礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的研究

武學(xué)宏

（西山煤電集團(tuán)西曲礦，山西 古交 030200）

煤礦機(jī)車(chē)是井下有軌機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，當(dāng)前煤礦機(jī)車(chē)移動(dòng)的目標(biāo)分散，規(guī)律性差，多為物料車(chē)、矸石車(chē)、空車(chē)、空機(jī)頭作業(yè)任務(wù)，通常無(wú)明顯的時(shí)間限制，行車(chē)路線(xiàn)不固定，每列車(chē)司機(jī)單點(diǎn)作業(yè)，經(jīng)常會(huì)隨意停放物料空車(chē)，造成運(yùn)輸效率不高，調(diào)度整體性較差。設(shè)計(jì)研究礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)技術(shù)是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于系統(tǒng)的功能要求，礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)集成自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能調(diào)速控制、高清視頻信號(hào)處理、機(jī)車(chē)運(yùn)輸信號(hào)系統(tǒng)、自診斷自適應(yīng)、報(bào)警預(yù)警、無(wú)線(xiàn)通信等眾多模塊的軟硬件系統(tǒng)。如圖1 所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)由安放于地面監(jiān)控中心的后臺(tái)服務(wù)器及控制軟件、人機(jī)交互構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)的上位機(jī)，安置于每輛機(jī)車(chē)上的控制中心、各種信號(hào)傳感器構(gòu)成了系統(tǒng)的下位機(jī)，上下位機(jī)通過(guò)礦井工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

圖1 礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)圖

機(jī)車(chē)控制中心通過(guò)機(jī)車(chē)定位系統(tǒng)確定自己的位置并從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出預(yù)設(shè)機(jī)車(chē)行駛狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)安裝在機(jī)車(chē)上的礦用防爆攝像機(jī)采集軌道和巷道信息對(duì)預(yù)設(shè)駕駛狀態(tài)進(jìn)行自我校正和糾偏。校正糾偏無(wú)誤后，將行駛命令下發(fā)給機(jī)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)車(chē)按照給定速度自動(dòng)行駛，機(jī)車(chē)行駛過(guò)程中控制中心循環(huán)執(zhí)行上述指令，最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)軌道信息自動(dòng)行駛的目的。機(jī)車(chē)在自動(dòng)行駛過(guò)程中不斷采集安設(shè)在軌道沿線(xiàn)的各類(lèi)傳感器信息，并根據(jù)不同信息狀態(tài)從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出相應(yīng)指令對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)、煤倉(cāng)注煤閘板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等設(shè)備下發(fā)控制指令。同時(shí)，機(jī)車(chē)控制中心將采集到的各類(lèi)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的指令控制。最終構(gòu)成上位機(jī)為主、下位機(jī)平行運(yùn)行、系統(tǒng)自診斷自適應(yīng)的礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)。

2 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設(shè)置及通信系統(tǒng)的構(gòu)建

通信系統(tǒng)是該系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信息傳輸和指令傳達(dá)。由于礦井環(huán)境的特殊性，為實(shí)現(xiàn)巷道通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，采用工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)相結(jié)合的通信方式。通信系統(tǒng)在巷道內(nèi)敷設(shè)井下光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成寬帶流媒體網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多功能網(wǎng)關(guān)構(gòu)成有限局域網(wǎng)，與安設(shè)在巷道兩側(cè)的軌旁無(wú)線(xiàn)基站構(gòu)成無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋全巷道。井下光纖環(huán)網(wǎng)通過(guò)主干交換機(jī)與控制分站經(jīng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)、記軸器、動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)與通信系統(tǒng)的連接，最終構(gòu)成礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

3 通信可靠性保障及可行性技術(shù)方案

3.1 礦井無(wú)線(xiàn)通信的特點(diǎn)

（1）根據(jù)礦井工況選擇相應(yīng)防爆等級(jí)的設(shè)備。由于不同礦井瓦斯含量不同，低瓦斯和使用架線(xiàn)電機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)牡V井可選擇礦用一般型電氣設(shè)備，而對(duì)于高瓦斯礦井則必須選擇礦用防爆型或者本質(zhì)安全型。

（2）滿(mǎn)足礦井防爆要求的前提下，選擇發(fā)射功率大、抗損耗能力強(qiáng)的無(wú)線(xiàn)基站。

（3）機(jī)電設(shè)備應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（4）防護(hù)性能好，抗故障能力強(qiáng)。煤礦井下環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率高，人為破壞事件時(shí)有發(fā)生。因此，礦井無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗故障能力，應(yīng)有防塵、防水、防潮防腐、耐機(jī)械沖擊等性能。

