井下电机车无人驾驶系统的设计

童 春

安徽铜冠(庐江)矿业有限公司 安徽合肥 231563

无人驾驶是车子脱离了驾驶员，能够自动完成驾驶员所做的各项事情，它需要运用各种技术手段相结合来完成机器对人工的替代，现阶段“无人”分为两种，一种为远程遥控操作，另一种则是利用系统编程实现完全无人驾驶。本文设计的电机车无人驾驶系统就是利用智能系统连接驾驶室，完全代替人工进行运输作业。例如，通过安装感应器等了解电机车路况行驶信息、行驶位置以及是否有障碍物等信息；采用强大的算法系统，通过收集电机车从停车点到放矿漏斗再到矿仓放卸矿的工作过程建立其运行模拟控制系统，使得电机车能够根据系统发出的信号完成定点停车、定点启动、定点加速、定点转向等动作。工人仅仅需要在调度室内通过大屏幕实时检测电机车的运行状态及各个参数，这进一步提高了安全运输的性能。

一、井下电机车无人驾驶系统的现状分析

随着社会的发展，无人驾驶技术逐渐应用到井下采矿中来，从井下遥控铲运机出矿到远距离遥控出矿，再到井下运输系统运输的智能化，井下采矿无人化的实现不再是空谈。随着人工智能技术的高速发展，井下无人驾驶技术越来越成熟，将人工智能技术、自动定位技术、传感避障技术以及自动控制系统等技术结合起来，在一定范围内可以实现井下的无人作业。尤其是井下无轨运输系统，通过现场的数据采集分析，利用先进系统，完全可以实现运输的无人化作业。减少井下人工成本，提高安全生产系数。

二、沙溪铜矿的工作现状

沙溪铜矿采用地下方式开采，主要分为10个大中段，分别是-160m中段、-290m中段、-410m中段、-530m中段、-650m中段、-770m中段、-800m中段、-850m中段、-910m中段以及-970m中段，其中自地表-160m中段到井下-770m中段为出矿中段，-800m中段为环形矿体的主要阶段运输水平，承担着整个矿山矿废石的运输，而-850m中段到-970m中段则为破碎提升中段。-800m运输巷道采用沿、穿脉环形运输，矿石运输系统采用斜井—皮带运输，其主要过程是：采场矿石爆破进入出矿采场→电动铲运机回采出矿→采区溜井→-800m中段环形运输系统震动放矿机→CJY20/9GP架线式双机牵引电机车牵引20立方米侧卸式电机车→矿石仓→-850m中段破碎系统→-910m皮带运输→主井提升→地表大矿仓。

三、电机车无人驾驶系统结构设计

通过-800m中段的现场数据采集，我们了解到电机车的运输过程为从停靠点出发，然后到震动放矿机处放矿，最后到矿仓进行卸载矿石，循环往复，根据其工作的过程我们设计如下的电机车无人驾驶系统。

整个无人驾驶系统由调度控制中心、信号传输系统以及系统终端三大部分结构组成，具体如图1所示，各部分具体介绍如下：

图1 电机车无人驾驶系统结构图

(一)调度控制中心

调度控制中心由四部分结构组成，分别是遥控台、机车监测服务器、视频监控服务器以及调度服务器。通过安装系统工作台使得工人不仅可以在调度室内观察并监视整个运输系统的无人驾驶，还可以通过操作台进行遥控操作电机车设备运行，此操作台的按键手柄完全按照电机车驾驶室内的操作装置一比一还原，不存在遥控操作不习惯的问题。同时在调度室的显示屏幕上可以实时显示电机车的运行状态，如电机车的运行速度、电机车的实时位置定位以及电机车的运行参数等信息。这样有利于操作人员更好地了解设备的运行情况，一旦发现参数异常，可以立即安排专业人员进行处理，省时高效，实现了对电机车实时监控。同时井下运输中段布满了监控摄像头，如各个放矿漏斗、矿废石仓、各个道岔等地点实施保证电机车在人员的监控之下运行，例如，矿仓、废石仓等地点通过安装料位检测器对井下的矿位进行实时检测，而摄像头和检测器通过接入井下的网络系统将实际信息回传到调度室的显示屏幕上，通过检测电机车所在的实时位置，合理对电机车编组进行任务分配调度，最后通过系统控制每个电机车单元进行独立作业，使其能够按照排班要求完成任务。

