礦山井下有軌運輸無人駕駛系統關鍵技術研究

摘要：針對礦山井下運輸所面臨的嚴峻挑戰，如工作人員短缺、生命健康風險高、生產運輸效率低下等問題，提出了一種新的井下有軌運輸無人駕駛系統。該系統對電機車的電路部分和氣路部分進行了智能化改造，結合精確定位、障礙物識別、自動裝礦、高效通信、智能調度等關鍵技術的深入研究與應用，有效增強了運輸效能與安全保障。通過智能集控系統實施，減少了運輸水平作業人員，顯著減少了人力資源的投入成本，實現了機械化換人、自動化減人目標。

關鍵詞：礦山無人駕駛系統" 井下運輸技術" 智能調度與定位" 自動裝礦

Research on Key Technologies of Unmanned Driving System for Underground Rail Transport in Mines

WANG Chenxu ¹"" REN Yingying ²

1.Faculty of Electrical and Control Engineering， Liaoning Technical University， Huludao， Liaoning Province，125000 China;2. Dandong Dongfang Measurement and Control Technology Co.， Ltd.， Dandong， Liaoning Province，118200 China

Abstract： A new underground rail transportation unmanned driving system is proposed to address the severe challenges faced by underground transportation in mines， such as staff shortages， high risks to life and health， and low production and transportation efficiency. This system undergoes intelligent transformation of the circuit and gas circuit components of electric locomotives， combined with in-depth research and application of key technologies， including precise positioning， obstacle recognition， automatic ore loading， efficient communication， and intelligent scheduling， the system significantly enhances transportation efficiency and safety guarantees. Through the implementation of an intelligent centralized control system reduces the number of operators at the transportation level， significantly decreasing human resource investment costs and genuinely achieving the goals of mechanization for personnel replacement and automation for personnel reduction.

Key Words： Mine unmanned driving system; Underground transportation technology; Intelligent scheduling and positioning; Automatic ore loading

在當前全球環境日益復雜且中國經濟快速穩定的背景下，現代社會對電力供應的安全性和穩定性的需求日益增長，電力安全在工業中的主導地位已經超過了過去的任何一個時期。井下運輸是采礦系統的關鍵環節。傳統的人工作業模式存在諸多弊端，如人力成本高、安全隱患大、運輸效率低等。因此，開發礦山井下有軌運輸無人駕駛系統成為行業發展的必然趨勢。本文基于地方企業與國家技術部門的合作，綜合運用理論研究、生產實踐、設備技術升級等手段，對礦山井下有軌運輸無人駕駛的關鍵技術進行了系統性研究，并且這些技術已經在現有的礦區中得到了成功的使用，帶來了明顯的效果^[1]。

1 有軌運輸無人駕駛系統中電機車關鍵技術

1.1" 電機車智能化改造技術

電機車的智能化改造是無人駕駛系統的關鍵組成部分之一。通過應用變頻控制技術，實現了對電機車動力系統的智能化升級，確保其在運行與制動過程中的精確性。同時，對電機車氣路系統進行了智能改造，采用斷氣剎氣制動方式，確保在失去氣壓時電機車的制動安全性。此外，通過智能化視頻監控系統的改造，井上操作人員能夠實時掌控電機車前后方的動態環境，通過與電機車定位系統的協同工作，靈活切換視頻監控點，實現全方位、動態的監控效果，從而顯著提升監控的效率與準確性^[2-3]。

1.2" 電機車精確定位技術

為確保無人駕駛實現精確操控，電機車的準確定位扮演著核心角色。本方案融合射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）讀取編碼器裝置，以達成電機車的高精度定位^[4]。編碼器被裝配于礦車輪軸上，通過累積多圈絕對值計數來增強定位精確度；RFID讀取功能則負責調整編碼器的累積誤差，從而保障定位的即時性和精確度。二者配合，使電機車達到了厘米級的定位精度，這就是電機車定位系統的基本原理（如圖2所示）。

1.3" 電機車障礙物識別技術

在無人駕駛的情境下，為確保電機車的行駛安全，障礙物識別技術發揮了關鍵作用。本系統利用電機車自身的定位信息，結合運輸巷道的數字化模型，并依靠障礙物識別雷達，對前方軌道上的障礙物進行實時檢測與識別。系統在直線路段的識別范圍可以達到80 m、在彎道處則為40 m，確保當電機車遇到障礙物時能夠迅速剎車，從而有效保障其安全行駛。

