電機車無人駕駛系統設計及應用實踐*

陳玖德,康小剛

(酒泉鋼鐵集團 信息自動化分公司,甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

20世紀70年代,瑞典基律納地下鐵礦利用無線通訊技術研發了無線遙控電機車,實現了井下電機車的無線遙控駕駛。目前,國內井下軌道運輸系統運行模式仍為現場崗位人員與電機車駕駛員相互配合完成電機車的對車、裝礦、行車、卸礦等過程,工作人員上下井換班使運輸有效時間大大縮短,造成裝礦效率低下、裝載異常等問題,同時具有較大的安全隱患。而且礦山企業井下運輸環境惡劣,招工極其難。近年來,隨著我國數字化產業及工業互聯網技術的蓬勃發展,運用人工智能、無人駕駛等技術實現智慧礦山建設成為礦山企業發展的必然趨勢。首鋼下屬礦山杏山鐵礦于2013年11月7日上線了國內第一家電機車無人駕駛系統,該系統一直穩定運行至今,成功解決了軌道運輸系統需多名操作人員在現場的弊端。

電機車無人駕駛技術難點主要集中在障礙物識別避讓、電機車精確定位、行車調度等方面[1-3]。為進一步彌補國內井下有軌復雜運輸環境自動化無人駕駛技術的不足,筆者選擇祁連山鐵礦運輸水平電機車全自動無人駕駛展開分析。經考察,祁連山鐵礦運輸水平的環境惡劣且運輸設備技術落后,導致運輸效率低下。井下礦料運輸幾十年來全部采用人工現場操控,具有人員密度大,生產工藝落后,勞動強度和危險性高等缺點。因此,提出了一種新型的井下復雜環境無人駕駛電機車運輸技術實際應用方案,探討主干有線網絡融合無線WIFI和全自動控制運輸系統應用實踐,促使井下運輸作業效率大幅提升,使各運輸環節安全可靠。

1 電機車自動控制運行系統構成

通過對成熟工業控制硬件及軟件的進一步優化設計并應用,該系統可實現電機車系統的全自動運行,即形成自動裝礦和自動卸礦,以及鐵礦石自動破碎子系統集成式、一體化運行模式,形成一套全自動控制運行綜合生產管理系統。電機車自動控制運行系統結合通訊系統、自動化系統、網絡系統、機械系統、電氣系統、遙控系統、信號系統,以最優行駛路線及成本效益為導向進行車輛的運行指揮,以提高軌道線路的利用率、容量和安全性。

電機車無人駕駛自動控制運行系統包括:調度單元、電機車單元、裝礦單元、卸礦單元、井下軌道單元、網絡通信單元、供電單元、運行控制單元、鐵礦石破碎單元,各單元之間協調配合,實現地面遠程控制生產,系統高效地完成生產任務,改善了現場作業環境、優化生產運輸調度、合理利用資源、降低生產成本、保障生產作業安全,最大限度地縮減現場作業人員。該系統構成如圖1所示。

圖1 電機車自動控制運行系統

2 電機車自動控制運行關鍵技術

2.1 電機車自控運行系統

電機車車頭部位安裝了車載控制系統,該系統可通過無線、有線網絡與集中調度室控制系統進行通訊,即接收集中調度室操作臺系統的指令,并將電機車的運行狀態數據等信息傳送給集中調度室操作臺。此外,電機車車頭還安裝了攝像頭,攝像頭經無線網絡與主控室通信,實現遠程路況視頻監視。

電機車自控運行系統(AOC,Automatic Operation Control)對所有電機車的運行情況進行監測和遠程控制。為確保車輛連續、安全的運行,該系統設計了車輛精確定位、自動保護功能,并為實現無人駕駛提供電機車自動運行方案。車載設備安裝在機車內并采取減震措施。電機車本體自動控制還涉及車載無線與有線通訊系統、車載電源子系統、車載控制箱、車載視頻子系統、操作臺設計安裝、精確定位子系統等。下面對關鍵技術進行詳細介紹。

