基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人駕駛系統(tǒng)在礦用電機(jī)車中的應(yīng)用研究

摘要：智能化礦山是現(xiàn)代礦山企業(yè)的發(fā)展方向，海石灣煤礦經(jīng)過近兩年的智能化投入與建設(shè)，在礦山的自動(dòng)化、智能化方面均取得了很大的進(jìn)步。海石灣煤礦使用的電機(jī)車主要承擔(dān)著礦井人員、設(shè)備、材料的運(yùn)輸任務(wù)。之前依賴傳統(tǒng)的司機(jī)控制車輛，司機(jī)疲勞駕駛、突發(fā)異常情況或其他人為操作失誤容易造成車輛追尾、誤入非行車區(qū)域等安全隱患。為了避免發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)，從根本上實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)輸智能安全化，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，需要對(duì)礦井軌道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以實(shí)現(xiàn)蓄電池電機(jī)車的無人化智能駕駛，使礦井減人增效，提高電機(jī)車輔助運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)" 電機(jī)車 無人駕駛" 智能運(yùn)輸

Research on the Application of Unmanned Driving System Based on 5G Network in Mining Electric Locomotives

XUE Wencai

Yaojie Coal and Electricity Group Company Haishiwan Coal Mine Mechanical and Electrical Transportation Department， Lanzhou， Gansu Province，730084 China

Abstract： Intelligent mining is the development direction of modern mining enterprises. After nearly two years of intelligent construction investment， Haishiwan Coal Mine has made great progress in both automation and intelligence of the mine. The electric locomotives used in Haishiwan Coal Mine mainly undertake the transportation tasks of mine personnel， equipment， and materials. Previously， relying on traditional drivers to control vehicles， driver fatigue driving， sudden abnormal conditions， or other human operational errors can easily cause safety hazards such as rear-end collision and accidental entry into non driving areas. In order to avoid safety risks and fundamentally achieve intelligent and safe auxiliary transportation， reduce the labor intensity of operators， it is necessary to upgrade and transform the mine rail transportation system to achieve unmanned intelligent driving of battery electric locomotives， reduce personnel and increase efficiency in the mine， and improve the safety and reliability of electric locomotive auxiliary transportation.

Key Words： 5G network; Electric locomotives; Unmanned driving; Intelligent transportation

本項(xiàng)目利用布置在巷道內(nèi)的5G微基站和地面5G宏基站通信網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化完善無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，開展傳感技術(shù)、無線控制和高帶寬、高可靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車遙控作業(yè)與變速巡航自動(dòng)運(yùn)行，使煤礦減人增效，提高電機(jī)車輔助運(yùn)輸?shù)谋举|(zhì)安全性。根據(jù)海石灣煤礦的軌道運(yùn)輸實(shí)際情況，建設(shè)一套電機(jī)車遠(yuǎn)程自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。通過對(duì)3臺(tái)防爆特殊型蓄電池電機(jī)車和7套氣動(dòng)道岔的改造，建立5G無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)蓄電池電機(jī)車的無人化駕駛、遠(yuǎn)程控制和本地操作功能、運(yùn)輸作業(yè)的可視化監(jiān)控，滿足信集閉的相關(guān)功能確保運(yùn)輸?shù)陌踩o人化駕駛的相關(guān)功能包括機(jī)車定位、視頻上傳、語音通話、自動(dòng)調(diào)速、區(qū)間限速、障礙物識(shí)別、防撞等，確保整個(gè)蓄電池電機(jī)車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。

1 礦用軌道運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

礦用軌道運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)遵循“四高”的設(shè)計(jì)原則，即高可靠性、高技術(shù)、高質(zhì)量、高效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的通信、監(jiān)測(cè)、信息處理、計(jì)算機(jī)等技術(shù)構(gòu)建，以工業(yè)以太網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)、自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，使用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)融合，在技術(shù)上達(dá)到了先進(jìn)性和穩(wěn)定性的統(tǒng)一，在性能上具有很高的安全性和可靠性，在使用上具有維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

2 礦用軌道運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)的技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

井下電機(jī)車全流程無人智能運(yùn)輸系統(tǒng)通過采用井下5G無線通信、多傳感器數(shù)據(jù)融合、無人駕駛自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，完成了井下可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、無線通信、監(jiān)控調(diào)度、電機(jī)車控制、巷道檢測(cè)、信號(hào)控制等多個(gè)系統(tǒng)的智能化改造，實(shí)現(xiàn)了井下無人參與全流程智能化作業(yè)、機(jī)車精準(zhǔn)停靠協(xié)同控制、軌道智能運(yùn)輸與安全行車預(yù)警、無人電機(jī)車自主運(yùn)載與集群調(diào)度等功能，最終達(dá)到了井下作業(yè)無人、安全、智能、高效的目標(biāo)[1]。

