基于礦井GIS地圖的煤礦智能化電機(jī)車升級(jí)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(shè)取得積極進(jìn)展，從中央到地方，智能化礦山建設(shè)的相關(guān)文件頻頻出臺(tái)，煤炭行業(yè)吹響了向智能化煤礦邁進(jìn)的集結(jié)號(hào)，雖然煤礦的智能化建設(shè)取得了階段性的成果，但是距離全面實(shí)現(xiàn)智能化煤礦建設(shè)還有較大的差距。

眾所周知，技術(shù)革新是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要?jiǎng)幽?，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)應(yīng)用于煤礦，為煤礦行業(yè)的裝備升級(jí)提供了基礎(chǔ)保障。智能化電機(jī)車就是基于GIS地圖、5G通信網(wǎng)絡(luò)及AI技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造的輔助運(yùn)輸設(shè)備。

本文對電機(jī)車智能化改造升級(jí)及在煤礦井下應(yīng)用進(jìn)行研究，列舉出智能化電機(jī)車的技術(shù)要求，具備的功能，所需要的設(shè)備，所具備的駕駛模式等方面做出介紹，為提高礦井生產(chǎn)效率與新建礦井輔助運(yùn)輸方式的選擇提供新思路。

1 電機(jī)車智能化升級(jí)改造內(nèi)容

智能化電機(jī)車以無線通信網(wǎng)絡(luò)及千兆工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)，以軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)為依托，采用井下機(jī)車精確定位技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)和礦井GIS地圖系統(tǒng)技術(shù)，并結(jié)合電機(jī)車變頻控制及遠(yuǎn)程擬人化操作的礦井安全生產(chǎn)運(yùn)輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車智能駕駛。系統(tǒng)具有多種控制工作模式：在裝卸作業(yè)環(huán)節(jié)，配備手持式遙控器，就近遙控控制；干線主運(yùn)輸線路，由地面控制中心擬人化操作臺(tái)遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制；在不需要遙控或自動(dòng)控制時(shí)，使用人工控制。

改造內(nèi)容主要包括制動(dòng)系統(tǒng)、車輛傳感設(shè)備系統(tǒng)、車輛智能控制和執(zhí)行系統(tǒng)。車輛改造后具備的功能包括：障礙物的識(shí)別、避障等功能、車輛自動(dòng)制動(dòng)和停車、車輛具備遠(yuǎn)程被控功能、在調(diào)度系統(tǒng)的指揮下，車輛具有自動(dòng)駕駛、車輛輔助駕駛功能。機(jī)車具有自主定位和自主避障功能，使得不完全依賴網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位或者調(diào)度，提升機(jī)車的主動(dòng)安全能力。

2 智能化電機(jī)車升級(jí)改造所需設(shè)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(dòng)定位裝置等組成，具有無線通信接口，實(shí)現(xiàn)與主控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

2.1 地面控制系統(tǒng)設(shè)備

在地面集控中心設(shè)置主控服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制臺(tái)等。

（1）服務(wù)器2臺(tái)，用于測控?cái)?shù)據(jù)的處理、流媒體服務(wù)、WEB發(fā)布、通信服務(wù)管理等。

（2）千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)2臺(tái)。用于與井下專用環(huán)網(wǎng)之間的通訊，并與控制臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）海康威視網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)1套，用于井下移動(dòng)視頻、固定點(diǎn)視頻攝像儀的信息采集、儲(chǔ)存和處理。

2.2 遠(yuǎn)程駕駛控制臺(tái)

在地面調(diào)度中心設(shè)置的遠(yuǎn)程控制臺(tái)，對井下智能電機(jī)車進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。主要設(shè)備：工控機(jī)、嵌入式觸摸屏計(jì)算機(jī)，用于組建遙控駕駛控制臺(tái)、調(diào)度控制、視頻管理等。

2.3 其他巷道內(nèi)設(shè)備

道岔、阻車器等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控、司控（遙控）或自動(dòng)控制，道岔安裝岔位自動(dòng)顯示裝置，機(jī)車通過風(fēng)門來實(shí)現(xiàn)司控（遙控）或自動(dòng)控制。

2.3.1 司控道岔改造和升級(jí)

司控道岔控制箱作為隔爆兼本安型礦用設(shè)備，用于軌道道岔驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制，控制箱在系統(tǒng)中作為司控道岔的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備，將接收到的道岔控制命令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)，完成井下軌道道岔裝置的動(dòng)作，同時(shí)將監(jiān)測到的道岔位置信號(hào)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）計(jì)算機(jī)控制：在與系統(tǒng)聯(lián)通后，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，此時(shí)其他控制無效；

