基于5G通信技术的地下遥控铲运机开发及应用

牟少良

（山金重工有限公司）

近年来随着浅部矿产资源的枯竭，金属矿产资源开采逐步向深部发展。深部开采存在高温、高压、高湿、通风差等不利因素，恶劣的环境对采矿工人的生命健康和设备的安全使用造成威胁，增加了深部开采的难度。根据国家对智慧矿山、数字矿山建设的总体要求，矿业装备朝着智能化、数字化方向发展，各个矿山装备机械化、智能化水平越来越高。随着第五代移动通讯技术的发展及基础设施的不断完善，促使超视距控制技术在无轨装备上得以实现。

2019年，山东黄金莱西金矿成功实现首批5G基站的部署，成功实现了井下-500 m水平矿井5G信号的全覆盖，在此背景下，开发基于5G通信技术的超视距遥控铲运机成为可能。根据现场调研，对设备的结构、液压控制系统、电气控制系统、通信传输路线架构进行了设计研发［1-5］。

1 遥控铲运机的基本技术参数及功能

1.1 设备技术参数

现场调研莱西金矿巷道断面尺寸、5G通信系统的信号传输延迟率、相关配套部件功能损耗等工作参数以及工作安全性，结合国家标准《地下铲运机》（JB/T 5500—2015）要求，设计设备主要技术参数见图1。

?

1.2 遥控铲运机功能规划

铲运机用于井下矿石爆破后松散物料的铲装和运输工作，根据其功能和超视距遥控的特殊情况，结合以前视距控制铲运机开发经验，制定该设备满足实际生产具备的功能如下。

（1）操作人员在地面控制中心通过操控平台远程操控铲运机，实现启动、行驶、转向、工作、停止等功能。

（2）车辆需具有本地和远程控制2种模式。

（3）可以实现一个操控平台对多台遥控设备的操控，即实现一控多功能。

（4）车辆具备作业环境视频监控采集、环境CO浓度实时监测及数据上传显示功能。

（5）运行状态与工况信息（包括速度、转角、倾角等姿态参数及压力、时间等系统参数）实时采集上传显示功能。

（6）设备故障监测、异常诊断及运维提醒报警自动停机锁车安全保护功能。

（7）360°视频监控配合毫米波雷达，同时视频画面及雷达距离提示为驾驶员操作提供依据。

（8）工作状态下设备在网络突然中断的突发状况下自动制动、进入空档停车状态。

2 远程控制路线确定及系统设计

对现场井下5G网络的布置调研，通过专业网络公司来了解5G移动通信架构布局及相关5G配套产品的功能特性，确定总体的超视距控制系统方案及路线。

总的控制路线：操控室内工人通过集控操作台发出的指令通过集采中心统一采集发送给地面控制中心，地面控制中心对数据进行处理后经路由器通过5G通信传输至井下基站，基站发射无线信号通过车载CPE进行接收，然后通过路由和网关将信号转换为指令发送给车载控制中心，由车载控制中心控制各部分进行动作。具体控制路线图如图1所示。

2.1 遥控铲运机系统组成

遥控铲运机因为其遥控的属性，需要经过远程操控、指令的网络传输、指令的本地接收和执行等步骤，因此需要井上主控台发出指令，通过主控系统进行控制。由于设备远离人的视线，现场工作画面需要通过视频采集系统进行回传，增加360°全景影像及雷达避障系统可以准确对设备当前位置进行定位，行进过程中及时躲避障碍物。考虑到智能矿山的建设，设计设备状态信息采集系统及故障报警系统，可以动态监测设备运行状态，通过设备运行状态大数据及时对健康状况进行综合分析，配合故障报警系统及时发现设备故障并进行诊断，防止设备损坏或安全事故发生。

遥控铲运机结构包括机械结构、液压系统、远程操作台、车辆主控系统、视频监控系统、信息采集及反馈系统、360°全景影像及雷达避障系统。液压系统由工作液压系统、转向液压系统、行驶液压系统和卷缆液压系统组成。

