无人驾驶技术在紫金山金铜矿大规模轨道运输实践

夏 林 曹志刚 谷彦博 黄新彦3

（1．紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿；2．北京速力科技有限公司）

面对矿业现代化发展趋势，国内地下开采轨道运输逐渐向自动化、无人化方向探索，目前国内大部分电机车无人驾驶技术仍处于小规模试验性应用阶段。紫金山金铜矿330 m水平运输巷道电机车无人驾驶系统于2019年9月实现了11台串电阻调速电机车同时运行，实现了基于串电阻机车在地下金属矿复杂轨道及大规模运输环境下的无人驾驶运输系统［1］。

1 工程概况

紫金山金铜矿330 m矿石运输水平采用有轨运输方式，运行11～12台ZK20-9/550-2c型架线式井下矿用双机牵引电机车，底侧卸式矿车，每节车厢容积为12 m³，载重约为16 t/节。机车依次在溜井装矿后出硐，通过2万t和8 000 t卸矿站自动卸矿。其中，电机车为配有2台直流85 kW电机的20 t机车，调试采用串电阻方式，司控器通过中间继电器，控制直流接触器改变直流主回路的相应触点闭合，通过改变电机的转向和所串接电阻大小来调速。电机车采用给风制动方式，司机室有小型的通风机，主电机的接线盘和空压机改装到车盖板上部，空间大便于维修，司机室配置了电台便于调度和通讯指挥［2］。

井下运输作业全部为人工驾驶，人工参与程度和操作要求高，存在以下问题。

（1）安全风险大。有轨电机车人工驾驶时，经常出现由于人员操作失误，跟车距离近，人员疲惫等问题导致的机车跳轨、追尾等问题，同时井下属于硐室片帮、冒顶多发区，人工驾驶电机车发生安全事故、井下人员伤害、工亡等概率大。

（2）工作环境差、职业健康水平低。由于井下阴暗潮湿、粉尘大及电机车运输过程噪音大，造成电机车司机、井下放矿人员等职业健康水平程度很低。

（3）手动操作、人员劳动强度大。由于井下条件限制，电机车驾驶室尺寸狭小、自动化程度低，再加上井下工作环境恶劣，长时间驾驶容易造成井下电机车司机疲劳，且劳动强度大。

有轨运输无人驾驶电机车的改造实施，可加速数字化矿山的发展，现场不需要操作工人的驻守，按计划自主运行可有效缩短生产安排时间，地表远程操控实现了电机车司机的本质上安全生产。基于以上背景，2018年紫金山金铜矿开始进行井下电机车无人驾驶关键技术开发及应用研究项目，对无人驾驶系统相关配套硬件及软件进行了系统化的设计，实现了有轨电机车在无人驾驶模式下自动运行、精确定位、自动道岔、一控多、与控制中心数据交换等功能。

2 无人驾驶系统研究与实施

根据生产现场的工艺、流程，经技术讨论后确定了具备远程遥控、自动驾驶的电机车无人驾驶的解决方案。电机车能够全自动无人驾驶运行，按照目前现状，设置遥控操作台6个，实现控制室内一人操控井下多台电机车，取消放矿岗位工，减少电机车驾驶员，提高作业效率。

为实现目标，需要对现场配套设施进行改造和建设。有轨运输无人驾驶系统建设主要包含电机车本体改造、车辆速度监测与固定点定位单元、无线和光纤网络通讯网络、信集闭控制系统、井下人员定位单元、溜井远程装矿控制单元以及调度控制中心系统单元。有轨运输无人驾驶系统的构成框架中包含地表智能控制和井下控制2部分：地表智能控制系统主要包含工业交换机、服务器、远程操作台、调度台等设备；井下部分主要包含无线WIFI通讯、装矿控制、转辙机控制、定位系统、机车ATO控制、重要点位视频监视等。机车上的控制数据和视频画面通过客户端和巷道里的基站进行数据交换，再通过有线网络传输至地表控制室，使得操作员能够清晰了解机车和现场情况。

