井下有轨运输自动化无人驾驶技术研究

尹冠群

（中钢集团山东矿业有限公司 山东 临沂 277700）

0 引言

自动化电机车运输是现代矿山企业的发展方向，国外的无人化井下电机车运输自动化开展较早，波兰采矿工业在1975 年便已经在波兰斯特斯基斯煤矿中应用完全自动化的运输系统。相比之下，国内的首套全自动井下矿电机车无人驾驶系统直到2018 年才在安徽的马钢张庄铁矿中得到应用。为了弥补国内井下有轨运输自动化无人驾驶技术的不足，本文选择中钢集团山东矿业有限公司的井下-140m 水平作业项目展开分析，探讨该项目中“5G+无人运输自动化系统”的设计方案，促使井下运输作业效率成倍提升，安全更保障。

1 项目概况

中钢集团山东矿业有限公司的井下-140 m 水平作业项目中，运输巷设计采用有轨运输，运输车辆主要为架线式电机车配挂底侧卸式矿车，通过有轨巷道行驶至放矿机卸矿点进行装矿并运输至卸矿站。

伴随着井下运输作业条件与环境的影响，对车辆和附属设施的技术性、安全性提出更高要求，故本次运输系统改造采用“5G+无人运输自动化系统”相融合技术，在井下-140 m 运输巷道形成无线网络全覆盖，实现电机车在无人驾驶下作业、道岔自动化变向和复位、机车智能化闭锁和电机车自动化定位等智能化作业。

该设计方案集成了视频监控系统和远程自动控制系统，可以通过主控系统的指令发送，远程实现装矿、运输、卸矿等一系列作业行为，并将井下机车位置信息、视频信息、语音通信发送至地表调度中心，帮助操作人员了解井下状况。该项目改造完成后可以提高装运系统设备的运行能力，提高井下生产效率，降低生产人员的劳动强度，并且有效避免了生产人员因为亲自进行井下作业而可能遭遇的安全威胁。

2 改造方案与相关功能实现

2.1 改造思路

在项目中，车辆设备主要采用架线式电机车配挂底侧卸式矿车，项目中投入使用的放矿设备均为振动放矿机。改造的主要内容包括电机车的启动方式、矿车的定位、电机车运输高低速转换等，改造的思路是通过对井下有轨运输自动化无人驾驶系统的软硬件调整，实现对各种作业设备的远程操控，以无人化的形式实现井下作业。

2.2 硬件设备改造

2.2.1 电机车改造

将原有电机车的司控斩波控制系统改造为变频控制系统，交流电机用直流电机取代，刹车系统基于变频启动的形式控制传动、气动刹车，并在电机车箱体顶部位置安装气动装置控制集电弓系统。

考虑自动化系统的匹配与安全，避免电机车在井下作业时遭遇不明故障，拟在电机车顶部前后位置安装视频监控系统及语音播放功能，以此监测电机车的井下作业情况。视频监控系统具有标清成像功能，能够向调度中心输出画质为720 P 的图像，帮助中心的操作人员观察具体的井下作业情况，并决定是否继续执行操作或者暂停作业。

防碰橦系统是电机车设计改造的重点，该系统会影响到电机车在井下作业时的避障能力，同时影响到无人化作业情况下的设备安全程度。为此，选择在电机车前缓冲装置（碰头）以下位置安装一台雷达扫描仪，实时向调度中心反馈井下作业过程中，电机车前方180°范围内的物体，让调度中心的操作人员及时了解井下环境和情况，当电机车在作业过程中遭遇障碍物时，操作人员可以及时执行预警减速与安全避让等操作。

2.2.2 矿车改造

矿车改造主要是实现脱轨掉道监测。电机车在运行期间，可能由于震动、轨道变形等原因出现矿车脱轨现象，为了在脱轨后减少事故扩大化，需要能及时进行脱轨检测和控制机车停车。

改造内容采用在矿车底部安装矿车掉轨检测传感器，实现对矿车的掉道检测，矿车掉轨检测传感器会将矿车的离轨情况转化为警报信号输出到调度中心。

当机车运行区间内发生矿车脱轨问题时，矿车轮毂脱离轨道，此时掉轨检测传感器向中心输出脱轨信号，中心人员采取紧急制动，机车控制系统对机车的电流进行检测判断，实现电机车的脱轨故障报警以及紧急停车。