（2）本機(jī)控制：使用本機(jī)按鈕實(shí)現(xiàn)本地控制，此控制方式僅當(dāng)計(jì)算機(jī)解鎖后才有效；

（3）手搖轉(zhuǎn)換：在停電或控制電路出現(xiàn)故障時(shí)，可用手動(dòng)搖柄來轉(zhuǎn)換岔尖方向。

2.3.2 礦用LED信號(hào)機(jī)控制器

信號(hào)機(jī)用來給出進(jìn)路開放與閉鎖及運(yùn)行方向信號(hào)。主要功能有以下幾點(diǎn)：

（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(yuǎn)，觀察清晰。

（2）燈光可閃爍顯示，可在進(jìn)路開放進(jìn)提醒司機(jī)、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(zhí)行此模式90s，控制設(shè)備必須在此時(shí)間內(nèi)再次控制，否則信號(hào)機(jī)認(rèn)為控制設(shè)備故障，以保證運(yùn)輸安全。

3 智能電機(jī)車升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)的功能

實(shí)現(xiàn)輔助駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、遙控駕駛，電機(jī)車應(yīng)具備主動(dòng)安全、主動(dòng)定位、運(yùn)輸狀態(tài)檢測等基本功能。

3.1 煤礦井下電機(jī)車導(dǎo)航地圖構(gòu)建技術(shù)

通過整合礦井現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源、硬件設(shè)備資源、視頻設(shè)備資源等，基于礦井空間布局二維重構(gòu)技術(shù)，基于GIS地圖，構(gòu)建輔助運(yùn)輸用的GIS，應(yīng)用于車載終端導(dǎo)航和地面調(diào)度中心。如圖1所示，基于礦井GIS地圖，憑借先進(jìn)的人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)礦井可視化管理監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析駕駛艙等功能。用以提升礦井決策效率，實(shí)現(xiàn)礦井的智慧化管理和運(yùn)營。

圖1 基于GIS的車載終端導(dǎo)航地圖

根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)管理維護(hù)井下地圖信息（線路信息），創(chuàng)建/編輯線路時(shí)支持添加實(shí)際的道路組件，例如，道路上的紅綠燈、標(biāo)志物、司控道岔等，使得礦井的地圖更加精準(zhǔn)，為車輛的實(shí)時(shí)位置信息提供依據(jù)。

3.2 電機(jī)車自主導(dǎo)航

井下電機(jī)車在行駛過程中，車載終端將基于激光雷達(dá)和RFID的電機(jī)車動(dòng)態(tài)融合定位技術(shù)計(jì)算獲取電機(jī)車的實(shí)際位置，車載終端運(yùn)用多融合精確定位技術(shù)，將各種受限空間，包括彎道、限速區(qū)域、紅綠燈路口等各種復(fù)雜路況下進(jìn)行車速管理，提高安全性能。

3.3 障礙物識(shí)別和避障功能

電機(jī)車在煤礦井下運(yùn)行，復(fù)雜的地質(zhì)條件和運(yùn)行環(huán)境帶來了不確定性。輔助駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、遙控駕駛電機(jī)車應(yīng)能精準(zhǔn)識(shí)別出井下巷道內(nèi)軌道空間中的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體，并進(jìn)行相關(guān)的避障動(dòng)作。電機(jī)車具有AI識(shí)別功能，識(shí)別到人員和車輛會(huì)自動(dòng)減速停車。

3.4 彎道減速

在彎道入口處/出口處布置定點(diǎn)傳感器標(biāo)簽，對機(jī)車的速度進(jìn)行管理。圖2為彎道減速示意圖。限速分等級(jí)進(jìn)行限速。定點(diǎn)傳感器分9個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 彎道減速布置定點(diǎn)傳感器含義

圖2 彎道減速示意圖

3.5 電機(jī)車防追尾

方案采用車載無線射頻信號(hào)和車載終端接收器實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的防追尾跟蹤技術(shù)。通過調(diào)整發(fā)射功率和接收功率，成功實(shí)現(xiàn)兩者有效信號(hào)傳輸距離大于規(guī)定制動(dòng)距離。當(dāng)兩車距離小于制動(dòng)距離時(shí)按預(yù)定策略給出語音提示，或執(zhí)行剎車。

3.6 電機(jī)車能安全穿過無線網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)

