井下礦無人駕駛技術在安防中的作用＊

張偉 張輝斌 張琦 帥根來

（丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧丹東 118002）

0.引言

隨著業內對于礦山作業安全的重視，發展智慧礦山、智能化信息化作業已經是大勢所趨，根據原國家安監總局開展的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動工作目標，主要是為了減少高位作業現場中的人員，同時提高作業的效率。無人自動駕駛在礦山中的應用不僅提升了礦山作業中的安全，同時保證了礦山生產運輸的效率，下文將就此展開描述[1]。

1.礦用電機車無人駕駛系統

1.1 礦用電機車無人駕駛系統的含義

礦井電機車無人駕駛系統是基于人工智能AI技術和ROS機器人軟件，TH為傳輸亞照度、易爆環境的礦用機車無人駕駛系統。該無人駕駛系統主要運用的是無線通信系統，運用工業環網作為傳輸平臺，以礦用軌道運輸監控（信集閉）系統為安全依托，采用井下機車精確定位技術、圖像識別處理技術和機車安全運調技術，并結合電機車智能化控制的礦井安全生產運輸綜合監控系統，可以實現電機車物料礦石裝運卸全過程的無人化駕駛作業。

1.2 礦用電機車無人駕駛系統的組成

該礦用電機車無人駕駛系統由礦用隔爆兼本安型電機車運行參數檢測裝置、車載智能終端、礦用本安型智能分站、動態信號機、礦用本安型遙控器、礦用隔爆型攝像機、礦用隔爆兼本安型司控道岔裝置、工控機、打印機、人工智能系統軟件、雷達、各類傳感器等組成。

1.3 礦用電機車采用無人駕駛系統的具體功能

礦用電機車采用無人駕駛系統具有機車無人運行控制功能，遙控駕駛機車功能，安全應急保障和機車運行參數監測功能，自動裝卸礦功能，機車自主運行變速巡航技術，溜井和放礦坑料位檢測功能，調度功能，閉鎖功能，顯示功能，聯網功能，列車定位功能，故障自動診斷功能，可視化檢測功能等。

1.4 系統實現難點分析

在進行作業時，除了要對礦石進行識別采集，還要進行障礙物的識別，障礙物不僅有人和機車這種比較大的東西，還有巖石、木頭、遺落的工具等。由于有些障礙物體積較小，并且一個小石塊就可能阻擋機車前進的腳步，在進行設計的時候，要考慮機車剎車的時間，防止其撞上障礙物，所以對機車的要求就更高，尤其是系統判斷能力要同時提高。

同時，要求無人駕駛機車具有一定的抗震能力，因為井下的軌道并不是一直平緩的，道路可能比較崎嶇，所以要求其設備的穩定性較高，保證在行駛過程中不會斷掉通信，并且保證反應時間，否則可能導致系統與機車失聯。

雖然從理論上對無人駕駛系統設備的設計已經相對完善，但是在實際使用中還是存在一定的問題，主要體現在現場的作業方式、需要設備適應的井下礦的環境問題以及各種安全保障方面，比如井下礦環境多粉塵、較濕熱，同時還有腐蝕設備的可能性，在設計時需要將這些因素都考慮進去，因此就需要長時間的采集數據，對檢測數據進行分析，建立相關數學模型并進行優化。最后把模型化的數據應用到放礦控制和電機車控制中，來實現全自動裝礦[2]。

2.實現無人駕駛技術的必要性

2.1 減少人為失誤

傳統的電機車都是由人工進行操作，由于人工操作的主觀性，操作時會出現疲勞，或者不按規章制度操作，導致出現安全事故等問題的發生。而無人駕駛系統則是通過AI技術、定位技術以及與互聯網相結合的方式，實現無人化操作，可以避免人工疲勞駕駛和誤操作導致的事故發生。