(1) 車載控制箱 此車載控制箱如圖2所示,其安裝功能模塊(如高速脈沖計數、CAN 通訊、485 通信、數字量、模擬量等擴展模塊)可實時采集電機車的各種信息參數。參數主要包括機車位置、運行速度、運行方向和運行狀態等。車載控制器通過WIFI無線網絡接收無線基站轉發的控制指令后,根據指令控制電機車運行。車載控制器對電機車運行狀態進行實時檢測、判斷和分析,并對出現的故障信息進行報警和自動保護。電機車車頭的照明燈、電笛、警示燈、升降弓均為自動控制。

圖2 車載控制器內部圖 圖3 電機車現場圖

車載控制器通過控制電磁閥實現對電機車的氣制動、氣路受電弓的上升和下降、氣喇叭的鳴笛等自動控制操作。當電機車拐彎時,車載控制器通過控制電磁閥實現氣喇叭的鳴笛,同時控制報警燈進行蜂鳴閃爍。當電機車行駛至溜井等位置時,車載控制器通過電磁閥控制受電弓進行自動降弓操作。電機車斷電滑行,通過溜井等位置后,氣動受電弓自動升弓。當電機車運行出現故障時,剎車系統執行緊急制動指令。

(2) 車載監測傳感器 車載監測傳感器檢測變頻器的工作狀態及電源系統的工作狀態,可實時監測機車的運行狀態并進行故障預警。電機車本體安裝的傳感器包括DC550V電壓變換器、DC24V/DC12V電壓變換器、測速傳感器等。測速傳感器通過實時檢測碼盤的脈沖頻率計算車速,實現電機車的速度和位置檢測。電機車監測的參數主要有DC550V電壓、電流,這些參數可控制回路DC24V/DC12V的受電弓位置、主回路的開關位置。

(3) 車載網絡攝像機 電機車車頭的網絡攝像頭如圖3所示。

攝像機通過WIFI車載客戶端與地表控制室實現通信,監視升降弓狀態及機車前方的運行狀態,將電機車前后的畫面實時傳送至地表控制室,以進行遠程開車路況監視。網絡攝像機支持通過瀏覽器(Internet Explore)進行遠程圖像、動態IP地址訪問,具備紅外可視功能,在光線很差的情況下仍可以獲得高品質圖像。

2.2 電機車精確定位方案

電機車的精確定位對實現電機車全自動無人駕駛至關重要,為實現車輛位置信息數字化、運行過程可視化和調度指揮一體化的總建設目標提供基礎保障。電機車的精確定位需根據現場的實際行駛位置和區段進行設計,以實現受電弓的自動升降切換、區間內自適應巡航、電機車到裝載站完成自動裝礦、到卸載站完成自動卸載等循環工作流程。

文章采用獨特的電機車定位方式實現電機車的精準定位,即控制中心計算機將收到的信息顯示在屏幕上,同時保存到數據庫,并結合電子地圖,實時顯示某個區域內車輛的數量和分布、車輛的移動路線,進而對設備進行實時定位和跟蹤、查詢車輛的實時位置、實時顯示定位信息、查詢某一歷史時刻的定位信息。下面對定位裝置進行詳細介紹。

(1) 安裝測速編碼器 電機車本體通過外加測速裝置輸出測速脈沖,PLC 系統根據單位時間內收到的脈沖信號及脈沖量與實際距離計算電機車的真實速度,同時實時顯示出電機車的前進和倒退狀態。結合現場實際情況,將編碼器安裝在電機車頭的減速機上,測速和行駛位置米數均通過測速裝置產生的脈沖數進行相應的換算得出。所測數據用于進行實時采集、判斷、分析、控制、執行、顯示和存儲等各種相關服務。