網(wǎng)絡(luò)偶爾的異常或者某個(gè)點(diǎn)的短期弱覆蓋情況的存在，對輔助駕駛、遙控駕駛用電機(jī)車的一個(gè)基本要求是：在某個(gè)特定的弱覆蓋（比如2個(gè)無線基站的cell交界處），電機(jī)車能安全地穿過盲區(qū)。且這個(gè)弱覆蓋區(qū)域并非某個(gè)特定的區(qū)域，會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化而變化。

3.7 實(shí)現(xiàn)智能化電機(jī)車的可視化監(jiān)控

車輛視頻系統(tǒng)全視角的監(jiān)控軌道輔運(yùn)設(shè)備及線路狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控和調(diào)度；通過地面顯示屏或井下硐室顯示屏、工作站、礦上網(wǎng)絡(luò)等，根據(jù)權(quán)限設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸過程的全程可視化監(jiān)控，并提供所見即所得的實(shí)時(shí)可視化調(diào)度。

（1）移動(dòng)視頻。實(shí)時(shí)上傳機(jī)車移動(dòng)視頻至車輛調(diào)度系統(tǒng)，以便相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和調(diào)度人員能夠及時(shí)、直觀地掌握井下運(yùn)輸狀況。

（2）遠(yuǎn)程駕駛、自動(dòng)駕駛（按照指令自動(dòng)駕駛）等功能。

（3）輔助運(yùn)輸電機(jī)車智能調(diào)度功能，調(diào)度及運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理和回放功能。

3.8 其他功能要求

（1）運(yùn)行機(jī)車具備即時(shí)語音通訊功能；

（2）主要運(yùn)輸大巷和車場應(yīng)設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽；

（3）根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場實(shí)際情況，在巷道口、硐室口、彎道處設(shè)置機(jī)車運(yùn)行自動(dòng)控聲光預(yù)報(bào)警信號(hào)裝置，機(jī)車頂車作業(yè)具備自動(dòng)聲光警示報(bào)警裝置。

4 智能化電機(jī)車具備的駕駛模式

4.1 電機(jī)車遙控駕駛模式

電機(jī)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(jī)車的啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退、點(diǎn)動(dòng)、加速、減速等操作。方便電機(jī)車司機(jī)井下摘掛鉤、倒車等情況。

4.2 輔助駕駛功能

當(dāng)司機(jī)在車上進(jìn)行手動(dòng)模式時(shí)，車輛的處于手動(dòng)模式，人工操作的級(jí)別最高。機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)能進(jìn)行相關(guān)的狀態(tài)顯示和記錄。機(jī)車能識(shí)別障礙物、關(guān)鍵位置點(diǎn)等，并報(bào)警提醒司機(jī)進(jìn)行相關(guān)的操作。

4.3 遠(yuǎn)程駕駛功能

系統(tǒng)支持調(diào)度人員或司機(jī)在遠(yuǎn)程駕駛機(jī)車，通過計(jì)算機(jī)、防爆計(jì)算機(jī)可在調(diào)度室或者井下硐室操作駕駛機(jī)車完成運(yùn)輸任務(wù)。只需在裝料點(diǎn)和卸料點(diǎn)（車場）匹配人員裝卸貨物，整個(gè)運(yùn)輸線路上無須司機(jī)隨車，運(yùn)輸過程中，車輛上不需要司機(jī)。

遠(yuǎn)程駕駛軟件界面上可顯示所駕駛機(jī)車在運(yùn)輸線路上的具體位置，機(jī)車運(yùn)行的參數(shù)，前后視頻。

遠(yuǎn)程鍵盤及遠(yuǎn)程駕駛界面的控制區(qū)，具有前進(jìn)、后退、加速、減速、增壓、使能、急停、牽停、鳴笛、燈光、運(yùn)行模式等按鈕，調(diào)度人員或司機(jī)可通過這些按鈕實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛。

5 結(jié)語

煤炭企業(yè)生產(chǎn)面臨地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、自然災(zāi)害多、開采難度大、采煤裝備自動(dòng)化程度低、可靠性差等各種問題。建設(shè)智慧礦山，變革煤炭生產(chǎn)方式已成為煤炭行業(yè)和企業(yè)生存、發(fā)展的重大戰(zhàn)略需要。智能化電機(jī)車作為一種新的煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備，對于解決煤礦輔助運(yùn)輸從業(yè)人員多，改變傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式具有重大意義，是未來煤礦輔助運(yùn)輸發(fā)展的趨勢。