基于5G通信技術的地下遙控鏟運機開發及應用

牟少良

（山金重工有限公司）

近年來隨著淺部礦產資源的枯竭，金屬礦產資源開采逐步向深部發展。深部開采存在高溫、高壓、高濕、通風差等不利因素，惡劣的環境對采礦工人的生命健康和設備的安全使用造成威脅，增加了深部開采的難度。根據國家對智慧礦山、數字礦山建設的總體要求，礦業裝備朝著智能化、數字化方向發展，各個礦山裝備機械化、智能化水平越來越高。隨著第五代移動通訊技術的發展及基礎設施的不斷完善，促使超視距控制技術在無軌裝備上得以實現。

2019年，山東黃金萊西金礦成功實現首批5G基站的部署，成功實現了井下-500 m水平礦井5G信號的全覆蓋，在此背景下，開發基于5G通信技術的超視距遙控鏟運機成為可能。根據現場調研，對設備的結構、液壓控制系統、電氣控制系統、通信傳輸路線架構進行了設計研發［1-5］。

1 遙控鏟運機的基本技術參數及功能

1.1 設備技術參數

現場調研萊西金礦巷道斷面尺寸、5G通信系統的信號傳輸延遲率、相關配套部件功能損耗等工作參數以及工作安全性，結合國家標準《地下鏟運機》（JB/T 5500—2015）要求，設計設備主要技術參數見圖1。

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1.2 遙控鏟運機功能規劃

鏟運機用于井下礦石爆破后松散物料的鏟裝和運輸工作，根據其功能和超視距遙控的特殊情況，結合以前視距控制鏟運機開發經驗，制定該設備滿足實際生產具備的功能如下。

（1）操作人員在地面控制中心通過操控平臺遠程操控鏟運機，實現啟動、行駛、轉向、工作、停止等功能。

（2）車輛需具有本地和遠程控制2種模式。

（3）可以實現一個操控平臺對多臺遙控設備的操控，即實現一控多功能。

（4）車輛具備作業環境視頻監控采集、環境CO濃度實時監測及數據上傳顯示功能。

（5）運行狀態與工況信息（包括速度、轉角、傾角等姿態參數及壓力、時間等系統參數）實時采集上傳顯示功能。

（6）設備故障監測、異常診斷及運維提醒報警自動停機鎖車安全保護功能。

（7）360°視頻監控配合毫米波雷達，同時視頻畫面及雷達距離提示為駕駛員操作提供依據。

（8）工作狀態下設備在網絡突然中斷的突發狀況下自動制動、進入空檔停車狀態。

2 遠程控制路線確定及系統設計

對現場井下5G網絡的布置調研，通過專業網絡公司來了解5G移動通信架構布局及相關5G配套產品的功能特性，確定總體的超視距控制系統方案及路線。

總的控制路線：操控室內工人通過集控操作臺發出的指令通過集采中心統一采集發送給地面控制中心，地面控制中心對數據進行處理后經路由器通過5G通信傳輸至井下基站，基站發射無線信號通過車載CPE進行接收，然后通過路由和網關將信號轉換為指令發送給車載控制中心，由車載控制中心控制各部分進行動作。具體控制路線圖如圖1所示。

2.1 遙控鏟運機系統組成

遙控鏟運機因為其遙控的屬性，需要經過遠程操控、指令的網絡傳輸、指令的本地接收和執行等步驟，因此需要井上主控臺發出指令，通過主控系統進行控制。由于設備遠離人的視線，現場工作畫面需要通過視頻采集系統進行回傳，增加360°全景影像及雷達避障系統可以準確對設備當前位置進行定位，行進過程中及時躲避障礙物。考慮到智能礦山的建設，設計設備狀態信息采集系統及故障報警系統，可以動態監測設備運行狀態，通過設備運行狀態大數據及時對健康狀況進行綜合分析，配合故障報警系統及時發現設備故障并進行診斷，防止設備損壞或安全事故發生。

遙控鏟運機結構包括機械結構、液壓系統、遠程操作臺、車輛主控系統、視頻監控系統、信息采集及反饋系統、360°全景影像及雷達避障系統。液壓系統由工作液壓系統、轉向液壓系統、行駛液壓系統和卷纜液壓系統組成。

