礦山有軌運輸電瓶人車管控系統研究

張維國,吳 桐,姚宗旭,葛啟發

（1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038；2.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083）

0 概述

隨著信息技術的發展,礦山數字化轉型需要信息技術(IT)和通信技術(CT)相融合實現信息通信技術(ICT)的全面應用。礦用電機車是井下運輸礦石、物料的主要運輸工具,在礦巖運輸中扮演著十分重要的角色。實現礦井電機車的無人化,一方面可以提高礦石運輸的效率,節約成本；另一方面,可以避免危險事故發生時對機車操作人員造成不必要的傷亡[1]。礦山有軌運輸無人駕駛系統的自動化控制技術(OT)集成了信息通信技術,將礦山生產管理系統和控制系統緊密的結合起來,實現井下電機車自動控制和無人駕駛,有效提高電機車運行效率,降低礦石運輸成本,緩解井下安全生產壓力[2]。在已實施有軌運輸無人駕駛系統的礦山,當有軌運輸電瓶車、材料車和人車等輔助車輛進入后,如何確保輔助車輛有效避讓無人駕駛電機車和保障人員安全,成為礦山安全高效生產的主要內容。2011年高峰針對井下輔助運輸系統的設計和智能調度進行了研究,設計了一種適用于煤礦井下無軌膠輪車系統的巷道運輸線路分析方法,實現了無軌膠輪車運輸系統的自動控制,減少巷道內無軌膠輪車的堵車問題[3]。隨著有軌運輸無人駕駛技術的成熟和全面推廣應用[4-5],針對有軌運輸無人駕駛系統與有軌輔助車輛,特別是有軌運輸電瓶人車的管控,成為建設智能化安全礦山必須優先考慮的問題。

1 有軌運輸無人駕駛與電瓶人車運輸

我國金屬礦山有近兩萬座,隨著金屬非金屬地下礦山資源開采難度加大,僅有少數礦山的現代化程度較高,深部開采將成為礦山的主要發展趨勢。有軌運輸系統是地下礦山開采首選的生產運輸工藝系統。礦用電機車是礦山開采過程中礦石和巖石運輸的有軌運輸設備,其具有運力大、成本低、設備相對簡單、可靠性強的特點,在大型地下礦山中被廣泛采用。實現地下礦山有軌運輸中段無人駕駛成為深部資源開發過程中的智能化和無人化技術發展趨勢。

當前國內有軌運輸無人駕駛系統在多個礦山得到了成功應用。2013年冬瓜山銅礦-875 m運輸中段無人駕駛電機車試驗成功,驗證了該技術方案實用可行,取得了良好的效果[6]。劉海和葛啟發等人針對高海拔礦井長距離無人駕駛電機車提出了基于基礎運輸無人駕駛系統的優化方案,并實現了雙機牽引的有軌運輸無人駕駛系統的應用[7]。王錦勝針對行洛坑鎢礦采用的溜井裝礦、平硐開拓有軌運輸和底側式卸礦方式,結合生產工藝流程及管理的特點,構建了有軌電機車無人駕駛系統,實現了地面遠程遙控裝礦、有軌電機車無人駕駛自動運行及全自動卸礦等功能[8]。紫金山金銅礦、酒鋼西溝礦和鏡鐵山2 520 m電機車無人駕駛技術也得到了應用[9-11]。陳志剛提出了煤礦有軌電機車無人駕駛技術的解決方案[12]。

礦山有軌運輸無人駕駛項目建設的出發點即為“無人則安”,當有軌運輸無人駕駛系統投入運行后,需要考慮現場其他生產工序開展工作時的人員進出和材料運輸問題,特別是有軌運輸電瓶人車、材料車和其他有人駕駛的輔助車輛與無人駕駛系統存在同時運行或者交替運輸的情況。雖然,王京華和王李管等人提出基于計算機視覺技術的礦井電機車無人駕駛障礙物檢測[13],以及呂秀娟提出的井下電機車無人駕駛的移動閉塞技術進行防碰撞檢測和信號系統管理[14],礦山實際生產管理中需要充分考慮有人駕駛電瓶人車的安全,實現電瓶人車與無人駕駛電機車的信息交互和智能放行管理,降低乘坐電瓶人車工作人員的安全風險,降低電瓶人車的占道時間,提高無人駕駛電機車系統的運行效率,從安全生產和經濟效益方面都有迫切需求和實施的必要性。

2 有軌運輸電瓶人車管控系統構成

2.1 電瓶人車管控需要與系統構成

以某銅礦為例,其有軌運輸無人駕駛系統已經成功投入運行,為了方便采場相關作業人員出入和部分材料運輸采購了兩臺電瓶驅動的電機車。有軌運輸無人駕駛系統在運行過程中和電瓶人車存在運行風險。有軌運輸電瓶人車管控系統從項目現場運行和安全管理的需要出發,通過系統之間的數據聯動實現電瓶人車與無人駕駛電機車的智能管控。有軌運輸電瓶人車管控系統由車載終端系統、通信系統、定位系統、巷道定位基站、調度中心控制系統等部分組成。

