煤礦井下車輛無人駕駛關鍵技術探究

中圖分類號：TD82；TN929.53 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）04-0004-03

Abstract： In order to build a safe，efficient， green， and intelligent production environment， various advanced technologiesneed to beadopted to reduce thenumber of workers inunderground mines.According to statistical data， the proportion of auxiliary transportation personnel in coal mines in China exceeds one-third of the total number of mine operators.Therefore，reducing the number of auxiliary transportation personnel in coal mines is conducive to building a safe，efcient， green，and intelligent mining environment.Basedon this，exploring the key technologies of unmanned driving of vehicles underground in coal mines is of great significance.

Keywords： coal mine; autonomous vehicles; 5G technology

煤礦井下車輛無人駕駛的特點

1.1提高安全性和效率

無人駕駛車輛在煤礦井下的應用，可以提高生產的安全性和效率。首先，運用前置探測雷達的掃描功能，將掃描結果與三維模型進行詳細對比，并通過機車視頻流的智能識別技術，實時地監控軌道前方是否有人員或其他設備出現，同時也能確保機車之間維持安全距離。在緊急情況下，無人駕駛系統會自主啟動緊急制動功能，保證安全。其次，無人駕駛系統能夠24小時不間斷運行，大幅延長了作業時間，提高了生產效率。同時，通過精準的自動裝礦、自動計量等功能，無人駕駛系統還能夠節省大量人力成本。

1.2智能化程度高

煤礦并下無人駕駛車輛集成了多種先進技術，如人工智能、大數據、云計算等技術，具有較高的智能化程度。無人駕駛系統則能夠根據巷道工況情況進行設計布置和區間劃分，實現區間聯鎖等各類聯鎖控制。在遠程控制和自動駕駛模式下，系統能夠實時監控各運輸列車位置、車號及信號機、道岔以及巷道工況，確保列車安全運行。同時，車載終端能夠實時采集車輛各個系統的數據，自動分析列車的各項指標是否正常，只有正常的列車才能投入運行，進一步保障了生產的安全性。

1.3多信息融合

在煤礦井下無人駕駛系統中，多信息融合技術得到了廣泛應用。憑借融合激光雷達、毫米波雷達、紅外攝像機、可見光攝像機等多種傳感器的信息，系統能夠更準確地識別障礙物和測量距離，進而做出相應的決策。如果出現難以決策的情況，系統可由地面控制系統接管。

2 煤礦井下車輛無人駕駛關鍵技術分析

2.1網聯化技術

在地面交通與露天煤礦場景中，網聯化技術的核心是融合C-V2X直接通信技術與5G蜂窩網絡。而對于地下煤礦環境，當前的試驗重點是通過5G技術實現遠距離駕駛的目標。具體而言，LTE-V2X直連通信能將空中接口的時延減少到最多 20ms ，而其進階版NR-V2X（新空口-V2X）直連通信則旨在將時延進一步壓縮至3ms以內，同時支持單播、組播、廣播等多種傳輸模式，并能執行基于反饋的傳輸機制，展現出更低的時延和更強的可靠性[2]。但NR-V2X直連通信目前仍處于試驗階段，相應的研究偏少。

現階段，5G技術在煤礦領域中得到了廣泛研究，具體建設與應用正經歷著快速發展的階段。現階段，實地試驗與初步應用已經驗證了5G遠程駕駛以及5G與UWB相結合的車輛管理技術的有效性，為V2N業務需求提供了堅實的支撐。在通信場景方面，煤礦井下上行鏈路的傳輸資源尤為重要。要想滿足該需求，礦用5G系統需配置為支持1D3U的幀結構。同時，為了緩解5G系統上行傳輸的負擔，還需要進一步探索和研究煤礦井下自動駕駛車輛聯網技術的其他頻譜資源利用方式。

基于此，針對煤礦井下自動駕駛中C-V2X直連通信的研究意義重大，主要研究方向涵蓋以下幾個方面：

（1）礦井巷道環境下5G信號傳輸特性研究。考慮到5G系統有多種傳輸頻段，有必要在煤礦井下特定環境中對5G頻段信號傳輸特性予以全方位的研究，奠定井下C-V2X系統在信號覆蓋方面的基礎。

（2）關于礦井內直接通信時間同步機制的探討。根據我國通信行業的標準規定，LTE-V2X設備主要依賴全球導航衛星系統（GNSS）進行時間同步。但在井下特殊環境中，GNSS信號無法覆蓋，進而需要對直接通信中的時間同步機制進行更為深入的理論研究和實證檢驗。