整個(gè)方案架構(gòu)分為4層，具體敘述如下。（1）環(huán)境感知層：采用視頻監(jiān)控、激光雷達(dá)、等多傳感器融合，實(shí)時(shí)感知礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)；（2）技術(shù)控制層：通過自主運(yùn)載、遠(yuǎn)程駕駛等多種控制技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無人駕駛設(shè)備的智能作業(yè)；（3）系統(tǒng)應(yīng)用層：將各種控制技術(shù)集成于六大智能管控系統(tǒng)；（4）智能平臺(tái)層：通過數(shù)據(jù)集成、設(shè)備管控、智能調(diào)度三大平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人采礦作業(yè)全流程的整體協(xié)同管控，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的信號(hào)、運(yùn)行、停車全流程無人化作業(yè)[2]。

智能運(yùn)輸系統(tǒng)以自動(dòng)化監(jiān)控室為控制中心、以電機(jī)車為控制對(duì)象、以巷道5G專網(wǎng)通訊為紐帶、以精準(zhǔn)定位為導(dǎo)航，依托自主研發(fā)的機(jī)車移動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)車的精準(zhǔn)控制和協(xié)同調(diào)度。系統(tǒng)所用的工控網(wǎng)絡(luò)是多層總線星型混合結(jié)構(gòu)的二級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主控計(jì)算機(jī)通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)或光纜與控制分站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2 無線覆蓋

本工程除地面500 m運(yùn)輸線路外，其余全部為井下巷道運(yùn)輸線路，很適合采用定向天線進(jìn)行5G信號(hào)覆蓋。在巷道內(nèi)基站天線沿軌道設(shè)置，覆蓋目標(biāo)區(qū)域?yàn)楠M長(zhǎng)條狀地帶，采用窄波束高增益定向天線。

5G車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)接入。 5G終端接入設(shè)備為車載服務(wù)單元，基于IEEE 802.3（以太網(wǎng)）協(xié)議，為電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)。5G車載設(shè)備安裝于電機(jī)車的駕駛室，包括全向天線、饋線和5G終端接入CPE設(shè)備。同時(shí)，5G終端再與車載電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備（攝像頭、雷達(dá)等）進(jìn)行連接，最終統(tǒng)一通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳或下載數(shù)據(jù)[3]。

本工程在車頭前側(cè)安裝一對(duì)車載天線，終端接入設(shè)備則安裝在司機(jī)室內(nèi)。車載天線接收前后向中心接入設(shè)備的無線信號(hào)；系統(tǒng)正常工作時(shí)，終端接入設(shè)備會(huì)判斷前后向的5G信號(hào)強(qiáng)弱程度，并自動(dòng)切換至信號(hào)較強(qiáng)的扇區(qū)一側(cè)。電機(jī)車行進(jìn)過程中，終端接入設(shè)備始終會(huì)接入信號(hào)較強(qiáng)一側(cè)的中心接入設(shè)備。電機(jī)車正常向前行駛，在行駛至CAP1與CAP2之間的路段時(shí)，會(huì)同時(shí)進(jìn)入兩側(cè)中心接入設(shè)備的信號(hào)覆蓋重疊區(qū)域。此時(shí)，車載終端會(huì)判斷前后兩側(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱，并自動(dòng)切換至信號(hào)較強(qiáng)一側(cè)的中心接入設(shè)備，使通信鏈路始終建立在較強(qiáng)信號(hào)的一側(cè)。

海石灣煤礦平硐巷道和車場(chǎng)巷道內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)采用17臺(tái)pRRU7233設(shè)備進(jìn)行開通、1個(gè)2.6 G站點(diǎn)進(jìn)行1785平硐巷道和車場(chǎng)巷道的覆蓋，小區(qū)配置為4T4R，帶寬100 M。按設(shè)計(jì)方案，每臺(tái)pRRU設(shè)備間距為300 m。

對(duì)海石灣煤礦平硐區(qū)自動(dòng)化駕駛路段進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試基站無干擾，機(jī)車導(dǎo)航運(yùn)行圖如圖1所示。

（1）平硐區(qū)自動(dòng)化駕駛路段（車廂外）5G覆蓋平均SS-RSRP在-83.21dB左右，平均SS-SINR在28.34dB左右，最大SS-RSRP在-97dB左右，最小SS-RSRP在-60dB左右。

（2）平硐區(qū)自動(dòng)化駕駛路段（車廂內(nèi)）5G覆蓋平均SS-RSRP在-94.59dB左右，平均SS-SINR在24dB左右，最大SS-RSRP在-110dB左右，最小SS-RSRP在-64dB左右。