为实现有轨运输无人驾驶系统，需要改造电机车、安装精准定位设备、搭建无线和有线网络、改造信集闭系统、建设人员定位系统、改造放矿系统、建设控制中心等。

2.1 电机车改造

为了实现电机车的远程控制，需要对电机车进行全方面的改造工作，其中包含制动缸改造、受电弓改造、自动控制改造等。

改造应按设备使用情况综合考虑，特别老旧接近报废年限的车辆需通过购买全新变频控制带远程监控功能的电机车；一般状态良好的电机车利用原调速控制电路，只改造受电弓、手刹车、中间控制继电器，增加远程控制系统的方式。此种方式对保存的电机车备件可以继续发挥作用，不仅降低投资和维修费用，还对运行维护有利。在此针对现有的16台20 t电机车进行断气刹、受电弓、自动控制改造［3］。

2.1.1 制动缸改造

原电机车机械刹车部分为给气刹，如机车在运行过程中出现气缸泄露、空压机损坏、制动电磁阀不动作等任何一个故障时，将会引起电机车无法制动，进而导致事故发生。为保证电机车能够在断电、气罐没气、电制动失效等特殊情况下能够自动停车，特此将机车机械刹车方式改为断气刹，从而可以有效避免这些危险发生。断气刹气缸体有2个进出气孔，一个为常用制动，一个为停放制动，其原理为当常用制动气孔无气压时，停放制动进出气孔充气，将缸体内制动弹簧压缩，推杆缩回，停放制动处于未施加状态；当气缸均无气压时，缸内弹簧自动弹出，推杆伸出，制动施加，实现了气压故障时停车的连锁控制。

2.1.2 受电弓改造

原受电弓为拉升式，需要司机在驾驶室内通过手拉绳索完成升降弓操作。为满足机车在运行过程中实现自动升降弓操作，将原受电弓更换为气动受电弓，从而实现远程控制。因为整个无人驾驶系统设计为自动运行方式，在机车经过溜井、岔尖划线交汇处、卸矿站、道口等位置需要能够实现自动升降弓操作，故废除原手绳拉弓方式，更改为气缸升降弓方式，从而实现了受电弓的远程控制，为无人驾驶的实现创造了条件。

2.1.3 自动控制改造

要在串电阻电机车基础上实现自动驾驶目的，首先要对机车本体的电气回路进行改造，使机车能发送和接收信集闭信号，接受自动化系统控制指令；还需要对机车机械部总建进行改造以执行指令，在机车本体增加无线通讯设备、协议转换设备、转速测速装置，在前端增加雷达障碍物检测装置和精确定位信息扫描设备，以及在各位置增加机车视频等，最终将牵引系统与机车本体控制融合调试，实现电机车的远程自动控制。

2.2 精准定位设计

电机车在井下运输路段远程遥控以及智能行驶过程中，精准定位是最基本的前提条件，是实现全自动运行的基础，只有时刻掌握机车在巷道内的实时位置信息，才能对下一时刻的控制进行决策分析控制。由于电机车在井下运行，暂不能使用GPS卫星信号进行定位，因此针对有轨运输电机车的运行特性，采用独立定位技术。

精准定位具体实现方法：根据轨道情况、关键设备点以及精度要求，对全程路径做出系统精度规划，配合车速计数进行精准定位。电机车在运行过程中，中央控制单元对矿车上安装的从动测速编码器数据进行读取，然后再对其进行积分运算，计算出位移累加值，进而能够实时确定电机车在路段上的具体位置，采用矿车从动测速的方式消除了因机车头打滑产生的位置累计错误。同时运用射频识别RFID技术，巷道内放置多处RFID标签，每一个标签都具有唯一的ID号，电机车上安装标签扫描设备，该设备将扫描到的标签ID号实时传递给电机车无人驾驶控制系统，系统将所有布置在巷道内的标签与标签所在的位置信息进行关联，以便电机车经过标签时进行位置修正，确保累积误差在合理范围内，进一步增强了机车定位的准确性。

