煤礦輔助運輸防爆車輛電動化和數智化的應用研究

賀海濤，宋德軍，趙海興

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315；2.礦鴻工業互聯創新國家礦山安全監察局重點實驗室，陜西 神木 719315；3.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

神東煤炭集團于2015年開始，聯合國內廠家開發的煤礦防爆鋰離子蓄電池輔助運輸車輛經過不斷地研發試驗、實地測評與改進、增強電池性能技術[1，2]等，促使防爆電動車輛的研發推廣從環保和低碳拓展至節能、高效、安全的高質量發展方向，完全可替代防爆柴油機輔助運輸車輛。2021年4月27日，安標國家中心在神東煤炭集團公司組織來自清華大學、北京理工大學、國家能源集團、中國煤炭科工集團等單位的15位專家，對煤礦防爆鋰離子蓄電池車輛涉及的安全技術及管理問題進行專題研討。2021年10月，安標國家中心發布了《礦用鋰離子蓄電池安全技術要求》、《礦用防爆鋰離子蓄電池電源安全技術要求》和《礦用防爆鋰離子蓄電池電源充電機安全技術要求》標準，由此輔助運輸車輛的電動化開始全面推廣?！兜V用防爆鋰離子蓄電池電源安全技術要求》(MT/T 1200—2023)于2023年7月開始實施。

2020年2月國家八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，各產煤省區、煤炭生產和煤機裝備等企業紛紛行動，從不同角度開展了研究探索及工程實踐，采、掘、運、支作業智能化和無人化發展取得了較大進步[3]。神東煤炭集團首先提出在輔助運輸車輛上應用雷達、機器視覺等智能化技術，同時在井下搭建環網，采用4G或5G技術，將車輛的信息傳輸到地面。通過多年的實踐創新，已構建了防爆車輛管理系統的“一網一圖”；通過巷道準確建模和車輛定位追蹤，成功開啟了煤礦井下輔助運輸車輛無人駕駛技術新篇章。

1 車輛電動化

1.1 電動車輛類型和數量

神東礦區在用防爆鋰離子蓄電池輔助運輸車輛492輛，占車輛總數的22%。其中運人車265輛、指揮車153輛、物料運輸車63輛、11輛整體式升降平臺車；運人車主要承載人數分別有19人和10人；指揮車主要承載人數分別有2人、5人、7人和9人；物料運輸車承載能力為5 t；升降平臺車允許最大工作坡度為5°。防爆電動輔助運輸車輛每百公里能耗費用僅為同類型柴油車的6.5%，每年單輛車運行能耗成本降低近8萬元[4]。

1.2 防爆鋰離子蓄電池車輛驅動控制技術

1)鉸接式物料運輸車。采用分布式輪邊四輪直驅型式[5]，電氣系統布置如圖1所示。整車須滿足重載長距離爬坡工況，而且在運輸過程中需運行平穩和控制精度較好，由此驅動電機采用轉矩控制模式[6，7]，為整車控制器發送目標轉矩信號到驅動電機，使其輸出對應轉矩；加速踏板開度對應基準轉矩控制方式，使得加減速過程平穩，沖擊較小。

圖1 物料運輸車電氣系統Fig.1 Electrical system of material transport vehicle

為了使電能滿足物料運輸車續駛里程要求，采用四塊隔爆型電池組兩并聯、兩串聯的方式供電，提高了電壓和總功率；主、從控器的電源管理BMS架構與整車控制器VCU一起實現能量的分級管理，各層級之間通過CAN網絡進行數據通訊，實現在整車模式、分箱模式和重組模式下的能量管理[4]。

2)整體式物料運輸車。采用雙電機雙驅動橋的傳動方式，動力電池通過控制器向電動機供電，其他供電設備通過DC/DC轉換器供電，控制方式如圖2所示。轉向系統為四輪轉向，有效解決了因車輛較長引起轉彎半徑過大的問題。通過左右各1個油缸驅動轉向連桿實現整車的轉彎。