(二)信号传输系统

信号传输系统是整个电机车无人驾驶系统的核心部分，所有通信设备的接入管理，以及整个电机车自动运输命令的下达、各台电机车相关信息的传达，甚至视频监控信息的转接等都是通过其完成的。信号传输系统主要是由各个点建立的信号联络站(即通信基站)、用于数据交换处理的核心交换机及井下所有的网络传输系统组成。利用无线网进行数据传输，通信基站通过数据收集，将电机车在行驶过程中的各种运行参数、轨道行驶状况以及周边环境的相关信息在电机车内部安装的车载无线终端和控制中心之间相互传递。通过不断传输相关信息，及时反映出电机车是否在正常运转以及周边生产环境是否正常等。

(三)系统终端装置

(1)电机车无线终端。安装在驾驶室内，作为一条信息接收与传送的主要端口，以无线网络连接为纽带，通过与各个点建立的信号联络站(即通信基站)进行数据联络，随时随地将电机车收集的相关数据进行无障碍传输。

(2)车载控制器。其有三种作用，分别是操作电机车是否开启、是否提前刹车关闭电路、分析电机车运行时的设备参数和传输与接受在运行过程中收集的各种信息以及调度控制中心所下达的各种生产指令，并根据相应程序完成相应的工作指令来达到控制电机车的目的。

(3)信标器。主要作用为对井下的作业环境进行感知，同时提供电机车的实时位置。

四、电机车无人驾驶系统中所需要攻关的一些关键技术

(一)电机车工作环境的探测与感知技术

电机车工作环境的探测与感知技术是将不同的感应器(即传感器)安装在车子的不同部位，以此来达到对电机车运行过程中周边环境信息的收集与分析的目的。这是电机车无人驾驶系统实现的前提，也是整个系统能够平稳安全正常行驶的重要保障，例如，在车上安装距离传感器和摄像头来实现环境的感知，在放矿漏斗处安装料位传感器以此来监控矿车是否放满，从而来控制放矿漏斗的开关等。

通过安装的传感器不断地发出以及接受反射的信号，利用大数据分析技术，得出周边物体与电机车之间的实际距离。如果出现异常情况立即向控制台发出警报并停车，等待专业技术人员的检查与维修。另外，通过在车上安装定位器实时确定电机车的位置。当经过路口时，控制台通过反馈回来的位置信息，根据电机车要行驶的方向，及时向路口的带道器发出指令进行变道作业，带道器根据指令自动进行变道，确保列车能够在正确的轨道上行驶。现阶段市场上的传感器所发出的信号强度相对来说还是很高的，其抗干扰能力也是非常强的，在一定程度上来说还是比较适合井下运输中段大范围探测的，在井下各个点均可正常使用。但是好的传感器在市场上价格也是很高的，这可能会导致其生产成本也比较高，另外现阶段的传感器还存在着一些问题，例如，一些感应传感器在使用过程中由于一些环境的影响还可能会造成检测结果延迟的问题等，但是在一定程度上，现阶段市场上的传感器适用于井下生产使用。

视觉的检测主要是通过在井下运输巷道各个关键点以及电机车上安装的高清摄像头进行周围环境的拍摄，利用网络传输平台将摄像头检测的画面传回调度室的主机，通过人工智能技术对传回的画面信息进行分析比对并做出最佳的处理指令，代替人工进行智能化的科学处理。通过与系统设计的基本数据进行比对，发现异常时及时发出警报，并对收集的信息进行储存优化，通过不断的调试达到最优解。视觉检测需要对摄像头传回的信息进行全面处理，并根据处理的信息通过人工智能做出正确的判断，图片信息的处理，依赖于强大的计算机算法，现阶段这种算法已普遍应用到无人驾驶汽车了。相对来说这种技术还是比较成熟的，完全可以在电机车上实现。

(二)障碍物的感知与自动躲避

通过相应的技术手段获得了电机车运行状态和周边的环境条件后，就要考虑电机车在自动运行时对前方障碍物的感知与自动躲避，而实现这个目标对技术的要求非常高。现阶段实现电机车自动驾驶过程中对障碍物的感知与自动躲避主要采用三种方法，具体内容如下：

运动障碍物检测技术需要结合环境感知技术，通过分析检测到的电机车周围环境信息，分析出正在运动的障碍物后进行避障。常用的障碍物检测法有实体类聚法、地图坐标差分法和目标跟踪法。实体类聚法基于数据信息分类实现，将传感器采集到的环境信息进行障碍物分类，由此可以更好地记录每个障碍物的运动状态；地图坐标差分法是通过分析地图上障碍物分布情况来记录物体的运动信息，并对运动状态进行估算；目标跟踪法是通过跟踪分析系统已经记录的该检测目标的信息，估算下一时刻的目标信息。