2.2 各組成系統設計

（1）機械結構。機械部分按照1 m3鏟運機標準設計前機架裝配體、后機架裝配體、鏟斗和附件結構。

（2）液壓系統。按照原1 m3鏟運機的液壓系統進行電氣化設計，將液壓部選型設計為電液比例控制，為后期遠程電控做準備。

（3）車輛主控系統。通過在地面集控中心設置集控平臺，將轉向、工作、前進、后退、制動、啟動、停止等信號通過集中采集模塊輸入計算機進行分析計算，然后通過以太網將信號傳輸到井下基站，通過鏟運機上的CPE接收基站發出的信號（或者通過集成在鏟運機后部電纜內的網線實現有線連接，減少信號衰減），隨后經過路由器通過車載ProfiNet網橋將工業以太網與現場總線對接，實現與現場工控機的直接通信。最后由現場工控機通過現場CAN總線對車輛的各電液比例閥進行精準控制，最終實現車輛的工作和運行。

（4）視頻監控系統。在設備前側安裝攝像頭用于行進時觀察前部路況。在左右兩側安裝2個后方向攝像頭用于觀察左右兩側巷道及車輛后部情況。在后側安裝1個攝像頭用于觀察鏟斗舉升高度位置，防止操作時鏟斗碰觸巷道頂部。該系統采集的圖像信息實時上傳并在主控制室顯示。

（5）信息采集及反饋系統。該系統對整車的運行參數、工況信息及周圍環境信息進行實時采集上傳，并在操控室狀態監測系統顯示分屏上顯示。對于采集的信息經控制中心進行分析，當發現異常時主動采取相應措施規避風險，防止事故發生和設備損壞。

（6）360°全景影像及雷達避障系統。在鏟運機上使用了車載360°全景影像及雷達避障系統，根據設備的運動隨動式顯示車輛前后左右車體畫面，用于操作者操作時無法獲知設備位置的不適應感，幫助操作者適應遠程操縱的不適應感。前后左右4個雷達實時顯示車輛距四周的距離，超過設定距離時設備及時停車規避危險。

3 安全控制策略的制定及程序的編制

設備屬于遠程控制，人員不能觀察設備的異常并做出快速判斷，所以遙控操作設備一旦發生異常或者失控，對周圍人員及設備的危害極大，極易造成人員傷亡和設備損壞。在總結前期常規設備使用中存在的風險點基礎上，對新型的超視距鏟運機存在的風險，特別是遙控狀態以及通訊中斷狀態下設備自動控制安全策略進行詳細規劃和編制。

4 項目創新及應用

4.1 創新點

（1）控制系統采用CAN總線技術，鏟運機的啟動、加速、行駛、工作、停機等全過程在本地控制的基礎上實現遠程控制功能。

（2）開發的車載主控系統及遠程集控平臺操作系統實現了由控制中心發送指令，操作人員通過電子屏幕對鏟運機進行遠程控制，完成啟動、熄火、前進、后退、左右轉向、升降動臂、收翻鏟斗、制動、停機等全過程動作。

（3）通過傳感器和信號采集模塊，對鏟運機的運行壓力、溫度、速度、轉向角、傾斜角度、運行時間及CO濃度等信息進行采集、監測、傳輸及數據處理和存儲，并具備異常報警和定期維保提示功能。將公路車輛的360°全景監控技術首次應用于井下鏟運機，使操作者能直觀有效掌控現場環境信息，進一步提高設備運行的安全性。

（4）開創性地在電動鏟運機上實現了地下基站與設備的有線通信，即將網線集成在電動鏟運機的后部拖曳電纜中，設計了專門用于鏟運機的網線滑環，將網線的直線運動變為卷筒的旋轉運動。該方法有效減少了無線傳輸帶來的信號衰減，保證車輛的操控安全性和減少數據傳輸丟失。

4.2 實際應用

該設備經設計制造完成后，于2019年11月在萊西金礦進行了5G通信網絡下的應用測試，經現場調試和測試，各項功能均符合預定要求。后續應用該技術研發的3 m3智能鏟運機順利在焦家金礦井下-77 m水平得到應用。

5 結 論

經過對鏟運機液壓系統進行電氣自動化配置設計，規劃遙控控制路線，并對控制系統進行了規劃設計，增加故障診斷、視頻實時顯示控制系統及雷達避障系統，最終完成了基于5G通信技術的遙控鏟運機設計開發項目。通過在5G移動通信場景下的遙控實驗，設備完全實現了行駛、工作、視頻監控、避障等功能，各項參數指標符合國家技術要求和預期。