圖2 整車控制系統Fig.2 Vehicle control system diagram

1.3 提高單體電池容量

指揮車配置的防爆鋰離子蓄電池經過技術升級，在安標國家礦用產品安全標志中心規定的防爆蓄電池額定容量不超過230 A.h的標準下，其磷酸鐵鋰電池的單體電池容量提升至228 A.h，將車輛設計續航里程提升到90 km以上。

為進一步提升指揮車的使用效率，配備了便捷的電池快換系統，當續航電量不足時可實現電池直接更換功能，無需充電等待。該車型搭載了行車智能監控系統，可通過駕駛室內配置的7英寸液晶彩色顯示屏，動態顯示行車速度、運行總里程、電池組溫度、電池電量、預計運行里程、電機工作溫度、車門狀態，以及瓦斯、一氧化碳等有害氣體濃度等信息；車輛每次運行前會進行安全自檢，若有超標項時，系統自動閉鎖不能啟動。

1.4 建設煤礦井下智慧化充換電硐室

上灣煤礦率先創建輔助運輸車輛全電動化示范礦井，根據采掘面運距，共需要防爆電動輔助運輸車177輛，其中運人車21輛、指揮車40輛、物料運輸車80輛、其它專用車36輛。為解決新能源電動車頻繁升井充電、運輸效率低的問題，設計建設井下智慧化充、換電硐室，距離井口6.8 km。

井下充電硐室建設主要為電動車和電池組充電硐室兩種，獨立通風，使用阻燃材料裝飾；制定瓦斯與溫度電閉鎖、防誤插拔、緊急充電中止、電纜連接器防爆要求等安全技術措施；通過安裝紅外攝像儀、煙霧、甲烷等傳感器全方位檢測硐室環境；保障硐室安全穩定運行。每個充電硐室僅允許單輛車進行充電，采用單進單出的方式；電動車充電硐室可保證48輛/d，電池組充電硐室可滿足90組/d的車輛換電能力。

1.5 電動車無源充電系統

上灣煤礦太陽能光伏發電利用車庫屋頂鋪設光伏組件、搭載智能安全系統，組成400 kW智能化儲能系統。光伏逆變器直流側連接光伏陣列，并網型儲能變流器的交流側并聯接入380 V的交流母線上，每臺變流器直流側并聯接入一簇磷酸鐵鋰電池，可以實現能量的雙向流動，即電池的充放電。充電樁的交流側并入交流母線，可由光伏、儲能或電網供電，儲能系統進行削峰填谷使系統平滑；EMS系統根據上級調度指令完成對光儲充系統的設備信息監測，電池的充放電控制，SOC信息監測等功能。光伏發電系統可實現日供電1700 kW·h，按正常電動車單槍、單電池充電方式計算，每天可充40輛電動車，節能減排效益顯著。

2 車輛監管數字化

神東礦區在用輔助運輸車輛超過2000輛，車輛狀態參數信息、運行、檢修和管理等數據日趨龐大，為了數據的有效整合和開發利用，創建了“輔助運輸車輛管理系統”，包含的模塊有礦井地圖、車輛管理、里程統計、司機管理、設備管理、安全管理、系統管理等，車輛管理系統架構如圖3所示。車輛管理系統的技術支撐是基于神東井下人員和車輛的定位系統，利用井下4G或5G網絡和巷道基站傳輸到礦井地面調度室，通過光纖傳輸到大數據中心。

圖3 輔助運輸車輛管理系統架構Fig.3 Architecture of auxiliary transport vehicle management system

對井下車輛狀態、運行數據的健康監測、故障判斷信息、位置軌跡等實時監控和數據采集上傳；同時開發有LED道路標識屏、井下紅綠燈抓拍、閘機管理、坡道制動檢測、井下超速監測和區域激光柵欄等場景功能。

車輛管理系統將車輛數據、司機信息及定位系統進行整合，實現用車人員在線申請車輛；工作人員在線審批派遣車輛，能實時觀測車輛運行數據、具體位置以及車庫車輛余量[8-10]，使用車和派車更便捷。同時車輛檢查記錄、安全帶檢查記錄、車輛啟用率等信息也在車輛管理系統中存儲。