每辆矿车的掉轨检测传感器采用磁性接近开关形式，在每辆矿车两端通过航插接入，完成开关状态输出与连接，实时对运输轨道平面进行监测，并通过干接点开关量输出信号。矿车与矿车之间，矿车与电机车之间均采用挂车ABS 线串接方式来实现机车控制器的数据传输，保证中心能及时接收到报警信号，并立刻采取紧急制动，避免事故扩大化。

2.2.3 装卸矿改造

电机车完成装矿定位停车后，进入装矿阶段。电机车停稳后，控制系统自动打开挡板，闸门挡板打开到位后，给矿机开始启动放矿。同时，激光扫描仪进入矿车装满检测状态，两台扫描仪分别对车厢下矿口的前后监测，当任何一边扫描仪监测到装满，都将向矿机发出停止作业的信号指令，在矿机停止运行后，系统将延时关闭给矿机的闸门挡板，同时发出机车运行信号，机车向前运行，进入到下一节车厢的装矿作业中，当完成最后一节车厢的装矿后，系统将发出结束装矿信号，进入运输环节。

2.2.4 转辙机（道岔）控制改造

转辙机采用一键启动设置，所有设备的运作由一个控制按钮负责。当电机车进入岔道区域时，操作人员按下道岔旁的控制按钮，司控道岔装置用控制器收到信号指令后进行运作处理，并向其他设备发出动作指示，电磁阀导通气缸的动作，从而推动道岔到需要的位置，位置传感器确定道岔到达指定位置后，系统通过显示板就地显示道岔所处方向。

2.2.5 装载站改造

装矿站实现机车自动装矿采用激光扫描仪对机车进行扫描，现场控制箱安装有雷达控制器（边缘计算模块）对激光雷达进行数据处理，将处理的结果直接送给远程IO，最终实现机车的到位和装满检测功能。

振动给矿机控制系统采用S71500 远程IO 模块ET200，并通过交换机组成的光纤环网连接进入主控系统，通过主控系统的控制，实现对振动给矿机和挡板的远程自动/手动的状态操作和信号指示。每台装矿站系统采用两台激光扫描仪对进程进行扫描，通过对应的激光雷达控制器（边缘计算模块）进行数据处理，实现机车的装矿位置到位和矿车装满情况检测。同时与机车运行编码器位置和速度相配合，控制给矿机运行/停止和挡板的打开/闭合。

2.3 软件系统改造

2.3.1 控制设备改造

所有设备的运作都由PLC 控制系统操控，硬件部分共有主控制器、通信装置和车载控制装置3 大部分，通信装置采取无线通信模式，主控器装设在地表的中心控制室内，由工作人员通过操纵PLC 控制系统对机车编组进行调度，同时设置机车编组的运行线路。因为井下的通信环境不佳，电池信号干扰过大，拟采用无线网格网，即Wi-Fi 技术进行操作指令传递，整个通信技术为双频，可以支持12 跳无线组网，传输距离能达到20 km 左右，方便井下电机车的指令传输。PLC 主控制器的硬件设计框架见图1[1]。

图1 的硬件设计中，控制芯片选择了FPGA 芯片。FPGA 芯片的特点是其I/O 接口的电压在3 V，所以必须要满足3 V 电压才能保证I/O 接口的运转，故硬件系统的电源电压被设计为3.5 V 电源的双电压供电模式，系统的存储器采取FLASH 格式设定，存储芯片根据预设要求与主控芯片对接，让中央控制器得到充分的优化。

2.3.2 主控系统改造

设备的主控系统主要与PMS2.0 系统及电机车指挥系统进行数据交互。与PMS2.0 系统数据交互包含基础人员结构、装卸矿信息、缺陷信息、修试记录、设备数据等数据。与电机车指挥系统数据交互主要是向该系统推送井下作业计划执行情况、装卸矿完成情况、检测计划完成情况、班组应用情况等信息，并在电机车指挥系统以图表形式展示查询以上数据[2]。

2.3.3 料位检测改造

项目所在区域的溜井卸矿仓安装有一台激光料位计，并设置接受信号用的远程IO 站用于对安全门、助力驱动装置和溜井料位计等设备进行远程控制。安全门、助力驱动装置和溜井料位计等设备在矿石卸载过程中均采用全自动联锁动作，同时在现场设计手动启停装置，以便在设备出现故障时可以手动启停。项目的主溜井深度从-334 m ～-140 m，总深度达到194 m，卸矿口最大宽度为1.5 m，卸矿站环境苛刻，常规的雷达料位计无法满足此种矿仓的料位检测，容易出现料位检测错误问题。为了提高检测精度，方案中采用了毫米波雷达料位计，检测距离通过在溜井实测估计为200 m 左右，毫米波雷达料位计通过软件设置可以对信号进行甄别，屏蔽矿仓壁以及不需要的回波，避免因为这些因素对检测结果造成干扰，最终实现料位的准确检测，达到卸矿站与电机车卸矿的闭锁需要，保证料位检测的准确性。

