定位系統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

機車遠程駕駛系統是以提升宜春鉭鈮礦運輸效率，降低系統作業人員數量及運維成本為目標的礦山生產綜合管理系統。可實現機車無人駕駛、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，優化生產運輸調度，合理利用資源，降低生產成本，保障生產作業安全，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，定位系統的實現是無人駕駛系統的關鍵所在。

1 定位系統數據交換的關鍵——網絡平臺

對比4G 與5G 網絡覆蓋范圍，1880 MHz 頻段4G 網絡有效覆蓋半徑能達到2000 m，而5G 網絡相對低頻段2.6 GHz 有效覆蓋半徑不足500 m。在宜春鉭鈮礦有限公司數字化礦山——電機車無人駕駛系統建設中，考慮建設成本及覆蓋范圍要求，為滿足定位系統相關數據交換，需搭建網絡平臺——4G LTE 無線專網，由核心網設備、網管系統、室外覆蓋基站、集群終端、室外CPE 終端、調度系統、移動基站等部分組成。無線寬帶集群專網系統的分級組網模式下，在調度中心機房統一管理eSCN 核心網設備、網管服務器、綜合調度機、系統網管等網絡設備調度所有用戶，運輸沿線建立若干個移動基站實現完全覆蓋，如有隧道還需敷設泄漏電纜進行網絡覆蓋。以車載CPE（EG860V2）為載體，實現上位機與有軌機車之間的通信。LTE 無線專網調度系統框架如圖1 所示。

圖1 LTE 無線專網調度系統框架

2 定位系統實現

2.1 定位標簽

基于現場運輸線路潮濕、環境復雜，有源電子標簽和半有源電子標簽內部均需電池供電，成本高、壽命有限且不易做成薄卡，不能滿足現場環境使用要求。為滿足機車定位系統要求，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，在閱讀器的讀出范圍之內時，閱讀器發出的射頻能量為無源電子標簽提供工作所需的電源，采用反射調制方式向讀卡器傳送相關標簽信息。根據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 內讀取兩次以上即可。顯然，無源電子標簽能達到現場使用要求。

2.2 定位標簽與讀卡器的安裝

根據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在隧道側面及架線桿上安裝定位標簽，在電機車頭同側面安裝定位標簽讀卡器實現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定位標簽的讀取功能。固然“側面安裝”方式讀卡器及定位標簽具有能保持干凈整潔，也容易維護等優點，但在實際使用過程發現讀取效率不高，部分標簽讀取距離較長，容易出現標簽漏掃現象。選用“枕木安裝”效果顯著，基本上沒出現漏掃標簽現象，對現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，實現了定位標簽相關數據的讀取功能（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定位系統的相關功能，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，保證定位系統的平穩運行。

2.3 定位標簽讀取

RFID 標簽采用RFID 標簽讀卡器實現對標簽數據的讀取及傳輸。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據的自動識別設備，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據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。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運行的穩定性，在宜春鉭鈮礦有限公司數字化礦山項目——電機車無人駕駛系統建設中，通過比對多種RFID讀卡器實際運行情況，在與PLC 數據傳輸過程中，不僅通信協議及現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，才能實現機車運行過程中標簽讀取穩定、可靠，不出現漏掃標簽現象，為無人駕駛及自動駕駛奠定基礎。定位系統效果如圖3 所示。

圖3 定位系統效果

2.4 現場總線與通信協議

RFID 標簽讀卡器與PLC 之間數據交換是通過相關通信協議建立聯系，監測機車的運行軌跡及實時位置，進而實現機車自動駕駛、自動變道及視頻切換等功能。

目前市場上運用較好的現場總線與通信協議主要有CANbus 總線與CAN-bus 協議及RS-485 總線與Modbus 協議，兩種方式均能實現數據交換功能，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字化礦山項目——電機車無人駕駛系統建設中，現場環境噪聲干擾性較大，選用RS-485 總線及Modbus 協議，實現RFID 標簽讀卡器與PLC 之間的數據交換，為PLC 的數據處理穩定性提供保障。

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的重要組成部分，通過Modbus 通信協議與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，實現定位系統相關功能及信集閉系統具有重要意義。

2.6 信集閉系統

信集閉控制系統統一協調指揮電機車運行路線和作業順序，根據信號聯鎖規則，自動控制轉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的位置、機車序號、車速及信號燈、道岔和區間的狀態等信息。系統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據，生成管理報表，需要時可對電機車運行軌跡進行模擬回放。系統對電機車運行信息全程跟蹤、自動開放運行信號、轉動道岔、檢測道路狀態，指揮列車安全運行，符合故障導向安全原則，實現無人駕駛電機車的全自動智能調度。

信集閉控制系統采用集散式計算機控制系統，系統由上位機和下位機構成：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信息均由光纖通信介質完成數字信號傳輸。主控室配備操作臺，操作臺配備工業控制計算機管理計算基于電機車的精確定位數據，信集閉控制系統進行邏輯運算，自動控制井下轉轍機和信號燈執行相應指令，實現相應設備一鍵式自動集中控制。地面操作工根據電機車的位置數據和信集閉系統的信號指令，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，避免追尾事故的發生，同時將運輸系統的監控信息上傳地面調度指揮中心，隨時反映各設備的工作狀態。

3 定位系統功能

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

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

（3）自動升降弓：根據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點實現自動升降弓功能。

（4）道岔自動控制：根據機車位置信息及行駛方向實現岔道轉轍機正確變道。

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

（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。

4 結束語

探討定位系統在有軌機車無人駕駛中的應用，構建安全、可靠的機車定位系統，系統主要包括網絡平臺、定位標簽與讀寫器、現場總線與通信協議、PLC 等，以實現有軌機車無人駕駛精確定位，在無人駕駛系統的控制、道岔變道、安全運行等方面具有重要意義。