(2) 安裝定位標簽 運行和裝礦過程中,電機車頻繁地前進、后退會給計量帶來誤差,造成電機車定位偏差。為了消除減小位置偏差,為電機車運輸巷道的關鍵點位(巷道進出口、裝礦溜井進出口、卸礦站進出口、電機車停車場進出口等)安裝定位標簽,如圖4所示。同時,電機車機頭安裝標簽檢測裝置,標簽在水泥枕木上打孔進行固定。當電機車經過安裝標簽的位置時,系統將自動對電機車的位置進行修正,以保證電機車的精確定位。文中研究應用的祁連山鐵礦運輸水平電機車的行駛位置由機車狀態、速度(由機車控制機上傳或編碼器上傳)、方向、調度路段多項數據進行動態確定。當機車通過定點檢測裝置時,將對機車的精確位置進行修正?，F場出現異常工作情況時,將對電機車的精確定位及電機車的總里程等參數進行修改。

2.3 車載電源系統

電機車駕駛室內安裝車載電源系統,此電源系統對電機車及車載設備的工作電源進行管理。其中,車載供電狀態包括架線的實際供電參數和受電弓的升降狀態,以及電壓及負荷檢測。系統同時具備蓄電池功能,DC24V作為駕駛控制臺及車載客戶端的工作電源;DC12V 作為車載傳感器、攝像頭和定位裝置的工作電源。車載電源箱具備車載電源供電狀態監測及各等級電壓轉換功能。

2.4 機車障礙物識別防碰撞系統

防碰撞系統是電機車設計改造的重點,此系統的設計好壞關系著作業設備的安全程度[4]。改造的電機車具有較好的障礙物檢測功能,結合了電子地圖、機車定位單元、機車速度及現場實際特征,可探測前方障礙物,減少了誤判停車;檢測到障礙物后會發出安全預警,同時控制機車降速或制動等。

該子系統工作原理為:機車前側安裝雷達,實時掃描,通過視頻輔助進行分析判斷,檢測機車行進過程中軌道障礙物的情況,當發現行車方向軌道存在障礙物時,系統會發出報警指令,機車單元采取停車措施,避免碰撞事故的發生,保障行車安全。

電機車障礙物檢測用激光雷達如圖5所示。雷達采集電機車前方信號時會將數據送入控制器,由控制器進行分析運算。車載控制器通過采集一定距離范圍內返回的激光雷達波,計算出障礙物與電機車之間的距離。為了保證運行安全,激光雷達傳感器能夠實時動態計算電機車與障礙物之間的距離,并通過動態計算劃分行駛安全范圍的等級(一級為預警級,二級為停車級)。系統能夠實時動態計算出電機車與前方障礙物的相對距離,并且通過計算預判電機車與障礙物的碰撞時間,同時能夠修改相應行駛安全范圍的級別。系統通過計算預判電機車與障礙物的碰撞時間,及時發出報警警告,并輸出停車制動控制信號,保證電機車運行安全,同時電機車控制軟件數據庫保存彎道模型,用來區分彎道和障礙物,可及時對機車采取控制和報警措施。

2.5 主干網絡與運輸巷道WIFI無線通訊網絡融合

文章電機車無人駕駛網絡通信系統設計集成礦山通信現狀及固有特點,形成通訊、監控一體化的網絡系統,并采用統一標準的工業以太網網絡架構及當前國際流行的有線和無線相結合的技術方案。其中,有線基礎網絡架構基于1 000 Mb/s光纖以太網構建,無線網狀架構基于標準WIFI技術,此網絡系統為運輸水平設備的數據傳輸提供了一個穩定流暢的公用平臺。

網絡系統中,無線網絡系統采用WIFI通信技術,時延率低于20 ms,丟包率不超過1‰,通訊協議為工業以太網,固有有線骨干網絡和WIFI通信基站進行通訊以實現電機車的控制及狀態監控和實時定位等功能,通信基站如圖6所示。電機車無人駕駛系統運輸水平的分站交換機通過主站交換機和控制中心的核心交換機接入系統骨干網絡,通過控制系統直接讀取有線網絡交換機的工作狀態,并將監控狀態實時顯示在調度指揮中心。

