基于5G網絡的無人駕駛系統在礦用電機車中的應用研究

摘要：智能化礦山是現代礦山企業的發展方向，海石灣煤礦經過近兩年的智能化投入與建設，在礦山的自動化、智能化方面均取得了很大的進步。海石灣煤礦使用的電機車主要承擔著礦井人員、設備、材料的運輸任務。之前依賴傳統的司機控制車輛，司機疲勞駕駛、突發異常情況或其他人為操作失誤容易造成車輛追尾、誤入非行車區域等安全隱患。為了避免發生安全風險，從根本上實現輔助運輸智能安全化，減輕操作人員的勞動強度，需要對礦井軌道運輸系統進行升級改造，以實現蓄電池電機車的無人化智能駕駛，使礦井減人增效，提高電機車輔助運輸的安全性和可靠性。

關鍵詞：5G網絡" 電機車 無人駕駛" 智能運輸

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

本項目利用布置在巷道內的5G微基站和地面5G宏基站通信網絡，優化完善無線視頻監控系統，開展傳感技術、無線控制和高帶寬、高可靠物聯網技術的研究與應用，實現電機車遙控作業與變速巡航自動運行，使煤礦減人增效，提高電機車輔助運輸的本質安全性。根據海石灣煤礦的軌道運輸實際情況，建設一套電機車遠程自動駕駛系統。通過對3臺防爆特殊型蓄電池電機車和7套氣動道岔的改造，建立5G無線通信網絡，實現蓄電池電機車的無人化駕駛、遠程控制和本地操作功能、運輸作業的可視化監控，滿足信集閉的相關功能確保運輸的安全。無人化駕駛的相關功能包括機車定位、視頻上傳、語音通話、自動調速、區間限速、障礙物識別、防撞等，確保整個蓄電池電機車輔助運輸系統的安全、高效運行。

1 礦用軌道運輸無人駕駛系統的設計原則

礦用軌道運輸無人駕駛系統建設遵循“四高”的設計原則，即高可靠性、高技術、高質量、高效率。系統設計采用先進的通信、監測、信息處理、計算機等技術構建，以工業以太網和無線傳感器網、自動控制技術為基礎，使用工業以太環網網絡、控制器局域網（Controller Area Network，CAN）和無線傳感器網絡的網絡融合，在技術上達到了先進性和穩定性的統一，在性能上具有很高的安全性和可靠性，在使用上具有維護性和可擴展性。

2 礦用軌道運輸無人駕駛系統的技術方案

2.1 系統架構

井下電機車全流程無人智能運輸系統通過采用井下5G無線通信、多傳感器數據融合、無人駕駛自動控制等關鍵技術，完成了井下可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、無線通信、監控調度、電機車控制、巷道檢測、信號控制等多個系統的智能化改造，實現了井下無人參與全流程智能化作業、機車精準停靠協同控制、軌道智能運輸與安全行車預警、無人電機車自主運載與集群調度等功能，最終達到了井下作業無人、安全、智能、高效的目標[1]。

整個方案架構分為4層，具體敘述如下。（1）環境感知層：采用視頻監控、激光雷達、等多傳感器融合，實時感知礦山生產作業環境數據；（2）技術控制層：通過自主運載、遠程駕駛等多種控制技術的應用，實現無人駕駛設備的智能作業；（3）系統應用層：將各種控制技術集成于六大智能管控系統；（4）智能平臺層：通過數據集成、設備管控、智能調度三大平臺，實現對無人采礦作業全流程的整體協同管控，實現機車的信號、運行、停車全流程無人化作業[2]。

智能運輸系統以自動化監控室為控制中心、以電機車為控制對象、以巷道5G專網通訊為紐帶、以精準定位為導航，依托自主研發的機車移動控制器，實現了對電機車的精準控制和協同調度。系統所用的工控網絡是多層總線星型混合結構的二級網絡，主控計算機通過工業環網或光纜與控制分站實現數據交換。

2.2 無線覆蓋

本工程除地面500 m運輸線路外，其余全部為井下巷道運輸線路，很適合采用定向天線進行5G信號覆蓋。在巷道內基站天線沿軌道設置，覆蓋目標區域為狹長條狀地帶，采用窄波束高增益定向天線。

5G車載設備實現各業務接入。 5G終端接入設備為車載服務單元，基于IEEE 802.3（以太網）協議，為電機車無人駕駛系統提供高速數據傳輸網絡和信息服務。5G車載設備安裝于電機車的駕駛室，包括全向天線、饋線和5G終端接入CPE設備。同時，5G終端再與車載電機車無人駕駛系統相關的設備（攝像頭、雷達等）進行連接，最終統一通過5G網絡上傳或下載數據[3]。

