論電鏟從傳統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.內蒙古霍林河露天煤業股份有限公司南露天煤礦，內蒙古 通遼 029200；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030020）

1 傳統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開采工藝系統的關鍵設備，其綜合性能直接決定著整個礦山開采的生產效率。傳統模式主要依靠人工經驗操作，工作環境存在現場溫差大、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、危險系數高，長時間連續工作易疲勞等問題[1-2]。從作業、人機交互、節能環保、成本、安全生產等方面采集各項數據進行分析說明，見圖1。

圖1 傳統操控模式的影響因素

2 電鏟傳統模式操控存在的問題

2.1 電鏟傳統模式操控的危險

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°，實際裝載作業時不能超過4°，在現場操作時，司機一旦沒有按照標準進行操作，沒能及時調整電鏟的姿態，或操作過程中發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）視覺盲區導致的磕碰事故、人員誤傷。大型礦用電鏟的盲區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域。盲區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方的視野及回轉半徑，一方面生產過程中容易與裝載設備發生磕碰，另一方面對附近的人員產生安全威脅。

3）作業時電鏟與礦卡的碰撞。電鏟在施工過程中，尤其是裝車環節，空間高頻率大角度旋轉，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，甚至還可能出現人員傷亡等嚴重事故。所以，在設備作業期間，需要對工作裝置移動范圍內的障礙物進行判斷與規避，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）容易產生駕駛疲勞，誤操作等威脅安全生產。當任務緊張，開采作業量較大，需要人員加班加點，長時間連續作業，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，造成事故的發生。同時，電鏟在長時間運轉中，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生脫落現象，操作者很難第一時間觀察發現鏟斗的斗齒掉落，并且時刻關注設備斗齒情況，會分散操作者的注意力，降低生產作業效率。裝車結束后，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、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，進而引發整條采掘—破碎生產線的停工，給礦山造成了巨大的經濟損失。

3 電鏟遠程操控系統

3.1 系統簡介

以霍林河南露天煤礦的電鏟遠控系統為例，該系統由電鏟本地端圖像聲音采集系統、遠程端的圖像聲音重現系統、通訊模塊接入（5G/4G/WIFI）、控制操作臺及整套控制系統構成。其中，電鏟操作臺采用仿真駕駛室的結構，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，傳輸現場作業信息，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場圖像信息，以及車體傾斜角度等物理傳感數據。

其實景顯示屏系統采用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由中間上下兩塊顯示屏構成，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鏟斗運行狀態以及工作面情況，消除電鏟四周盲區，清晰顯示電鏟外部四周情況；顯示內部主要位置運行情況；顯示電鏟行走狀態以及尾部電纜狀態；完整顯示卡車位置等。

3.2 遠控系統的多項智能化功能

1）車態感知功能。系統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信息。傳感器內置濾波算法，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，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，垂直方向測量誤差在1°之內。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據，有效提示駕駛員目前電鏟的實際傾斜狀態，從而規避左右側翻、前后傾覆的危險。當傾斜角度大于等于3°時，主顯示屏邊框發出持續警告，提示遠程操作手盡快處理。此功能能夠有效減少側翻、跌落等工程機械成本的損耗和現場危險公關的成本支出，見圖3。

圖3 傾角儀狀態顯示

2）行人識別功能。本系統通過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在設備后方時，系統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，能夠規避施工現場的最大安全隱患，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，在安全可用的基礎上，保障了遠程作業的工作效率。

3）避障控制功能。本系統研發了定點卸料功能，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，大臂和轉臺的傳感器角度值，在作業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據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延遲、網絡卡頓、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生，操作手執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）信號心跳監測制動功能。本系統在遠程終端與智能控制系統之間，設計一套完整的信號心跳監測機制，流程如下頁圖4 所示。當遠程終端的指令與智能控制系統的指令不能同步，差值超過500 ms時，智能控制系統立即停止電鏟的動作指令。待二者同步后，智能控制系統恢復對電鏟的動作指令輸出。除此之外，智能控制系統與控制器之間，有命令檢測機制，如果智能控制系統無法成功的向控制器發送指令，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行結果符合預計。

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。在作業現場，有獨立的緊急制動開關，此開關為遙控式開關。開關采用315 m 長波通信，不與現有通信系統產生干擾。當現場人員需要在電鏟內或電鏟作業范圍內工作時，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動控制板卡電源，執行緊急制動，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。該功能賦予現場安全人員管理設備的權利，既可以在意外發生時剎停設備，也可以在現場需要對設備進行接管時確?，F場人員的安全[3]。

7）斗齒識別功能。智能斗齒識別系統可以監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使得計算機能夠在畫面中定位出需要關注的位置，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技術，利用級聯分類器，計算列均值和減去基線等方法，將二維圖像轉化成一維向量，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，一旦發現斗齒磨損或缺失，則會在屏幕上顯示出斗齒損壞的信息和缺失的個數，操作者再與現場施工人員溝通，有效降低異常停機率，減少破篩設備損壞。

圖5 斗齒狀態識別

4 結論

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將逐步替代傳統作業模式，該系統設計遵循可靠性、可擴展性、高效性等多維度原則，擁有信號心跳監測制動、車態感知、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安全可靠，實用性強，既可保障作業安全，又可提高作業效率。

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?？萍歼M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、無低效產能。