無人駕駛系統實現的功能具體如下：（1）增加車前雷達障礙物檢測功能，實現主動安全防護；（2）放礦機系統增加遠程斷電功能，出現問題緊急斷電，防止溜井的跑礦；（3）增加4G或5G專網，實現雙網冗余，防止機車斷網失控；（4）增加大塊檢測功能，出現大塊自動檢測、停機、報警；（5）增加礦車料位檢測功能，防止料位超高落礦，防止掛大線；（6）在卸礦井處增加料位檢測及礦車板結檢測，防止卸礦過程中出現安全問題；（7）機車及各設備自身健康狀況監測技術；（8）車載終端實時采集車輛各個系統的數據，自動分析機車的各項指標是否正常，只有正常的機車才能投入運行。不僅機車，系統內各個相關設備都具留該項功能，包括放礦機、信集閉、通信設備等。

2.2 改善工作環境

有許多礦山處于高海拔地區或者是井下較深的地區，這樣的采礦環境比較惡劣，并且不安全。首先是井下礦工作環境溫度較高、濕度較大，人在里面工作十分不適應，其次粉塵濃度也很高，會對人的身體造成一定影響。使用無人機自動駕駛系統就可以避免在此環境下進行工作。

2.3 解決人少的難題

隨著時代的發展，現在的工作人員對于工作環境的要求也高，這就會導致礦山出現招人難的問題，而無人駕駛系統技術能夠在一定程度上解決這些問題。

首先是實現自動裝礦，無須遙控放礦，節省人力；其次，無人駕駛技術可以實現軌道衡自動計量，無須遙控開車計量，節省人力；然后還有在平碉內摘鉤、掛鉤時，操作工通過遙控器實現電機車的近距離遙控，節省人力；最后，無人駕駛技術也有助于實現電機車自主巡航，結合主動的雷達障礙物檢測，無須遙控操作，節省人力。

2.4 增加作業的效率

無人駕駛電機車安裝成功后，不僅可以無人運行，還可以自動裝卸礦，可365天24小時運轉（設備維護保養及時充分的前提下），比起以往的人員固定作業時間，不僅時間延長了，機器的動作頻率更高更勻速。

3.井下礦無人駕駛技術在安放中的應用

（1）井下調度。主要是運用智能調度系統對采集過程中所有的關鍵數據進行統籌分析，包括地下軌道的占用情況、機器的運行狀態、機車現在的位置、是否裝載有東西等一系列生產信息，采集之后進行數學建模，對機車進行最優的分配作業，智能調度的基礎是最優路徑，然后結合收集到的實時信息，進行動態調整，主要目標是用最少的消耗實現最大量的生產。

（2）視頻監測。一般是通過有線或者無線的傳輸方式，對井下進行實時監控并傳輸到井上調度室。礦山井下有軌運輸無人駕駛系統溜井料位監測是實現系統智能調度的基礎，通過監測各溜井及卸礦站料位的高度，結合當前自動運行車輛和信集閉調度系統，完成對各個車輛及溜井的管制。

（3）安全監測。通過有線無線互補實現對井下的覆蓋，完成對井下重要、敏感地點的瓦斯、礦壓、濕度等情況的實時檢測，組件完整的井下安全檢測網絡。

（4）人員定位。利用網絡手機終端等實現井下人員或設備的精準定位，是井上調度室的管理人員能夠隨時掌握井下設備及人員的分布狀況和運動軌跡。

（5）電機車障礙物識別技術。電機車自身具有定位系統，同時還配備有運輸巷道軟件模型以及雷達識別系統，可以在運行時時刻監控前方的路況，進行障礙物的識別，并且考慮到機車的剎車時間以及運行速度，及時對機車提出預警，避免與障礙物相撞，保證電機車運行時的安全制動距離[3]。

4.結語

井下礦無人駕駛系統主要是以智能行車控制系統為主，運輸調度指揮系統為輔，保證通信故障情況下機車運行的安全，杜絕追尾事故發生的可能。無人駕駛系統可以適用于多種環境，對障礙物進行準確識別，其在礦山中的應用不僅實現了人力的解放，改善了工作人員的工作環境，同時也有效的保證了井下礦作業的安全性，機械作業也有助于提高裝礦作業效率，推動智慧礦山的信息化、智能化建設，是未來發展研究的主要方向。