本工程在車頭前側安裝一對車載天線，終端接入設備則安裝在司機室內。車載天線接收前后向中心接入設備的無線信號；系統正常工作時，終端接入設備會判斷前后向的5G信號強弱程度，并自動切換至信號較強的扇區一側。電機車行進過程中，終端接入設備始終會接入信號較強一側的中心接入設備。電機車正常向前行駛，在行駛至CAP1與CAP2之間的路段時，會同時進入兩側中心接入設備的信號覆蓋重疊區域。此時，車載終端會判斷前后兩側信號的強弱，并自動切換至信號較強一側的中心接入設備，使通信鏈路始終建立在較強信號的一側。

海石灣煤礦平硐巷道和車場巷道內5G 網絡采用17臺pRRU7233設備進行開通、1個2.6 G站點進行1785平硐巷道和車場巷道的覆蓋，小區配置為4T4R，帶寬100 M。按設計方案，每臺pRRU設備間距為300 m。

對海石灣煤礦平硐區自動化駕駛路段進行測試，測試基站無干擾，機車導航運行圖如圖1所示。

（1）平硐區自動化駕駛路段（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）平硐區自動化駕駛路段（車廂內）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 運行路線

礦用防爆電機車運輸從海石灣煤礦1785水平平硐乘車場至環形車場，路程大約3 480 m，中間有7處自動岔道。平硐采用雙車道運行，機車實現自動避讓，道岔實現自動扳道功能控制[4]。

2.4 系統規劃

2.4.1 礦用車輛管理系統

本系統依托利雅得電氣開發的礦用車輛管理系統，以電機車環境感知、自主定位、自主避障為技術基礎，結合礦區5G無線網絡技術，實現電機車的遠程駕駛、智能駕駛、智能調度。

2.4.2系統組成部分

系統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算機、礦用本安型邊緣計算終端、信號轉換器、礦用本安型讀卡器、車軌協同系統、語音通話、聲光報警、地面智能調度系統等設備組成。

2.4.3電機車升級

在現有CTL8/6GP型電機車上，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通訊設備等。對機車改造完成后，在不改變原有駕駛模式的條件下，增加了環境感知避障、地圖導航、自主定位等多種智能功能。

2.4.4電機車自主避障技術

升級后的電機車具備自主避障技術，電機車通過激光雷達對軌道前進進行高速動態掃描，感知的信息傳輸給電機車智能駕駛控制（車載計算機）中，與計算機中的模型自主學習對比，快速、準確識別前方障礙物，并快速進行自主控制，防止安全事故的發生。

2.4.5電機車的自主定位技術

通過激光雷達、射頻識別卡片、融合智能傳感器等設備，可以準確測量視場中物體與相對距離。經過車載計算智能系統的進一步處理，結合知識庫，實現電機車主動高精度定位，定位精度控制在厘米級，并且相關的定位能夠在機車和系統中實時體現行車方向、車號、位置、狀態等[5]。

2.4.6車軌協同技術

通過對智能駕駛線路段的信號燈和道岔設備的改造升級，聯通電機車與道岔、信號燈之間的通信，做到電機車智能識別道岔狀態和智能控制道岔動作，做到車軌協同。同時，電機車具備檢測和控制軌道線路信息的技術，電機車自主采取相應的動作措施，可以實現軌道電機車的智能輔助駕駛。

2.4.7電機車智能管理技術

智能管理系統負責井下電機車、信號燈、道岔等狀態的監測、管控、記錄等功能。智能監控調度系統作為電機車調度中控系統，需要集成接入礦自動化管監控中心。智能監控調度系統可以管理電機車位置和速度等狀態信息、監控道岔信號燈狀態信息、發送指令控制電機車動作、執行監控調度和信集閉功能。

3結語

本文對海石灣煤礦1785平硐電機車運輸系統實現自動化、智能化的集中控制進行了研究和應用。本系統研究并實現了煤礦系統在軌道運輸方面達到礦區人力資源整合與智能調度、安全避讓的合理利用，提高了現有設備的運輸能力。無人駕駛系統在海石灣煤礦的順利投用得到了一致好評，減輕了電機車司機的勞動強度，優化了機車的運輸智能化調度水平，為海石灣煤礦的智能化進程推進一步。

參考文獻

[1]許毅，王婷婷，王家星.智慧停車系統中典型終端可靠性與測試裝備研究[J].環境技術，2021，39（4）：185-192.

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[3]楊榮明，丁震，楊健健，等.基于平行控制理論的礦區無人駕駛卡車仿真系統[J].工礦自動化，2022，48（11）：80-83，100.

[4]姬江濤，王啟洲，張玉成，等.無人駕駛農機裝備的模糊PI-LQR轉向控制算法[J].河南科技大學學報（自然科學版），2024，45（3）：9-16，115，4.

[5]伍錫如，林鈺睿.可變形特征融合的無人駕駛系統三維車輛檢測[J].激光雜志，2024，45（8）：69-75.