（5）信道容量大，響應(yīng)迅速。由于礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)多車(chē)輛、多傳感器的視頻、語(yǔ)音、控制信號(hào)等多數(shù)據(jù)傳輸和車(chē)輛移動(dòng)速度較快的特點(diǎn)，軌旁無(wú)線(xiàn)基站需選擇多通道的無(wú)線(xiàn)通信模塊。

3.2 礦井無(wú)線(xiàn)通信可靠性保障及技術(shù)分析

礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)技術(shù)核心在井下特殊環(huán)境下無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是否可靠運(yùn)行，一方面要確保無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)信號(hào)連續(xù)穩(wěn)定，另一方面要能夠抵抗巷道電纜、電氣設(shè)備帶來(lái)的各種物理干擾。

3.2.1 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信連續(xù)性保障方法

（1）采用雙回路無(wú)線(xiàn)基站。受礦井煤塵、潮濕等特殊環(huán)境的影響，無(wú)線(xiàn)基站類(lèi)電子產(chǎn)品存在故障突發(fā)性的特點(diǎn)。因此采用雙回路無(wú)線(xiàn)基站，即一套軌旁無(wú)線(xiàn)基站設(shè)置兩套功能完全相同的無(wú)線(xiàn)回路，其中主回路采用礦井127V 電源供電，輔助回路采用內(nèi)置蓄電池供電，兩個(gè)回路之間可以相互進(jìn)行通信。正常工作時(shí)由主回路輔助基站無(wú)線(xiàn)通信工作，同時(shí)為輔助回路電源進(jìn)行充電。當(dāng)主回路由于電源斷電或者設(shè)備損壞等原因?qū)е虏荒苷９ぷ鲿r(shí)，輔助回路會(huì)檢測(cè)到主回路不能正常工作的信息，輔助回路自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)將主回路故障信息上傳至上位機(jī)，待主回路故障排除后主回路投入使用，輔助回路自動(dòng)關(guān)閉。

（2）根據(jù)礦井工況合理布置無(wú)線(xiàn)基站位置和數(shù)量。礦井無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是否穩(wěn)定，一方面由基站的工作性能決定，另一方面受基站的位置和數(shù)量影響。理論上，基站數(shù)量越多，布置越密集，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)信號(hào)覆蓋越廣，信號(hào)越強(qiáng)，需根據(jù)礦井實(shí)際工況合理布置基站的位置和數(shù)量，既保證無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)信號(hào)巷道全區(qū)域覆蓋，又能地減少投入基站數(shù)量，以達(dá)到保證局域網(wǎng)信號(hào)穩(wěn)定的前提下，減少投入資金成本。

（3）車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端防震及保證信號(hào)連續(xù)性處理。車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端不同于安設(shè)于巷壁的軌旁無(wú)線(xiàn)基站，其需要解決機(jī)車(chē)在行駛過(guò)程中震動(dòng)對(duì)電子器件的損壞。因此通過(guò)對(duì)電路板用硅膠整體封注的方法來(lái)減少震動(dòng)對(duì)電子器件帶來(lái)的損壞。

3.2.2 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)信號(hào)干擾解決方法

井巷中無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)在信號(hào)全覆蓋的前提下，外界信號(hào)干擾源一方面是井下變壓器、開(kāi)關(guān)、電纜等發(fā)出的感應(yīng)電磁波，另一方面則是機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)不同設(shè)備之間相互的信號(hào)干擾。可以通過(guò)加入信號(hào)濾波模塊對(duì)外來(lái)信號(hào)進(jìn)行一級(jí)濾除，另外通過(guò)軟件進(jìn)行信號(hào)編碼解碼，即發(fā)射信號(hào)前在信息前加上物理地址及編碼信息，接收裝置在接收信號(hào)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼分析，符合系統(tǒng)設(shè)定要求的信號(hào)進(jìn)行解析使用，不符合要求的則被踢出。