2.3 運(yùn)行路線

礦用防爆電機(jī)車運(yùn)輸從海石灣煤礦1785水平平硐乘車場(chǎng)至環(huán)形車場(chǎng)，路程大約3 480 m，中間有7處自動(dòng)岔道。平硐采用雙車道運(yùn)行，機(jī)車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避讓，道岔實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扳道功能控制[4]。

2.4 系統(tǒng)規(guī)劃

2.4.1 礦用車輛管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)依托利雅得電氣開發(fā)的礦用車輛管理系統(tǒng)，以電機(jī)車環(huán)境感知、自主定位、自主避障為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合礦區(qū)5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的遠(yuǎn)程駕駛、智能駕駛、智能調(diào)度。

2.4.2系統(tǒng)組成部分

系統(tǒng)主要由礦用隔爆型車載激光傳感器、礦用本安型車載AI攝像儀、礦用隔爆兼本安型車載計(jì)算機(jī)、礦用本安型邊緣計(jì)算終端、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、礦用本安型讀卡器、車軌協(xié)同系統(tǒng)、語音通話、聲光報(bào)警、地面智能調(diào)度系統(tǒng)等設(shè)備組成。

2.4.3電機(jī)車升級(jí)

在現(xiàn)有CTL8/6GP型電機(jī)車上，增加GUJ20型激光傳感器、KBA12（A）型車載攝像儀與各類智能化信息傳感器、KYH12型控制器、CPE通訊設(shè)備等。對(duì)機(jī)車改造完成后，在不改變?cè)旭{駛模式的條件下，增加了環(huán)境感知避障、地圖導(dǎo)航、自主定位等多種智能功能。

2.4.4電機(jī)車自主避障技術(shù)

升級(jí)后的電機(jī)車具備自主避障技術(shù)，電機(jī)車通過激光雷達(dá)對(duì)軌道前進(jìn)進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)掃描，感知的信息傳輸給電機(jī)車智能駕駛控制（車載計(jì)算機(jī)）中，與計(jì)算機(jī)中的模型自主學(xué)習(xí)對(duì)比，快速、準(zhǔn)確識(shí)別前方障礙物，并快速進(jìn)行自主控制，防止安全事故的發(fā)生。

2.4.5電機(jī)車的自主定位技術(shù)

通過激光雷達(dá)、射頻識(shí)別卡片、融合智能傳感器等設(shè)備，可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體與相對(duì)距離。經(jīng)過車載計(jì)算智能系統(tǒng)的進(jìn)一步處理，結(jié)合知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車主動(dòng)高精度定位，定位精度控制在厘米級(jí)，并且相關(guān)的定位能夠在機(jī)車和系統(tǒng)中實(shí)時(shí)體現(xiàn)行車方向、車號(hào)、位置、狀態(tài)等[5]。

2.4.6車軌協(xié)同技術(shù)

通過對(duì)智能駕駛線路段的信號(hào)燈和道岔設(shè)備的改造升級(jí)，聯(lián)通電機(jī)車與道岔、信號(hào)燈之間的通信，做到電機(jī)車智能識(shí)別道岔狀態(tài)和智能控制道岔動(dòng)作，做到車軌協(xié)同。同時(shí)，電機(jī)車具備檢測(cè)和控制軌道線路信息的技術(shù)，電機(jī)車自主采取相應(yīng)的動(dòng)作措施，可以實(shí)現(xiàn)軌道電機(jī)車的智能輔助駕駛。

2.4.7電機(jī)車智能管理技術(shù)

智能管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)井下電機(jī)車、信號(hào)燈、道岔等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、管控、記錄等功能。智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)作為電機(jī)車調(diào)度中控系統(tǒng)，需要集成接入礦自動(dòng)化管監(jiān)控中心。智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)可以管理電機(jī)車位置和速度等狀態(tài)信息、監(jiān)控道岔信號(hào)燈狀態(tài)信息、發(fā)送指令控制電機(jī)車動(dòng)作、執(zhí)行監(jiān)控調(diào)度和信集閉功能。

3結(jié)語

本文對(duì)海石灣煤礦1785平硐電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的集中控制進(jìn)行了研究和應(yīng)用。本系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)了煤礦系統(tǒng)在軌道運(yùn)輸方面達(dá)到礦區(qū)人力資源整合與智能調(diào)度、安全避讓的合理利用，提高了現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)輸能力。無人駕駛系統(tǒng)在海石灣煤礦的順利投用得到了一致好評(píng)，減輕了電機(jī)車司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化了機(jī)車的運(yùn)輸智能化調(diào)度水平，為海石灣煤礦的智能化進(jìn)程推進(jìn)一步。

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