（3）針對礦井獨特環境下自動駕駛具體場景及其對應的應用層協議的研究。因為C-V2X的應用層協議原本主要為地面交通系統設計，所以必須對礦井自動駕駛應用進行深入探索，并開發出符合礦井環境特點的應用層通信協議。

（4）探討多種接入技術的融合機制。在C-V2X、5G等多種無線通信技術并存的復雜網絡背景下，需要構建多元化的業務需求模型，細致剖析不同業務需求與各種無線接入技術之間的契合度及選擇策略，從而達成技術的完美融合與性能的最大化提升。

2.2定位技術

2.2.1超聲波定位技術

在煤礦井下環境中，超聲波定位技術的核心在于超聲波雷達的測距能力。該技術的工作原理是，首先超聲波雷達將超聲波脈沖向移動的目標進行發射，并開始記錄時間（將此時間標記為 T₀ ）。一旦雷達接收到移動目標反射回來的超聲波信號，便會立即停止計時（將此時刻標記為 T₁ ）。通過計算超聲波信號從發射到接收的時間差，并結合已知的超聲波傳播速度，可以推導出移動目標與超聲波雷達之間的距離，具體計算方法如式（1）所示。最后，結合雷達的固定安裝位置信息，即可實現對移動目標的精確定位。

式中， L₁ 是目標與超聲波雷達之間的直線間隔距離； V 是超聲波在空氣中的傳播速率； T₁ 和 T₀ 的時間差是超聲波在雷達與目標之間往返所耗費的總時長。

超聲波定位技術具有多項優勢，包括對粉塵環境的不敏感性、不受光照條件約束、無須在移動目標上安裝額外定位設備等。但該技術也存在一些局限性，即測量距離受限、定位精度有待提升等。因此，在煤礦井下對車輛及人員等移動目標進行定位時，超聲波定位技術可能并非最佳選項。

2.2.2激光定位技術

在煤礦井下的特殊環境中，激光定位技術的工作原理主要表現為激光測距。其操作流程如下：首先，由激光發射器向移動目標發射激光光束，并記錄下此時的時間點（標記為 T₂） ；當激光接收器探測到從移動目標反射回的激光光束時，計時停止（將此時刻標記為T₃ ）。計算激光束從發射到接收的時間差，再根據已知的激光傳播速度，就可以推導出移動目標與激光發射接收裝置之間的距離，具體計算方法如式（2）所示，然后結合裝置的位置信息，即可實現對移動目標的精確定位。

式中， L₂ 是移動目標與激光發射及接收設備之間的直接距離； c 是激光在傳播介質中的速度； T₃ 和 T₂ 之間的時間差是激光束在激光發射及接收設備與移動目標之間往返所需的總時長。

2.2.3無線電定位技術

現階段，無線電定位技術在煤礦井下車輛和人員等移動目標的定位需求中得到了廣泛應用。煤礦的車輛與人員定位系統主要由定位分站、定位標簽等硬件構成。其中，定位標簽由井下作業人員隨身攜帶，或者安裝在車輛上，內含定位算法和身份識別信息。一旦定位標簽進入定位分站的信號覆蓋區，它會將身份識別信息傳遞給定位分站，進而明確標簽的準確位置。標簽不僅具有定位功能，還能進行報警、接收指令等多項操作。而定位分站則布設在巷道內，接收并處理標簽的信息，并與標簽協同計算具體位置，以及接收來自標簽的事故報警信號，并向標簽發送緊急撤離指令。同時，定位分站還能夠利用網絡交換機等設備與主控單元之間實現雙向通信，確保系統的整體運行與監控。

在煤礦井下環境中，針對移動目標的定位系統，常用的無線電定位技術涵蓋RFID、ZigBee、UWB、Wi-Fi6等多種技術。其中，RFID技術具有系統結構簡單、成本較低等優勢，在早期礦井目標定位中得到了廣泛應用，但其局限性在于無法實現連續測距和定位，僅能提供區域性的定位服務[3]；相比之下，ZigBee技術彌補了RFID技術存在的缺點，無線覆蓋范圍最大可達 800m ，定位誤差通常保持在 3m 以內，盡管其系統成本低于UWB，但在定位精度上略有不足，并且存在非視距誤差的問題；UWB技術除了成本偏高以及非視距誤差，包含前面兩種技術的所有優點；Wi-Fi6技術在精度方面低于UWB，且同樣具有UWB的缺點。在具體應用方面，需結合煤礦井下實際情況，選擇相應的技術。