2.3 系统网络设计

系统主干网络整体由光纤网和无线网组成，分为视频、控制、定位3个网络单位，肩负着井下视频传输、设备信号采集与控制、人车定位的重任。三网分离的网络设计能够保证整个系统的稳定可靠，避免单点故障。本系统采用统一标准的工业以太网网络架构以及当前国际流行的有线和无线相结合的技术方案，有线基础网络架构基于1 000 Mb/s光纤以太网而构建，无线网状架构则基于标准WIFI技术，为井下设备的数据传输提供了可靠的通讯平台。井下和井上通讯通过工业级千兆交换机组成一个有线环网，增强网络的稳定性。井下的无线基站通过有线接入到矿用千兆交换机，从而保证了数据交换的速率。巷道内的电机车、手机、电子定位卡等无线设备和附近的WIFI基站进行实时通讯，将数据传送到地表控制中心。

2.4 通讯系统

本次的通讯系统建设是以光纤有线网络为骨干，根据信息内容划分为视频、控制、定位3个子网网络单元。按空间分布情况将网络系统分为三级网络，单模光纤接入网、巷道无线接入网及电机车本体网络。

330 m矿石运输水平的无线网络是井下电机车与无人驾驶自动化系统传输的纽带。在井下根据巷道情况，设立若干经过信道规划好的无线AP（基站），使用无线网络完美覆盖井下电机车运输巷道，尽可能压缩信号在基站间切换时间。保留现有对讲机系统，利用WIFI客户端实现电机车与控制中心的通讯功能，并将电机车的视频信号传输给地面主控室，以便远程操作员能及时确认机车周边情况，从而实现地表操作室与地下机车调度通讯一体化，设备信息监测综合数据同步传输。无线AP架构设计：根据330 m水平平巷中装矿点、道岔、架空线间断等重要位置情况，布置一定数量的矿用基站，保证网络覆盖范围内无线信号质量。在条件较好的巷道内，可通过测定信息强度来确定2个基站的合适距离，特别要测试转弯处的信号强度情况，降低信号间相互影响，使两基站的通信距离调整到最佳状态。基站配置定向天线用以覆盖巷道内来车方向，天线和基站之间通过射频线连接，可以插拔。井下基站就近接入千兆骨干交换机，由此实现地面调度中心与井下基站之间建立通信连接，与此同时所有基站之间通过光纤连接，并在条件允许的区域组成子环网。无线基站的布置应避免通信盲区，同时结合轨道信集闭系统和电机车无线控制进行统一规划，做到节省投资的目的。电机车的控制数据和视频数据通过机车上的交换机进行汇聚，再由车载VIP客户端和巷道里安装的井下WIFI基站进行数据传输，最终由无线基站的千兆有线网络传输至地表控制中心。

2.5 信集闭系统改造

项目建设前对原有的远程放矿控制系统网络和设备进行了梳理，保留了原有的交换机和供电系统，新增加PLC工作站和8个控制分站，将21台转辙机和信号灯与放矿控制的信号在工作站层面集成，实现根据运输计划监测机车位置信息，自动进行辙机和信号灯的控制，达到自动调度的目标，控制系统根据故障、指令、现场车辆信息等设定优先级，确定了严格的技术措施：

