對(duì)變頻器的二次開(kāi)發(fā)，使得變頻器完全可以適應(yīng)上述工作環(huán)境。

2.3 特殊傳感器方案

在無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸中，電機(jī)車(chē)的位置和速度是重要的參數(shù)，首先要解決機(jī)車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題。要分析電機(jī)車(chē)的工作環(huán)境。地下電機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)恼w工作環(huán)境無(wú)法與地表民用鐵路相比，電機(jī)車(chē)本身制造精度就比較低，礦用電機(jī)車(chē)本身減震性能差，井下礦鐵軌敷設(shè)平整度不高，彎道、岔道在整個(gè)運(yùn)輸線路中占比重很大，電機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)卸載站時(shí)處于懸空狀態(tài)，所有這些最終造成電機(jī)車(chē)在運(yùn)行時(shí)，電機(jī)車(chē)整體振動(dòng)非常大，這就給選擇檢測(cè)設(shè)備帶來(lái)很大的難度。

在以往人們對(duì)電機(jī)車(chē)技術(shù)改造過(guò)程中，選擇傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)電機(jī)車(chē)的位移和速度，但是經(jīng)過(guò)使用證明，由于電機(jī)車(chē)本身的高振動(dòng)性，旋轉(zhuǎn)編碼器使用壽命很短，不能滿足電機(jī)車(chē)的使用工況要求。經(jīng)過(guò)與電機(jī)車(chē)廠家密切合作，并與相關(guān)傳感器廠家合作研發(fā)，從檢測(cè)設(shè)備機(jī)構(gòu)上進(jìn)行突破，較好地解決了電機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中存在的振動(dòng)問(wèn)題，研制出了可以準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)車(chē)位移和速度的傳感器。

3 通訊技術(shù)方案的確定

3.1 地下無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)無(wú)線通訊環(huán)境分析

地下電機(jī)車(chē)主要是在巷道內(nèi)運(yùn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通訊巷道截面為高×寬=3.2 m×3 m，彎道半徑在60 m，1列編組頭尾人的目光不能相見(jiàn)。巷道表面坑洼不平。電機(jī)車(chē)寬度1.8 m，高度2 m。1列運(yùn)礦編組長(zhǎng)度在70 m左右，電機(jī)車(chē)與巷道左右間隙在0.6 m左右。

根據(jù)無(wú)線通訊實(shí)際試驗(yàn)，1列運(yùn)礦編組對(duì)無(wú)線通訊的活塞效應(yīng)非常明顯，在有運(yùn)礦編組存在的巷道，無(wú)線通訊有效截面幾乎減小到空巷道的1/3。通訊距離縮短為空巷道通訊距離的1/3到1/2。

狹長(zhǎng)的巷道對(duì)通訊距離影響也非常大，通常地表空曠地帶通訊距離1～2 km的設(shè)備，在地下直巷道通訊距離在200～300 m，彎巷道通訊距離更短。

在狹長(zhǎng)的巷道采用無(wú)線通訊，除了對(duì)通訊距離有很大影響外，無(wú)線電波反射也會(huì)給通訊造成不良影響。地表無(wú)線電波隨著傳播距離的增大逐步降低，而地下巷道內(nèi)，在無(wú)線電波還沒(méi)有衰減時(shí)就會(huì)沒(méi)有規(guī)律地不斷被反射，從而給無(wú)線通訊帶來(lái)不良影響。

3.2 無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸對(duì)無(wú)線通訊的需求分析

要實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸必須具備2條鏈路的無(wú)線通訊。1條鏈路是1列編組的頭車(chē)和尾車(chē)之間通訊，實(shí)現(xiàn)頭車(chē)和尾車(chē)同步控制;另外1路是電機(jī)車(chē)與集中控制室之間的無(wú)線通訊，實(shí)現(xiàn)把電機(jī)車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送到集中控制室，同時(shí)把集中控制室的指令發(fā)送給電機(jī)車(chē)。

無(wú)線通訊對(duì)象的數(shù)量。無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸使用的無(wú)線通訊對(duì)象通常是固定的，一般大型礦山同時(shí)運(yùn)行4列編組即可滿足運(yùn)輸生產(chǎn)需求，特大性礦山同時(shí)運(yùn)行編組數(shù)量基本上也超不過(guò)8列編組。其通訊對(duì)象特點(diǎn)是對(duì)象固定且數(shù)量少。

無(wú)線通訊的數(shù)據(jù)容量。無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)目刂埔鬀Q定著每一個(gè)通訊對(duì)象通訊的數(shù)據(jù)容量。經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算每個(gè)對(duì)象工作任務(wù)，在滿足控制要求的前提下，把總的通訊數(shù)據(jù)容量壓縮到最小字節(jié)。

無(wú)線通訊覆蓋范圍要求。為了確保無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)陌踩煽?，必須在整個(gè)運(yùn)輸范圍內(nèi)覆蓋無(wú)線通訊，不能出現(xiàn)通訊死角。