現場應用表明礦山有軌運輸電瓶人車管控系統技術成熟、維護管理簡單、運行可靠,可有效降低電瓶人車駕駛人員和乘車人員的安全風險。同時,降低電瓶人車的占道時間,提高無人駕駛電機車系統的運行效率。

2.2 車載移動終端與通訊定位系統

考慮到軟硬件成本和可行性,有軌運輸電瓶人車管控系統沒有用工業控制平臺開發而采用了車載移動終端實現定位和可視化智能調度管理,其中,在電瓶人車上安裝了車載移動終端系統,其采用集成觸控屏的工業計算機一體機作為,即工業集成電腦整機。車載移動終端系統分為硬件系統和軟件平臺兩部分作為車載平臺的構成,管控系統車載移動終端如圖1所示。因礦山現場條件比較嚴苛、工況有限制和運行要求,車載終端選用嵌入式設備制造工藝,抗干擾、抗嚴寒、抗震動、防眩光、防塵防雨能力強,結合高可靠的WIFI雙天線CPE通信和4G公網通信模塊保障數據可靠傳輸,并且將GPS和UWB定位模塊進行融合,實現地表露天工業場地和平硐內的連續高精度定位。為了實現可靠的管控,根據現場需求集成工業級觸控屏幕、語音模塊、顯示模塊、多接口擴展模塊等,以實現移動設備位置及工作信息的上下傳輸。

圖1 管控系統車載移動終端

2.3 巷道定位基站與設備安裝

有軌運輸電瓶人車管控系統需要在電瓶人車運行的全線路上進行實時定位和通信,為了嚴格管控有軌運輸電瓶人車在地表停車場的出入,在露天采用了GPS定位,進入平硐之后將UWB定位基站與某銅礦有軌運輸無人駕駛系統的通信基站集成。某銅礦有軌運輸無人駕駛系統已經在地表工業場地和平硐內布置全覆蓋的高速WIFI通信系統,通信基站布置已經充分考慮了通信條件和彎道限制等。平硐內定位基站與某銅礦有軌運輸無人駕駛系統通信基站集成后,在平硐內的UWB定位基站基本能夠全覆蓋整個巷道。UWB定位基站電源從基站引出220V交流電,通過在通信基站內安裝電源轉換器之后,直接給UWB定位基站和天線供電。有軌運輸無人駕駛通信基站配備有一塊可供基站工作2小時的電池,因此在接入UWB定位基站電源后,不會對原有的通信系統造成較大影響。在設備安裝方面,UWB定位天線可附加到通信天線安裝支架上,因UWB定位采用超高頻微波通信,對某銅礦有軌運輸無人駕駛系統通信也會造成干擾。

2.4 核心管控軟件與數據中心開發

有軌運輸電瓶人車管控系統其核心功能是通過車載移動終端軟件開發、服務器數據中心開發、無人駕駛系統數據接口開發、管控客戶端、報警提醒與數據分析模塊等。

(1)數據中心功能:數據雙向高可靠通信、數據解算與狀態識別、數據存儲和管理、數據分析與發布、內外部工業控制數據與管理數據接口模塊等功能。

(2)車載終端軟件:通信切換與信號強度管理、語音報警與提醒功能、定位數據通信功能、最佳定位數據獲取功能、車輛位置和狀態數據發布、管理數據接收功能、數據分析與統計功能、運行地圖與其他電機車位置顯示功能、電瓶車工作任務管理功能、數據分析功能和異常狀態緊急管理功能。

(3)核心管控軟件:數據接收與分析、無人駕駛電機車與電瓶人車狀態位置現實功能、電瓶人車任務與運行預警、電瓶人車放行管理和任務確認、報警與異常處理、數據分析與管理、工業控制系統與信息管理系統通信,數據接口開發和數據交互等功能。

其他功能包括GPS定位U-blox芯片模塊數據解算、UWB基站及接受模塊數據格式分析與采集開發、可靠性數據通信與定位數據獲取、工藝聯動與任務管控模塊、數據分析和數據融合管控功能等。

3 電瓶人車管控系統測試

3.1 巷道UWB定位測試

有軌運輸電瓶人車定位系統的定位方式包括GPS和UWB兩種,在地表露天工業場地采用可靠的GPS定位,實現電瓶人車的防碰撞和放行管理,在平硐內采用UWB定位基站進行定位,實現巷道內電瓶人車的低成本連續定位。

本次定位測試時,在平硐的750 m、900 m處各安裝一個UWB定位基站,其中電瓶人車上的定位基站與巷道內安裝的一致,便于以后更換和升級。在現場測試過程中可以實時通過電瓶人車的移動終端查看定位信息,當電瓶人車在兩個UWB定位基站中間往復運行時,可實時監測定位的效果,包括定位精度、最佳距離、最大距離、定位位置等,將測出的定位位置與巷道標注位置、基站設置位置進行對比,進而測試出定位的精度,測試效果基本達到最初的設計要求。

