基于礦井GIS地圖的煤礦智能化電機車升級改造

李竹年

（中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 潁上 236200）

0 引言

近年來，我國煤礦智能化建設取得積極進展，從中央到地方，智能化礦山建設的相關文件頻頻出臺，煤炭行業吹響了向智能化煤礦邁進的集結號，雖然煤礦的智能化建設取得了階段性的成果，但是距離全面實現智能化煤礦建設還有較大的差距。

眾所周知，技術革新是推動產業升級的重要動能，伴隨著物聯網、5G、大數據、AI等技術應用于煤礦，為煤礦行業的裝備升級提供了基礎保障。智能化電機車就是基于GIS地圖、5G通信網絡及AI技術進行升級改造的輔助運輸設備。

本文對電機車智能化改造升級及在煤礦井下應用進行研究，列舉出智能化電機車的技術要求，具備的功能，所需要的設備，所具備的駕駛模式等方面做出介紹，為提高礦井生產效率與新建礦井輔助運輸方式的選擇提供新思路。

1 電機車智能化升級改造內容

智能化電機車以無線通信網絡及千兆工業以太網絡為傳輸平臺，以軌道運輸監控系統為依托，采用井下機車精確定位技術、視頻圖像處理技術和礦井GIS地圖系統技術，并結合電機車變頻控制及遠程擬人化操作的礦井安全生產運輸綜合監控系統，實現電機車智能駕駛。系統具有多種控制工作模式：在裝卸作業環節，配備手持式遙控器，就近遙控控制；干線主運輸線路，由地面控制中心擬人化操作臺遠程控制或自動控制；在不需要遙控或自動控制時，使用人工控制。

改造內容主要包括制動系統、車輛傳感設備系統、車輛智能控制和執行系統。車輛改造后具備的功能包括：障礙物的識別、避障等功能、車輛自動制動和停車、車輛具備遠程被控功能、在調度系統的指揮下，車輛具有自動駕駛、車輛輔助駕駛功能。機車具有自主定位和自主避障功能，使得不完全依賴網絡進行定位或者調度，提升機車的主動安全能力。

2 智能化電機車升級改造所需設備

主要由車載通信控制器（含電源）、車載視頻攝像儀、障礙物檢測裝置、主動定位裝置等組成，具有無線通信接口，實現與主控系統之間的數據交換。

2.1 地面控制系統設備

在地面集控中心設置主控服務器、遠程控制臺等。

（1）服務器2臺，用于測控數據的處理、流媒體服務、WEB發布、通信服務管理等。

（2）千兆網絡交換機2臺。用于與井下專用環網之間的通訊，并與控制臺之間進行數據交換。

（3）?？低暰W絡硬盤錄像機1套，用于井下移動視頻、固定點視頻攝像儀的信息采集、儲存和處理。

2.2 遠程駕駛控制臺

在地面調度中心設置的遠程控制臺，對井下智能電機車進行遠程操作控制。主要設備：工控機、嵌入式觸摸屏計算機，用于組建遙控駕駛控制臺、調度控制、視頻管理等。

2.3 其他巷道內設備

道岔、阻車器等實現遠控、司控（遙控）或自動控制，道岔安裝岔位自動顯示裝置，機車通過風門來實現司控（遙控）或自動控制。

2.3.1 司控道岔改造和升級

司控道岔控制箱作為隔爆兼本安型礦用設備，用于軌道道岔驅動設備的控制，控制箱在系統中作為司控道岔的驅動控制設備，將接收到的道岔控制命令轉換成相應的功率驅動，完成井下軌道道岔裝置的動作，同時將監測到的道岔位置信號傳送給監控系統。

（1）計算機控制：在與系統聯通后，由計算機自動控制，此時其他控制無效；

（2）本機控制：使用本機按鈕實現本地控制，此控制方式僅當計算機解鎖后才有效；

（3）手搖轉換：在停電或控制電路出現故障時，可用手動搖柄來轉換岔尖方向。

2.3.2 礦用LED信號機控制器

信號機用來給出進路開放與閉鎖及運行方向信號。主要功能有以下幾點：

（1）以紅、綠、黃三種顏色顯示，可按需要顯示箭頭、字符、滿盤，顯示距離遠，觀察清晰。

（2）燈光可閃爍顯示，可在進路開放進提醒司機、行人，能提高效率，保證安全。

（3）具有故障—安全功能，收到控制編碼后執行此模式90s，控制設備必須在此時間內再次控制，否則信號機認為控制設備故障，以保證運輸安全。

3 智能電機車升級改造實現的功能

實現輔助駕駛、遠程駕駛、遙控駕駛，電機車應具備主動安全、主動定位、運輸狀態檢測等基本功能。

3.1 煤礦井下電機車導航地圖構建技術

通過整合礦井現有信息系統的數據資源、硬件設備資源、視頻設備資源等，基于礦井空間布局二維重構技術，基于GIS地圖，構建輔助運輸用的GIS，應用于車載終端導航和地面調度中心。如圖1所示，基于礦井GIS地圖，憑借先進的人機交互方式，實現礦井可視化管理監控、數據分析駕駛艙等功能。用以提升礦井決策效率，實現礦井的智慧化管理和運營。