無(wú)線通訊速率及中斷要求。為了保證對(duì)電機(jī)車(chē)的可靠控制，通訊速率必須滿足集中遙控電機(jī)車(chē)的要求。對(duì)于整個(gè)無(wú)線通訊覆蓋范圍內(nèi)出現(xiàn)的少數(shù)通訊中斷情況，必須采用智能彌補(bǔ)方法補(bǔ)救，確?？刂浦噶畹募皶r(shí)下達(dá)和滿足生產(chǎn)安全。

3.3 通訊方案確定

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通訊技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，各種類(lèi)型、各種用途的無(wú)線通訊技術(shù)不斷涌現(xiàn)。已經(jīng)在地下巷道使用的無(wú)線通訊有小靈通、泄漏通訊、WIFI、ZigBee、PLC無(wú)線、串口無(wú)線通訊等。

通過(guò)對(duì)無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸對(duì)無(wú)線通訊的需求以及這些通訊技術(shù)特點(diǎn)的綜合分析，采用了以下無(wú)線通訊方案:在集中控制室設(shè)置無(wú)線通訊主站，沿巷道敷設(shè)RS485電纜，根據(jù)實(shí)際情況在RS485電纜上掛接無(wú)線通訊中繼器。通過(guò)無(wú)線通訊中繼器與移動(dòng)電機(jī)車(chē)收發(fā)一體機(jī)進(jìn)行通訊，從而組成完整的通訊網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線通訊方案如圖1所示。

圖1 無(wú)線通訊方案

此方案具備以下特點(diǎn):沿巷道敷設(shè)電纜傳輸信號(hào)可靠，并且技術(shù)成熟;此種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合本課題的要求;采用總線控制交換技術(shù)，有效解決多徑干擾問(wèn)題;采用縮技術(shù)將數(shù)據(jù)壓縮到1 ms，使得無(wú)線信號(hào)抗干擾能力強(qiáng);對(duì)于彎道處頭車(chē)和尾車(chē)的通訊，采用在中間車(chē)皮上增加一個(gè)中繼器的方案解決。

4 其他方面

4.1 是否需要獨(dú)立的調(diào)度系統(tǒng)

信集閉一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)礦石軌道運(yùn)輸必備的生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)，無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸是否需要單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立的信集閉系統(tǒng)?通過(guò)試驗(yàn)研究的逐步深入，得出結(jié)論是:無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)具備信集閉統(tǒng)一調(diào)度所有電機(jī)車(chē)功能，這樣才能實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸，并有效地提高運(yùn)輸效率。對(duì)于已建礦山現(xiàn)有的信集閉系統(tǒng)要根據(jù)實(shí)際礦山生產(chǎn)情況和生產(chǎn)方式，決定是否需要保留，這里不做過(guò)多討論。

4.2 裝載站控制技術(shù)方案的確定

在無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，裝載站是一個(gè)難點(diǎn)。由于裝礦站受到目前裝礦設(shè)備和礦石性質(zhì)等各種因素的影響，要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按照控制程序裝礦幾乎是不可能的。

首先在裝礦環(huán)節(jié)中缺少計(jì)量設(shè)備，限于地下工況和安裝空間限制，安裝計(jì)量設(shè)備是不可能的。其次，溜井內(nèi)礦石粒度、料位高度等對(duì)放礦都會(huì)產(chǎn)生影響，因此放礦速度不可能均勻和一樣。因此在裝礦環(huán)節(jié)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)定時(shí)或定量裝礦。

基于上述原因，采用遠(yuǎn)程遙控裝礦設(shè)備運(yùn)行、遙控電機(jī)車(chē)移動(dòng)裝礦位置、視頻觀測(cè)裝礦情況方法來(lái)解決裝礦問(wèn)題。

5 結(jié)論

無(wú)人駕駛能夠滿足許多礦山日益發(fā)展的新需求，是地下礦電機(jī)車(chē)運(yùn)輸發(fā)展趨勢(shì)。以冬瓜山銅礦為背景，分析了無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題、技術(shù)環(huán)節(jié)，提出了相應(yīng)的技術(shù)方案，主要包括智能電機(jī)車(chē)技術(shù)方案、通訊技術(shù)方案、調(diào)度系統(tǒng)方案以及裝載站控制技術(shù)方案。聯(lián)合攻關(guān)研制出的新型變頻礦用電機(jī)車(chē)已經(jīng)在銅陵有色金屬集團(tuán)冬瓜山銅礦－875 m運(yùn)輸中段投入應(yīng)用，初步效果良好。

不同的礦山條件不同，具體技術(shù)需求可能差異較大，相應(yīng)的技術(shù)方案也會(huì)有差異。例如，可能需要研發(fā)無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)防撞人系統(tǒng)等。本研究關(guān)于技術(shù)方案確定的思路可供各種礦用無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)技術(shù)方案制定做參考。

［1］ 陸國(guó)閏.80年代瑞典地下鐵礦開(kāi)采技術(shù)［J］.礦山技術(shù)，1990(1):56-70.

［2］ 吳和平，吳 玲，張 毅，等.井下無(wú)人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制關(guān)鍵技術(shù)［J］.有色金屬:礦山部分，2007，59(6):12-16.

［3］ 沈德貴.90年代國(guó)外金屬地下礦采礦技術(shù)［J］.國(guó)外金屬礦山，1991(10):28-37.