2.2 各组成系统设计

（1）机械结构。机械部分按照1 m3铲运机标准设计前机架装配体、后机架装配体、铲斗和附件结构。

（2）液压系统。按照原1 m3铲运机的液压系统进行电气化设计，将液压部选型设计为电液比例控制，为后期远程电控做准备。

（3）车辆主控系统。通过在地面集控中心设置集控平台，将转向、工作、前进、后退、制动、启动、停止等信号通过集中采集模块输入计算机进行分析计算，然后通过以太网将信号传输到井下基站，通过铲运机上的CPE接收基站发出的信号（或者通过集成在铲运机后部电缆内的网线实现有线连接，减少信号衰减），随后经过路由器通过车载ProfiNet网桥将工业以太网与现场总线对接，实现与现场工控机的直接通信。最后由现场工控机通过现场CAN总线对车辆的各电液比例阀进行精准控制，最终实现车辆的工作和运行。

（4）视频监控系统。在设备前侧安装摄像头用于行进时观察前部路况。在左右两侧安装2个后方向摄像头用于观察左右两侧巷道及车辆后部情况。在后侧安装1个摄像头用于观察铲斗举升高度位置，防止操作时铲斗碰触巷道顶部。该系统采集的图像信息实时上传并在主控制室显示。

（5）信息采集及反馈系统。该系统对整车的运行参数、工况信息及周围环境信息进行实时采集上传，并在操控室状态监测系统显示分屏上显示。对于采集的信息经控制中心进行分析，当发现异常时主动采取相应措施规避风险，防止事故发生和设备损坏。

（6）360°全景影像及雷达避障系统。在铲运机上使用了车载360°全景影像及雷达避障系统，根据设备的运动随动式显示车辆前后左右车体画面，用于操作者操作时无法获知设备位置的不适应感，帮助操作者适应远程操纵的不适应感。前后左右4个雷达实时显示车辆距四周的距离，超过设定距离时设备及时停车规避危险。

3 安全控制策略的制定及程序的编制

设备属于远程控制，人员不能观察设备的异常并做出快速判断，所以遥控操作设备一旦发生异常或者失控，对周围人员及设备的危害极大，极易造成人员伤亡和设备损坏。在总结前期常规设备使用中存在的风险点基础上，对新型的超视距铲运机存在的风险，特别是遥控状态以及通讯中断状态下设备自动控制安全策略进行详细规划和编制。

4 项目创新及应用

4.1 创新点

（1）控制系统采用CAN总线技术，铲运机的启动、加速、行驶、工作、停机等全过程在本地控制的基础上实现远程控制功能。

（2）开发的车载主控系统及远程集控平台操作系统实现了由控制中心发送指令，操作人员通过电子屏幕对铲运机进行远程控制，完成启动、熄火、前进、后退、左右转向、升降动臂、收翻铲斗、制动、停机等全过程动作。

（3）通过传感器和信号采集模块，对铲运机的运行压力、温度、速度、转向角、倾斜角度、运行时间及CO浓度等信息进行采集、监测、传输及数据处理和存储，并具备异常报警和定期维保提示功能。将公路车辆的360°全景监控技术首次应用于井下铲运机，使操作者能直观有效掌控现场环境信息，进一步提高设备运行的安全性。

（4）开创性地在电动铲运机上实现了地下基站与设备的有线通信，即将网线集成在电动铲运机的后部拖曳电缆中，设计了专门用于铲运机的网线滑环，将网线的直线运动变为卷筒的旋转运动。该方法有效减少了无线传输带来的信号衰减，保证车辆的操控安全性和减少数据传输丢失。

4.2 实际应用

该设备经设计制造完成后，于2019年11月在莱西金矿进行了5G通信网络下的应用测试，经现场调试和测试，各项功能均符合预定要求。后续应用该技术研发的3 m3智能铲运机顺利在焦家金矿井下-77 m水平得到应用。

5 结 论

经过对铲运机液压系统进行电气自动化配置设计，规划遥控控制路线，并对控制系统进行了规划设计，增加故障诊断、视频实时显示控制系统及雷达避障系统，最终完成了基于5G通信技术的遥控铲运机设计开发项目。通过在5G移动通信场景下的遥控实验，设备完全实现了行驶、工作、视频监控、避障等功能，各项参数指标符合国家技术要求和预期。