4 路況識(shí)別與機(jī)車(chē)速度控制

4.1 機(jī)車(chē)定位

機(jī)車(chē)定位是通過(guò)軌道沿線(xiàn)布置的軌旁無(wú)線(xiàn)基站和機(jī)車(chē)控制中心共同實(shí)現(xiàn)的。軌旁無(wú)線(xiàn)基站按照固定距離固定于礦井大巷墻壁上，多個(gè)軌旁無(wú)線(xiàn)基站之間相互通信形成一個(gè)巷道控制中心傳來(lái)的定位網(wǎng)絡(luò)。定位網(wǎng)絡(luò)通過(guò)接收機(jī)車(chē)蓋精準(zhǔn)定位，同時(shí)將定位信息上傳至上位機(jī)（監(jiān)控中心）和下發(fā)給下位機(jī)（機(jī)車(chē)），實(shí)現(xiàn)車(chē)速度、位置等信息的共享。

4.2 路況識(shí)別

機(jī)車(chē)控制中心通過(guò)安設(shè)在機(jī)車(chē)上的礦用防爆錄像機(jī)接收路況信息，同時(shí)根據(jù)機(jī)車(chē)定位車(chē)信息與預(yù)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息查表比對(duì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)控制中心對(duì)路況的識(shí)別。同時(shí)機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)錄像機(jī)采集的路況和機(jī)車(chē)定位信息對(duì)路況數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷更新，實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)自診斷自適應(yīng)功能。

4.3 機(jī)車(chē)速度控制

系統(tǒng)運(yùn)行初期，通過(guò)對(duì)軌道路況進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和采樣，根據(jù)測(cè)量采樣信息建立位置速度對(duì)照表和路況-速度對(duì)照表。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定巷道具體位置對(duì)應(yīng)機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)速度以及根據(jù)具體路況對(duì)應(yīng)機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)速度，最終形成相應(yīng)初始數(shù)據(jù)庫(kù)。機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)機(jī)車(chē)位置信息從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查找對(duì)應(yīng)速度，并通過(guò)機(jī)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置控制機(jī)車(chē)以設(shè)定速度運(yùn)行。同時(shí)，機(jī)車(chē)通過(guò)車(chē)載礦用防爆攝像機(jī)不斷采集路況信息，對(duì)應(yīng)查找路況-速度數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)速度的調(diào)校和糾偏。機(jī)車(chē)正常運(yùn)行后，機(jī)車(chē)每運(yùn)行一個(gè)周期都會(huì)對(duì)系統(tǒng)信息根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的功能。

5 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)控制及煤倉(cāng)自動(dòng)注煤控制

5.1 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)控制

井巷機(jī)車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中，根據(jù)井田設(shè)計(jì)一個(gè)水平會(huì)設(shè)計(jì)多個(gè)石門(mén)。根據(jù)生產(chǎn)需要會(huì)在石門(mén)處設(shè)立臨時(shí)儲(chǔ)煤倉(cāng)，每個(gè)石門(mén)會(huì)設(shè)置石門(mén)道岔，用于機(jī)車(chē)進(jìn)入石門(mén)儲(chǔ)煤倉(cāng)后將生產(chǎn)原煤運(yùn)出。機(jī)車(chē)通過(guò)各石門(mén)道岔是進(jìn)入石門(mén)還是繼續(xù)前行是通過(guò)石門(mén)轉(zhuǎn)轍機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，常規(guī)生產(chǎn)礦井石門(mén)道岔是通過(guò)人工實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作。礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)設(shè)置終點(diǎn)石門(mén)，終點(diǎn)石門(mén)設(shè)置好后，機(jī)車(chē)在運(yùn)行至距該石門(mén)一定距離時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)向石門(mén)方向，待機(jī)車(chē)全部進(jìn)入石門(mén)后轉(zhuǎn)轍機(jī)將自動(dòng)復(fù)位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的自動(dòng)控制。

5.2 煤倉(cāng)自動(dòng)注煤控制

機(jī)車(chē)進(jìn)入石門(mén)通過(guò)煤倉(cāng)時(shí)需將煤倉(cāng)內(nèi)的原煤運(yùn)走，常規(guī)礦井是通過(guò)人工控制煤倉(cāng)閘板將原煤注入每節(jié)礦車(chē)內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)無(wú)人值守，可以通過(guò)在煤倉(cāng)巷幫內(nèi)安裝激光傳感器來(lái)準(zhǔn)確判斷機(jī)車(chē)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)自動(dòng)注煤。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于西山煤電集團(tuán)西曲礦機(jī)電運(yùn)輸管理存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的礦井機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)，提高了工業(yè)自動(dòng)化水平，利于實(shí)現(xiàn)礦井開(kāi)采自動(dòng)化和智能化。