圖1 基于GIS的車載終端導航地圖

根據實際情況動態管理維護井下地圖信息（線路信息），創建/編輯線路時支持添加實際的道路組件，例如，道路上的紅綠燈、標志物、司控道岔等，使得礦井的地圖更加精準，為車輛的實時位置信息提供依據。

3.2 電機車自主導航

井下電機車在行駛過程中，車載終端將基于激光雷達和RFID的電機車動態融合定位技術計算獲取電機車的實際位置，車載終端運用多融合精確定位技術，將各種受限空間，包括彎道、限速區域、紅綠燈路口等各種復雜路況下進行車速管理，提高安全性能。

3.3 障礙物識別和避障功能

電機車在煤礦井下運行，復雜的地質條件和運行環境帶來了不確定性。輔助駕駛、遠程駕駛、遙控駕駛電機車應能精準識別出井下巷道內軌道空間中的靜態、動態物體，并進行相關的避障動作。電機車具有AI識別功能，識別到人員和車輛會自動減速停車。

3.4 彎道減速

在彎道入口處/出口處布置定點傳感器標簽，對機車的速度進行管理。圖2為彎道減速示意圖。限速分等級進行限速。定點傳感器分9個等級，見表1。

表1 彎道減速布置定點傳感器含義

圖2 彎道減速示意圖

3.5 電機車防追尾

方案采用車載無線射頻信號和車載終端接收器實現電機車的防追尾跟蹤技術。通過調整發射功率和接收功率，成功實現兩者有效信號傳輸距離大于規定制動距離。當兩車距離小于制動距離時按預定策略給出語音提示，或執行剎車。

3.6 電機車能安全穿過無線網絡盲區

網絡偶爾的異?；蛘吣硞€點的短期弱覆蓋情況的存在，對輔助駕駛、遙控駕駛用電機車的一個基本要求是：在某個特定的弱覆蓋（比如2個無線基站的cell交界處），電機車能安全地穿過盲區。且這個弱覆蓋區域并非某個特定的區域，會隨著網絡的動態變化而變化。

3.7 實現智能化電機車的可視化監控

車輛視頻系統全視角的監控軌道輔運設備及線路狀態，實現可視化監控和調度；通過地面顯示屏或井下硐室顯示屏、工作站、礦上網絡等，根據權限設置，實現對運輸過程的全程可視化監控，并提供所見即所得的實時可視化調度。

（1）移動視頻。實時上傳機車移動視頻至車輛調度系統，以便相關領導和調度人員能夠及時、直觀地掌握井下運輸狀況。

（2）遠程駕駛、自動駕駛（按照指令自動駕駛）等功能。

（3）輔助運輸電機車智能調度功能，調度及運行數據的管理和回放功能。

3.8 其他功能要求

（1）運行機車具備即時語音通訊功能；

（2）主要運輸大巷和車場應設置視頻監控系統，并能實現遠程瀏覽；

（3）根據煤礦井下現場實際情況，在巷道口、硐室口、彎道處設置機車運行自動控聲光預報警信號裝置，機車頂車作業具備自動聲光警示報警裝置。

4 智能化電機車具備的駕駛模式

4.1 電機車遙控駕駛模式

電機車配有礦用本安型遙控接收器，通過手持礦用本安型遙控器可控制電機車的啟動、停止、前進、后退、點動、加速、減速等操作。方便電機車司機井下摘掛鉤、倒車等情況。

4.2 輔助駕駛功能

當司機在車上進行手動模式時，車輛的處于手動模式，人工操作的級別最高。機車監控系統能進行相關的狀態顯示和記錄。機車能識別障礙物、關鍵位置點等，并報警提醒司機進行相關的操作。

4.3 遠程駕駛功能

系統支持調度人員或司機在遠程駕駛機車，通過計算機、防爆計算機可在調度室或者井下硐室操作駕駛機車完成運輸任務。只需在裝料點和卸料點（車場）匹配人員裝卸貨物，整個運輸線路上無須司機隨車，運輸過程中，車輛上不需要司機。

遠程駕駛軟件界面上可顯示所駕駛機車在運輸線路上的具體位置，機車運行的參數，前后視頻。

遠程鍵盤及遠程駕駛界面的控制區，具有前進、后退、加速、減速、增壓、使能、急停、牽停、鳴笛、燈光、運行模式等按鈕，調度人員或司機可通過這些按鈕實現遠程駕駛。

5 結語

煤炭企業生產面臨地質構造復雜、自然災害多、開采難度大、采煤裝備自動化程度低、可靠性差等各種問題。建設智慧礦山，變革煤炭生產方式已成為煤炭行業和企業生存、發展的重大戰略需要。智能化電機車作為一種新的煤礦輔助運輸設備，對于解決煤礦輔助運輸從業人員多，改變傳統的運輸方式具有重大意義，是未來煤礦輔助運輸發展的趨勢。