障碍物轨迹预测技术原理为：当无人驾驶测控系统采集到障碍物的运动状态后，通过运动预测算法描绘出其运动轨迹，并判断是否与电机车自身预设的行驶轨迹相交，采集的信息越多，算法越精确。若算法最后的结果是两个轨迹相交，则需要无人驾驶测控系统给出相应的避障指令。该类技术主要采用人工智能技术和机器学习算法做出相应的避障决策，以及重新设计电机车的行驶轨迹。

(三)电机车运行状态的跟踪与实时位置的定位

通过在电机车上安装相应的定位装置，根据定位装置不断反馈的信息就可以实时了解到电机车运行到了哪个地方，以及其在向哪个方向行驶，从而实现了电机机车运行状态的跟踪与实时位置的定位。这全部都依赖于当今可以定位科技的发展，现阶段一些常用的定位器、追踪器等装置技术非常成熟，已经广泛运用到我们的实际生活当中来了，例如，现在的无人汽车定位技术、手机定位等，一般来说常用的定位技术有惯性定位技术和无线定位技术两种。

惯性定位技术主要是通过在电机车上安装惯性定位装置即可完成电机车的定位，不需要使用电机车自身之外的辅助设备，定位的精度由惯性定位装置的测量精度决定。该技术不受电机车行驶环境影响，能够自主完成定位，具有高可靠性。但由于该技术不与外界通信，导致只要内部出现问题，就有可能一直存在，井下产生累积误差，使定位精度越来越低。

无线定位技术通过电机车与外部设备进行无线通信获取电机车的位置信息。无线定位技术定位范围大，不会产生累积误差，但是由于电机车的运行环境多样化，无线通信不一定都能完全适应，因此有可能导致定位精度降低。无线信号的传输和接收过程需要时间，所以无线定位还具有一定的延退性，但是可以通过对无线定位算法的改进来消除延迟误差。

(四)电机车自动运行的控制技术

电机车要实现无人驾驶，首先还是要从电机车的操作上入手。从启动到在行驶到井下不同的位置时，如在直道上需要进行加速而过弯道和矿仓时则需要减速，而在放矿点或遇到障碍物时则需要停车。这都需要在进行编程前对设备的运行参数进行详细的收集，然后将收集的数据变成二进制语言，编好一整套从设备启动开始到卸矿结束这一整套流程的稳定控制程序，利用电脑来对电机车进行操作，使得电机车能够根据程序控制进行周而复始的拉矿卸矿作业。

现阶段井下运输大多是铺设轨道，让电机车在轨道上行驶，这对电机车的使用性能要求非常高，首先它要符合井下的生产环境及生产能力，具备矿安标志，抗大爆破冲击波的冲击能力较强，还应该具备防爆、防潮、防漏电等其他相关的安全性能。

五、此系统实施后具有的一些优点

相较于传统的人工驾驶，电机车无人驾驶有以下几个方面优点。首先，解决了现阶段金属矿山井下人力资源不足的问题，将电机车驾驶员释放了出来，解放了矿山的劳动力，改变了传统的运输方式。其次，电机车无人驾驶更能稳定运输矿废石，提高运输效率减少了人为的失误，增加了井下自动化的进程，提高了安全生产系数，节约了大量的人工成本，是建设数字化、智慧化矿山，实现智能采矿的重要组成部分。再次，实现了轨道的自动变道，节约了生产时间，并且实现了管控一体化、可视化项目，通过应用自动化控制、大数据收集与分析，远程遥控系统等高新技术将整个运输过程采集汇总，利用编程技术进行统一管理，设备根据系统发出的指令按顺序进行车辆自检、启动运行、放矿作业、卸矿作业等一系列工作流程，各编组相互独立，互补影响，有序地进行井下的运输作业，实现了运输的半自动化甚至全自动化，进一步减少了井下工人的劳动强度，提高了运输的效率，改变了运输工的工作环境，同时对井下的安全工作的开展影响深远，增加了矿山开采的安全系数。最后，将电机车驾驶、溜井放矿两个岗位合二为一，优化了劳动组织。在一定程度上使得井下的运输效率有所提高，对企业的降本增效、安全生产有着重要的意义。

结语

综上所述，作为我国重要的资源，矿山的开采对保障我国的资源安全，提高对矿产资源的开采率和利用率有着十分重要的意义。在此背景下，本文通过深入分析研究无人驾驶电机车的结构和关键技术，为真正实现矿产资源的智能化开采、自动化开采，提高矿产资源开采的效率提供有力的技术保障。