（1）电机车进入信号开放，必须满足进路中所有区段空闲（存车线除外）、道岔位置符合预期等条件。

（2）机车进入信号机内方应及时关闭，结合车载控制器的车距防护技术措施，使同向2列电机车不产生追尾。

（3）当道岔等关键设备发生故障或无法确定相关信息时，自动转为关闭或约定警告信号并发送声光报警信息。

（4）在中心主控室控制计算机的显示屏上能实时显示列车在运输轨道位置、相应区间的道岔状态、危险区段报警灯功能。

电机车控制单元采用集散式PLC计算机控制系统，由上位机和下位机构成，上位机设在湿法运输车间地面控制室，下位机设在井下被控对象附近，两者之间的控制命令及被控对象的状态信息均由光纤完成数字信号传输。根据装运矿作业计划指令，信集闭系统统一协调指挥电机车运行，系统根据信号联锁规则，自动控制井下转辙机的动作，自动控制电机车运行到指定装矿或卸矿溜井。

2.6 人员定位系统

为了电机车平稳安全的运行，需要对井下人员的位置和电机车的位置进行实时监视，确保人员和设备的安全。为此，建立了人员定位系统，进入运输平巷前，需要配备专用定位卡，通定信集闭系统传送位置信息，实现实时运动轨迹监测，根据人车相关位置信息进行震动和声音人车双向预警警示功能，保障安全生产。

2.7 远程放矿系统

湿法厂运输车间地表控制室操作台可以同时显示各条溜井的实时画面，也可以根据需要切换某一条溜井放矿机的画面。地表装矿操作工根据视频画面操控控制手柄，对放矿机的振动放矿和电机车的远程对位进行统一协调操作，完成远程装矿过程。电机车无人驾驶系统的实施后，放矿工地点迁移到地面中控室，实行远程放矿操作，杜绝了因粉尘导致的职业危害。为实现远程放矿功能，需要对现场放矿点位的电气柜进行远程控制改造，从而实现地面远程控制放矿机进行放矿作业。考虑到正常、临时、故障3种情况，放矿系统功能设计了远程自动、远程遥控、现场控制3种模式。正常为自动模式，转辙机根据计划自动控制输出，车辆自动停靠装矿。远程遥控模式下需要远程遥控转辙机，供临时调整作业计划使用。

2.8 控制中心建设

根据现场建筑情况，经讨论决定将地表控制室建立在湿法厂运输车间办公楼，利用原有视频监控大屏，隔离出一个设备机房，安装了监车、放矿、调度的控制台，开发了运输计划调度、溜井放矿控制、电机车控制系统、网络监测、人车定位、视频监控等系统，并在不同的控制台上对系统进行融合通信控制。使用成熟、先进的工业控制硬件，取消了司机岗位，增加了监车岗位，创新了地下采矿有轨运输操控方式，机车可以根据现场情况和生产产量情况进行优化和自动调度，显著提高了井下电机车线路的利用率、容量及本质安全水平［4-6］。控制中心自动调度系统界面如图1所示。

3 使用效益

本系统实现了11台电机车在8.3 km复杂系统实时精准定位设计、全自动无人驾驶运行，实现根据矿石品位、溜井位置不同自动配矿，具备防碰撞预警系统，提升安全性能，具有多种控制方式，实现一人多机值守，最大程度提升效率。电机车自动运行实现2层控制，主控制PLC与机车核心控制器均具备独立控制功能，最大程度地保证自动运行的安全；定位误差精度小于0.5 m，运行速度精度控制在0.05 m/s内，位置更新频率为1 s/次；完全满足生产要求，实现减员增效、提升本质安全水平、人均运输效率提升。

4 结语

本系统将井下电机车司机、放矿、道岔等岗位人员的工作位置由井下电机车、溜井等地点合并转移到地表控制室，多工种合并有效减少岗位人员，提高生产组织效率、本质安全水平、职业健康水平，避免职业病的发生。同时，根据现场不同地段轨道情况，安全控制电机车运行速度；最大限度地减少操作员的工作量，通过一人操控监视多台电机车，提高电机车台时效率和作业率，实现计划派发自动化，保证安全高效完成生产任务。

紫金山井下电机车无人驾驶系统11台电机车同时运行，突破了井下运输系统调度复杂和轨道打滑时电机车精准定位、电机车自动控制、通讯等多项难题，形成多项集成技术创新成果。