圖2 750 m處UWB基站

圖3 900 m處UWB基站

圖4 定位終端標簽連接

巷道UWB定位測情況,可以初步得到電瓶人車距離定位基站在60 m以內,位置變化較為均勻,能夠滿足較高精度定位需要,在65～95 m定位位置跳變較多,但電瓶人車定位位置仍然可以連續確定,總體來看定位精度可以滿足使用需求。

從現場UWB定位基站的安裝位置可以看出,定位基站安裝在巷道壁附近的基站箱上,考慮的本次測試現場的情況,沒有布置到天線支架上,如果需要更高的定位精度,可以優化UWB定位基站安裝或者增加基站的功率。

3.2 中控和電瓶人車調度測試

(1)電瓶人車放行管理

在電瓶人車啟動之前,電瓶人車司機需要通過車載移動終端向中控發送運行請求,中控上位機收到請求信息后,根據巷道運輸情況決定是否允許電瓶人車運行,同時確定輕車道運行還是重車道運行。

圖5 車載定位終端請求

圖6 中控調度回復

(2)電瓶人車位置顯示

電瓶人車位置顯示是將電瓶人車的定位位置換算成與電機車相同的坐標系,在中控室無人駕駛監控上位機畫面中集成顯示,方便無人駕駛操作員直觀的了解電瓶人車的動向。

(3)電瓶人車調度功能

圖7 有軌運輸電瓶人車位置顯示

傳統的中控操作人員與電瓶人車的通訊和調度通常靠單一的對講系統進行溝通,通訊方式單一,電瓶人車駕駛員存在疏忽和漏報的情況。本次測試調度功能主要針對中控操作人員與電瓶人車之間建立的數據鏈路實現電瓶人車的放行和調度管控。電瓶人車司機可以通過車載移動終端向中控室操作人員發送快捷請求調度信息,中控室操作人員也可以在有軌運輸無人駕駛系統上位監控界面上向電瓶人車司機發送調度指令。有軌運輸電瓶人車管控系統調度信息可以定制并智能排序,實現快速對話。

圖8 有軌運輸電瓶人車快速對話框

圖9 中控快速對話框

(4)電機車在電瓶人車移動終端顯示

某銅礦四個編組的無人駕駛電機車需要實時準確的顯示在電瓶人車車載移動終端上,方便電瓶人車司機直觀準確掌握與無人駕駛電機車的相對位置,從而保障自身和無人駕駛電機車的安全,提高應急處置效率和降低安全風險。有軌運輸電瓶人車管控系統可以將無人駕駛電機車的位置可以傳送到車載移動終端,系統實時計算電瓶人車與最近的無人駕駛電機車之間的位置和狀態,實現精確的防碰撞顯示和監測。

圖10 電機車在電瓶人車移動終端上的顯示

3.3 電瓶人車和電機車防碰撞測試

電瓶人車和無人駕駛電機車防碰撞功能是有軌運輸電瓶人車管控系統的主要功能之一,對于保障安全生產有著至關重要的意義。

防碰撞功能可以實現當電瓶人車和無人駕駛電機車相對位置小于170 m時,在中控有軌運輸無人駕駛系統的上位機和電瓶人車車載移動終端上顯示醒目的報警信息,并給出相應的操作提示。

圖11 有軌運輸電瓶人車防碰撞報警顯示

4 結論

礦山有軌運輸的安全管控事關礦山安全生產和人員安全,在實施了有軌運輸無人駕駛系統的礦山,在有軌運輸電瓶人車上加裝工業控制車載移動終端,依托高精度定位系統和無線網絡,通過有軌運輸電瓶人車管控系統可以實現中控有軌運輸無人駕駛控制中心對所有有軌運輸電瓶人車進行放行和安全控制。

圖12 中控防碰撞報警畫面

某銅礦有軌運輸電瓶人車管控系統的開發和測試實現了電瓶人車的管控,通過現場測試表明,該系統可以實現高精度的連續定位和有效管控設備運行,能夠提高安全生產和無人駕駛運行效率。

測試還檢驗了電瓶人車放行請求、電瓶人車位置顯示、無人駕駛電機車位置顯示、中控上位機與電瓶人車司機的調度和快速對話、電瓶人車和無人駕駛電機車防碰撞等多項實用功能,檢驗結果表明電瓶人車放行請求、電瓶人車位置顯示、中控上位機與電瓶人車的調度功能穩定可靠。

在測試過程中發現目前需要改進的問題包括在人車高速行駛時,UWB定位位置存在一定的波動,在電瓶人車與定位基站距離大于50 m以上時,定位波動較大,需要增加濾波優化算法,保證定位連續穩定。