2.3路徑規劃及主動避障技術

在煤礦井下無人駕駛車輛的應用場景中，路徑規劃的核心任務是在錯綜復雜的障礙物環境中，基于特定的評價標準，為車輛規劃出一條從起始點到目的地的無障礙行駛路線[4。此過程常被劃分為全局路徑規劃和局部路徑規劃兩大步驟。不同于地面行駛條件，煤礦輔助運輸巷道的環境更加特殊，如封閉、路況簡單以及雙車道寬度的限制等，但也存在路面凹凸、積水、頻繁的直角轉彎等情況。在對具體路徑進行全局規劃時，車輛需要立足于現存的數字化礦井巷道地圖，以及運輸要求，按照路徑最短、能耗最低、安全性最高等準則，選取相應算法，迅速制定出一條最優路徑。鑒于煤礦井下的巷道并非完全封閉，會發生突然出現人員、設備等障礙物的狀況，同時巷道也可能因采礦活動而動態變化，或是在地質壓力活動的作用下發生形變。對此，需要通過局部路徑規劃調整車輛行駛路徑，實現主動避障和安全行駛。局部路徑規劃是指根據全局最優路徑，結合感知系統實時獲取的環境信息，為車輛規劃出即時行駛路徑。

例如，對于八叉樹數據結構而言，能夠存儲車載深度相機采集的點云數據，然后將其生成Octomap地圖，為煤礦井下無人駕駛車輛的運動規劃提供支持。在規劃全局路徑的過程中，可以利用啟發式搜索的A*算法，建立覆蓋整個作業區的柵格地圖，并基于路徑最短的要求，優化全局路徑。而在局部路徑規劃上，可采用DWA算法，通過計算機器人在不同速度下的可能運動軌跡，精確選擇出最優軌跡相應的速度，引導井下車輛行駛。雖然以上方法為煤礦井下無人駕駛車輛的自主路徑規劃和安全行駛積累了寶貴的實踐經驗。但現階段大部分算法只是應用于仿真測試，需通過實地測試驗證。為了確保無人駕駛車輛在煤礦井下穩定運轉，應結合特定的礦井環境和輔助運輸車型，制定專門的規劃算法和控制措施。

2.4地面遠程控制與無線通信技術

煤礦井下無人駕駛車輛包含多種操作模式，諸如自動駕駛、地面遠程控制等。其中，在自動駕駛方面，如果車輛面對復雜路況難以決策，則由地面遠程控制系統進行接管。在該模式下，地面操作人員需結合傳輸到地面控制系統的相關數據，即圖像和聲音、車輛位置和工況信息等，遠程操控車輛。同時，地面控制指令也需迅速下達給車輛。而要想實現以上效果，礦用寬帶無線通信系統需滿足大帶寬、低時延和高可靠性的要求。現階段，礦用寬帶無線通信系統主要有兩種選項：礦用5G系統和礦用Wi-Fi6系統。其中，礦用5G系統具有大帶寬、低時延、高可靠性的特性，被認為是礦井車輛地面遠程控制的首選技術方案，雖然成本較高，但是5G技術目前已在部分煤礦部署應用，為實現煤礦井下大數據低時延傳輸提供可靠的技術保障。礦用Wi-Fi6系統雖然結構簡單且成本較低，但是在時延和可靠性方面可能無法滿足理想標準。因此，結合目前煤礦井下通信技術的發展現狀與趨勢，5G技術將作為在礦井無人駕駛與遠程控制領域的主要通信技術。

3 結束語

綜上所述，通過對煤礦井下車輛無人駕駛關鍵技術進行詳細探究發現，該領域的發展潛力巨大，能夠有效提高煤礦井下作業的安全性和效率。隨著本文提到的關鍵技術不斷進步和優化，煤礦井下車輛無人駕駛將會更加成熟和可靠，為煤礦行業的安全生產和效率提升貢獻更大的力量。

參考文獻

[1]楊豚，郭永存，王爽，等.煤礦井下無人駕駛軌道電機車障礙物識別[J].浙江大學學報（工學版），2024，58（01）：29-39.

[2]周李兵.煤礦井下無軌膠輪車無人駕駛系統研究[J].工礦自動化，2022，48（06）：36-48.

[3]李晨鑫，張立亞.煤礦井下網聯式自動駕駛技術研究[J].工礦自動化，2022，48（06）：49-55.

[4]韓江洪，衛星，陸陽，等.煤礦井下機車無人駕駛系統關鍵技術[J].煤炭學報，2020，45（06）：2104-2115.