3 设备运营及维护

3.1 信息安全的防护

基于电机车井下作业的设备采用APN+VPN 通道，实现移动终端与主站端之间的数据交互，数据传输全过程加密，即使传输过程中数据被盗用，也无法使用数据，大大提高了传输数据的安全性[3]。通过线下线上双结合的管理策略，严格执行终端登记使用制度，将移动终端的主机号与用户人员进行绑定。移动终端数据安全保护：（1）移动终端操作系统加密；（2）移动终端应用登录加密；（3）移动终端应用数据库加密。3 次以上输入错误应用密码后数据自动摧毁。主机系统安全防护包括对服务器、桌面终端和操作系统的防护。开启系统防火墙并配置最小访问权限设置（IPtables、Windows防火墙），目录访问控制（SELinux）；不必要系统服务的关闭（如：ftp，nfs，Sendmail 等服务器）；禁用危险命令（如：rm -rf、reboot、halt 等），见图2[4]。

身份认证采用两种或两种以上组合的鉴别技术对用户进行身份鉴别，如采用用户名/口令与挑战应答、动态口令、物理设备、生物识别技术和数字证书方式的身份鉴别技术中的任意组合。制定安全策略实现帐号及权限申请、审批、变更、撤销流程，定义用户口令管理策略以限定用户口令的长度、复杂度、生存周期等规则；应根据管理用户的角色分配权限，实现管理用户的权限分离，仅授予管理用户所需的最小权限，操作系统特权用户不得同时作为数据库管理员；应严格限定默认帐号的访问权限，重命名系统默认帐号，修改帐号的初始口令，及时删除或停用不用的、过期的帐号；制定用户访问策略，如是否可以远程访问操作系统；制定用户登录超时限制；制定用户登录及事件、敏感操作、文件访问审核策略。

3.2 设备校准

在对井下作业应用的过程中，校准的主要目的就是为了更好地确定示值存在的误差，全面做好测量器具的调整工作，并及时进行示值修正，让井下作业校准实现溯源性。同时，根据井下作业的应用要求，应该保证校准代替检定具有较强的适用性[5]。通过全面评估电机车在校准周期内的稳定性和适用频率，待操作人员能够对这些电机车的使用情况全面了解之后才进行确定，如果发现有出现错误的地方，便需要将证书及时退回到计量机构进行重新修改。在检定证书中需要明确检定的结果是否“合格”，判断采取的检测方法是否满足要求。其中，一般被检定为“合格”的井下作业却不一定满足检测方法的使用要求。

例如，在进行板预设提前量检定过程中，因为检测板提前量设置一般按照矿车空载运行模拟设置的，当机车配挂矿车，矿车运行惯性大大增加，重载状态下运行经过检测板到达对轨停车处，还会前移一段距离。矿车操作者必须点矿车反车，会多次反复才能实现轨道对接。在报告证书中应该具体涉及检定的形式确认和内容确认两个方面的内容。一般在形式上可由检定机构出具相关的检定证书，且在校准证书中应该涉及具有该校准室通过管理部门认可的标识以及是否按照校准计划的要求开展校准工作。

3.3 系统安全功能的补充及日常维护

通过将校准过程中所产生的修正因子或者修正值带入到校准的结果中进行修正。一般校准证书所给出的修正值为实际值=示值+修正值。同时，所给出的修正因子中，实际值=示值×修正因子。在对自动化系统内的电机车进行全面检查之后，待经过计量确定才能够正式投入到使用中。同时，对给出的确认结果张贴“合格”“准用”“停用”的标识。组织自动化系统检测人员积极参加计量知识培训，让其能够正确理解校准证书中的各项数据内容，准确把握计量确认方法，全方面核查校准证书中的各项数据资料。

4 结语

本文针对电机车、矿车、装卸矿、转辙机控制、装载站、控制设备、系统软件、卸矿站卸矿改造等方面进行了改造，利用5G 设备的优势性，提高了电机车在井下作业时信号传输的稳定性以及装卸矿时的精确性，大幅度提高了电机车的井下作业安全度。此外，在设计过程中，还对电机车的信息安全防护加以探讨，对如何保护设备运营信息和维护设备运作提出了相关意见，为设备运作信息的保密、设备故障发生率的降低和设备使用寿命的延长提供了参考。