3 車輛智能化

3.1 車載輔助安全駕駛系統

上灣煤礦車輛主動剎車系統采用AI攝像頭、毫米波雷達、360環影視頻來監控車輛周圍的環境，將收集到的數據傳輸到車載處理器進行分析運算，控制電機驅動滾筒轉動，帶動剎車拉線制動，實施原理如圖4所示。當探測到車輛前進方向有人、車及障礙物時，車輛發出語音報警提示，如果小于設定的安全距離時，車輛將會自動制動。

圖4 主動剎車系統實施原理Fig.4 Vehicle automatic emergency braking system

布爾臺煤礦車輛輔助駕駛系統[11]中的自動緊急制動系統通過探測器可實時偵測行駛前方出現的目標障礙物與車輛之間的距離、方位及相對速度信息，當車輛與前方目標障礙物的碰撞時間達到閾值，系統會立即向駕駛員發出前向碰撞預警，提醒駕駛員主動避讓或制動措施；系統提醒后，如駕駛員沒有操作車輛采取減速或避讓措施，系統會根據碰撞危險等級大小對車輛強制減速制動或緊急制動，以避免碰撞事故的發生或降低碰撞事故發生的概率和降低碰撞事故發生后的程度；當車輛車速降低為零或碰撞險情消失，系統制動也隨之解除。自動緊急制動系統如圖5所示，原理為激光測距傳感器感知環境數據，主控制器解析數據，控制電機驅動齒條產生位移，帶動拉線制動。

圖5 自動緊急制動系統Fig.5 Automatic emergency braking system

石圪臺煤礦輔助運輸車輛采用駕駛員狀態智能AI識別裝置，可有效監測駕駛員行車狀態，杜絕疲勞駕駛。AI識別方法流程如圖6所示，通過AI智能本安攝像儀采集信號、后端主機數據分析和AI視覺算法及人工智能處理[12]，然后由報警器發出警示信號。

圖6 AI識別方法流程Fig.6 AI identification method process

該裝置安裝在車輛主駕駛室左前方，采用雙核高性能AI芯片，每秒檢測頻次可達20次，通過對駕駛員面部肌肉、瞳孔虹膜、動作等進行信號采集、識別、智能運算來甄別駕駛員是否有疲勞駕駛。駕駛員在駕駛過程中一旦出現的精力不集中、打盹、接打電話、打哈欠、閉眼0.8S以上等狀態[13]，檢測裝置會立刻發出語音報警，提醒駕駛員謹慎駕駛，注意行車安全。AI無線視頻警示裝置實現車內外前后監控、行車記錄、安全帶檢測、視頻的采集與處理、數據傳輸與同步、語音報警等功能。

3.2 智能感應自動停車和啟動預警系統

井下輔助運輸車輛尤其是駕駛室前置的鉸接式物料運輸車在運行時視線盲區很大，駕駛員不能實時觀察到突然接近車輛的人員，存在一定安全隱患。寸草塔煤礦設計了一款紅外攝像感應人員的自動停機裝置，關聯了車輛防爆柴油機停機閉鎖裝置，實現了人員接近車輛自動斷電熄火駐車功能，進一步保障了輔助運輸安全。

該套裝置的紅外攝像儀安裝在車輛尾部，只要捕捉到人員靠近車輛，控制主機就會對數據進行分析研判，當人員距離車輛超出設定的安全距離時，控制主機就會馬上做出切斷車輛主電源的命令，使防爆柴油機熄火、停車，從而確保了人員安全。

榆家梁煤礦防爆輔助運輸車輛在通電自檢時可以發出語音警示，提醒周圍作業人員及時避讓，為司機把好出車“安全關”。

3.3 空擋啟動保護裝置

液力機械傳動的輔助運輸車輛防爆柴油機由氣控啟動和熄火。設計的空擋啟動保護裝置，在換擋拉線上固定一個滑塊，且連接一個傳感器，和電磁閥及供氣系統關聯動作。當車輛處于前進或倒車擋位時，滑塊與傳感器斷開、電磁閥不工作、氣動系統不供氣，防爆柴油機無法正常啟動；當車輛擋位處于空擋時，滑塊與傳感器連接、電磁閥工作、供氣供氣，防爆柴油機正常啟動?？論鯁颖Ｗo裝置消除了車輛在非空擋狀態下誤啟動可能造成的安全風險。