障礙物檢測系統主要由列車智能檢測系統（Train Intelligent Detection System，TIDS）主機、傳感器（包括相機、激光雷達）、綜合信息系統（Total Information System，TIS）組成，TIDS主機外接指示燈板用于顯示輸出結果。TIDS系統框圖如圖3所示。

障礙物檢測系統核心的傳感器有激光雷達、相機、毫米波雷達（選配），實時捕獲外部環境信息，結合礦山電車相關場景的運行規則，經過多場景、多障礙物融合算法，計算出列車建議速度、可視距離，在檢測到前方有障礙物時，根據可視距離和礦山電機車當前速度，判斷是否超速進行報警。

2 有軌運輸無人駕駛系統中自動裝礦關鍵技術

2.1" 放礦機的自動裝礦技術

自動裝礦技術^[5-6]在放礦機中的應用是實現無人駕駛系統自動作業的重要步驟。通過對放礦機實施智能化升級，能夠實時監控并處理其啟動、停止狀態與故障信息。此外，在裝礦作業期間，系統會不斷監測礦車內物料的高度，以防止因裝載過高而引發的安全威脅。放礦機裝備了自動擋板系統，當裝礦任務完成后，擋板會自動下降，以有效防止礦石滑落，確保作業安全。

2.2 放礦機的大塊識別技術

在放礦作業中，大塊礦石可能會造成阻礙，甚至構成安全隱患。為解決這一問題，該系統引入了三維十六線雷達掃描技術，實時檢測放礦機振動擋板處大塊礦石的尺寸與礦車內礦石的堆積狀態。依據這些數據的分析，系統能夠判斷大塊礦石是否能通過振動電機的助力順利進入礦車，從而確保放礦過程順暢無阻，有效預防可能的作業中斷情況。

2.3 礦車斗精確定位技術

準確鎖定礦車斗位置是自動化裝礦作業的關鍵前提。為此，該系統整合了光柵定位與視覺圖像識別技術。前者確保礦車斗位置的精準無誤；后者則針對礦塵密集、機車滑動等復雜環境，有效補償了因這些因素造成的距離測量偏差。二者協同作用，顯著提升了礦車斗定位的精確度。

3 有軌運輸無人駕駛系統中通信關鍵技術

該系統構建了融合有線與無線的通信網絡。有線部分利用雙千兆環網冗余架構，保證了核心通信的帶寬充足且質量可靠；無線部分則全面覆蓋巷道，并配置了2.4 G與LTE 4 G雙網絡冗余，確保無通信死角。結合巷道布局與設備部署策略，該系統有效緩解了無線網絡中的多頻干擾與多徑效應難題，從而確保了通信的穩固與信賴性。

4 無人駕駛系統中溜井料位監測關鍵技術

溜井料位監控是智能調度體系的關鍵一環。本系統運用非接觸超聲波技術，對各溜井和卸礦站的料位狀態實施即時監控。該方案不僅規避了設備直接接觸導致的損耗，還能提供高精度的測量數據，尤其在高粉塵濃度及復雜環境中，依然能保持測量準確性。結合料位監控信息、自動運行的車輛與閉環調度機制，系統實現了對車輛調度與溜井管理的精細控制。

5 有軌運輸無人駕駛系統中智能調度關鍵技術

此系統的核心管理部件為智能調度中樞，負責集中收集并深入解析關鍵生產數據。它綜合了軌道占用、轉轍機狀態、信號燈指示、機車即時位置、載重與空載情況、裝礦點物料庫存及其優先級等多種信息，據此自動為機車規劃工作任務。智能調度依據行車路徑的優化原則，并緊密結合現場作業環境與資源狀況，以增產節耗為雙重導向，精心設計機車調度的具體策略。智能調度系統的運用大幅度提升了礦井運輸的效率與安全性，同時有效縮減了人力成本與管理的復雜性。

6 結語

本文通過對礦山井下有軌運輸無人駕駛系統關鍵技術的系統研究與應用，成功解決了礦山井下運輸過程中存在的工作人員短缺、生命健康風險、、生產運輸效率低下等問題。隨著技術的發展，礦山井下有軌運輸無人駕駛系統在自動化程度、智能化水平和安全性方面將進一步提高，這不僅能夠降低礦工的勞動強度，還能夠提升礦山生產的效率和安全性。隨著技術的持續進步與應用領域的日益廣泛，該系統將在諸多新興領域展現其關鍵價值，有力驅動我國智慧礦山建設邁向新的高度。

參考文獻

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