圖6 基站現場圖

無線分站間采用光纜連接,直接與控制主機通訊,以保障通訊的高質量和高穩定性[5]。文章采用礦用本安型通信基站,可以自由連接各種拓撲結構的網絡,適合復雜的巷道結構,并且有線和無線接口結合,可構造出靈活多樣、適應性強的接入模式,滿足目前和未來各種業務的接入需求,實現了寬帶綜合通信和設備小型化、系統簡約化設計的有機融合,通信設備的光纖插口、電源插口和天線插口設計均為插接式,支持熱插拔。系統設計充分考慮到礦井的施工環境,減少設備種類,網絡結構簡單,布線簡潔,安裝容易,維護方便,使系統簡潔、高效、可靠,在節約建設成本的同時也減少安全隱患,保證系統的高可靠性。

無線網絡結合實際環境,根據現場具體情況(如主要巷道、交叉道口、必經之路等重要位置),在運輸區域和巷道中放置一定數量的礦用基站,兩基站的通信距離與通信狀況調整到最佳狀態,通信基站配置兩根定向天線用以覆蓋巷道的兩個方向,基站同時配置兩根全向天線,天線和基站之間通過射頻線連接,可以插拔。該基站可以極大地提高網絡數據的傳輸質量,且支持STP,可以自由地組成各種結構的環網,在工業環境下有效避免線纜和設備損壞導致的網絡癱瘓,提高了無人駕駛系統網絡通信的穩定性。

每個隧道機柜旁安裝一個配電箱為AP供電;機柜內安裝1套工業電源為AP提供可靠電源保障;AP天線安裝在隧道內壁,距鐵軌上方高度約1.5 m;AP天線固定在安裝支架上,安裝支架固定在墻壁上,此設計滿足了復雜的礦井環境要求。

3 應用實踐

全自動控制無人駕駛系統投用后,將電機車司機、放礦工、卸礦工、破碎工合四為一并統一由系統操作員進行監控,實現多臺電機車安全有序自動運行。

該系統可統一協調生產,提高生產及管理效率,即自動運行系統實現自動運行、對車、連續放礦、卸礦和破碎操作,減少了操作時間。調度室對系統進行集中管理,調度人員實時掌握現場生產情況,對指令進行準確及時的上傳下達,避免人為操作不當產生的掉道、追尾等安全運行隱患。此外,取消崗位操作人員,電機車本體保護生產過程中現場無崗位人員,崗位操作人員和管理人員在控制中心進行操作或監視,遠離粉塵和不安全隱患,不僅改善了工作環境,而且徹底消除了系統存在的人員安全隱患。此系統實時顯示電機車設備的運行狀態,便于操作員隨時掌握設備信息;能夠生成設備狀態的相關報表,便于設備部門對設備故障進行有效分析,為設備預檢修提供數字支撐;能夠實現區間定速行駛,避免重復剎車對設備的損壞,能保證設備和系統的長周期穩定運行,降低設備維護頻次和費用;系統設備硬件采用國內外成熟的技術產品,穩定性強,維護簡單方便,性價比高。

4 結 語

針對目前礦山井下有軌復雜運輸環境及運輸設備技術落后,運輸效率低下的問題,提出基于有線骨干網絡與無線網絡融合、優化的PLC控制系統、聯鎖控制系統、遠程監測系統、安全防護系統、供電測控系統的全自動無人駕駛系統。該改造設計的電機車全自動無人駕駛系統可實現井下多臺電機車運輸的安全有序調度、全自動控制運行、電機車工況參數及位置信息的實時顯示,實現電機車全程自動化集成式作業,改變現有的多人現場交接班值守作業模式,提高運輸效率,節約人工成本,顯著提高企業生產的效率和安全性。此外,該系統可以實時監控顯示電機車運輸各環節子系統的運行狀態,通過遠程監測設備運行狀態,診斷異常信息,實現設備運行故障分析和診斷,并為維修決策提供依據,避免非計劃停機維護,降低人員勞動強度和安全風險,為實現企業效益最大化目標做出貢獻,并取得了良好的社會效益和經濟效益。