3.4 工作裝置無線視距遙控技術

神東礦區應用了輪胎式鉸接車輛配置自動抓舉鋼管、卷放電纜、單臂錨桿鉆機、起吊臂、混凝土泵送等功能，三種典型作業功能的機構簡圖如圖7所示，作業功能的控制多路閥采用手動和電磁換向的切換方式，均具有無線視距遙控和機載控制兩種模式。設備啟動后，司機確認各項數據正常后，便可離開駕駛室，利用無線視距遙控駕駛操縱[14，15]，通過無線遙控系統可實現設備的行走、轉向、作業等各項功能，大幅提高工作人員的機動性和安全性。

圖7 典型作業功能的原理Fig.7 Principal schematic of typical operation functions

設備運行時，車載終端能連續采集監測數據，并保存在內部存儲介質中；車載終端不間斷監測無線通信信號，整機的實時數據、補發數據以及行車記錄視頻數據將通過礦井井下5G/4G網絡或井下WiFi以無線傳輸的方式上傳至地面管控平臺。

起吊臂車輛方便大型物件的搬運，可以實時監測及查詢各項參數，整車及作業功能均為視距遙控。防爆混凝土泵送車車身搭載可270°旋轉和90°變幅四節伸縮臂架，四節臂架可伸長至8 m；作業人員可無線視距控制泵的啟、停和臂架伸、縮動作，完成混凝土輸送。

3.5 車輛無人駕駛技術

利用人工手持3D激光雷達對上灣煤礦巷道進行整體掃描，再使用相機進行激光精細掃描，先把巷道模型建立起來，為無人駕駛車輛提供一個清晰又準確的“地圖”。將“地圖”安裝在車載主機上，便能在地圖上標定起始點和規劃具體路線[16]。當無人駕駛車輛在井下指定巷道行走時，在車身上安裝了5個激光雷達，再結合車輛本身的感知定位系統，實時觀測車輛運行狀態和感知路況[17]，比如巷道寬窄距離，路面是否凹凸、路旁是否有信號、路前方是否有硐室等。

無人駕駛技術包括：高精度井工礦無人駕駛車輛控制技術、多源異構感知融合技術、主從無人駕駛控制器冗余設計技術、井工礦多車協同決策規劃技術、車路協同感知決策技術、井工礦語義高精地圖構建技術。設備清單見表1。

表1 無人駕駛技術設備清單Table 1 List of technical equipment for unmanned driving

當無人駕駛車輛接到調度指令后，結合自身位置、周圍環境等信息，按照地面到井下的環路，完成物料和人員運輸作業。當網絡斷開時，車輛會啟動智能行為決策，通過綜合環境感知、定位井下地圖、故障診斷等信息實現車輛行為決策，確保無人駕駛車輛安全運行。上灣煤礦輔助運輸車輛無人駕駛技術已經通過了井下多種復雜特殊環境測試。

布爾臺煤礦無人駕駛人員運輸車在廠區地面及井下4-2煤二盤區專用封閉巷道路試成功。車輛具備環境自主感知、智能建模、自主避障、自動路徑分析、自適應導航、智能預警、緊急停機等多項自主功能，技術路徑同上。

4 結 語

神東煤炭集團一直引領國內輔助運輸車輛的發展，致力于原創性技術攻關和堅持走自主創新道路；輔助運輸車輛從低污染走向了安全防爆、從柴油驅動走向了電動、從技術落后走向了比肩民用車的多功能和智能化，技術安全保障和智慧化行車管理從無到有，系統平臺統一車輛調派、集約管控；在防爆輔助運輸車輛標準化和無人化方面先行先試，提升了煤礦智能化建設水準。神東煤礦輔助運輸車輛電動化、監管數字化和智能化是立足新發展理念和踐行創新驅動高質量發展的重要舉措，下一步需將輔助運輸車輛信息與綜采信息、掘進信息、人員信息、生產指標、安全信息等進行耦合設計，形成一體化管控平臺，以數據資源、現代信息網絡、信息通信技術推動煤炭產業數字化轉型，引領煤炭行業技術進步。