1、基于5 G+无人驾驶铲运机远程出矿技术及应用杨雄(湖南柿竹园有色金属有限责任公司,湖南 郴州市 4 2 3 0 3 7)摘 要:以多金属采矿场4 0 7中段东部采场为背景,建设“5 G+无人驾驶铲运机远程出矿应用场景”,该系统采用5 G技术、铲运机搭载工控机、激光雷达、I MU传感器、毫米波雷达、超声波传感器、视频摄像头等设备,以车载工控机作为计算中心,融合传感器数据算法感知环境,利用S L AM技术实现作业场景地图构建和车辆定位,通过5 G网络将设备信息及井下场景与地面操控台进行数据交互,实现铲运机从自主行走、装矿、卸矿全流程无人化驾驶出矿作业,为国内智能矿山推广无人驾驶铲运机模式提供实践经
2、验。关键词:5 G+无人驾驶铲运机;智能矿山;S L AM技术;导航;C P E0 引言随着科学技术的进步,地下矿业开采作业正在发生着日新月异的改变,同时智能化矿山是现代矿山企业的发展方向。目前全球矿山井下铲运机出矿自动驾驶正在推广1,欧美发达国家在铲运机无人驾驶技术方面应用较为成熟,我国尚处于技术应用的转型期,部分矿山已逐步从有人驾驶的铲运机过渡到遥控铲运机2,但5 G+无人驾驶铲运机正处于一个探索实践期。在原国家安全生产监督管理总局“机械化换人、自动化减人”科技强安行动等政策推动下34,湖南柿竹园有色金属有限责任公司承担五矿集团专题“智能开采关键技术研究与示范项目”,主要研究地下矿山关键工
3、序“5 G+无人驾驶铲运机技术”。2 0 1 9年开始开展无人驾驶铲运机出矿技术研究,2 0 2 1年1 2月建成5 G+智能化采场出矿系统,成功实现了5 G+无人驾驶铲运机出矿应用。本文主要介绍5 G+无人驾驶铲运机系统的建设应用、铲运机的工作原理、技术突破及应用效果及前景。1 国内外无人驾驶铲运机的发展现状2 0世纪7 0年代起,国外发达国家在矿山领域开展了矿山车辆无人驾驶相关技术研究,经过近五十年的发展,在矿山无人驾驶领域基本形成了较成熟的解决方案。在少数矿山初步实现了自动化和智能化控制,如瑞典北部生产能力为2 2 0 0万t/a的地下矿山基律纳铁矿56。就目前来说,国外发达国家在矿山无
4、人驾驶车辆方面,瑞典山特维克公司对自动化铲运机和卡车早已研究多年,近几年其推出的单台无人驾驶铲运机能实现铲运机所有操作和监控功能的半自动化,已在井下矿山实地应用,无论是可行性还是实用性,均走在了前列。相对于国外发达国家,我国在矿山无人驾驶车辆的开发与研究工作起步较晚。近年来,国内一些高校和研究所,如中南大学、哈尔滨工程大学、浙江大学、上海交通大学以及中科院沈阳自动化研究所等对工程设备在自动控制、遥控等方面进行了研究,在实验室研究方面和成型系统推广方面都取得了不少成果78。目前国内较多矿山铲运机自动化程度应用还处在视距控制、视频遥控阶段,主要是在保留原铲运机功能下进行改造加装一套自动化系统,视距
5、铲运机原理及安装最简单,即将铲运机上的操作部分复制到一个遥控器内,工人在视距内进行操作。视频遥控是增加一套视频信号传输设施,遥控的距离比视距更远,还可利用网络传输,实现远程遥控,为无人驾驶研究提供了很好的基础。随着5 G技术、物联网技术、无人驾驶技术的发展应用,露天矿卡车无人驾驶、井下电机车无人驾驶技术已经投入应用,井下无人驾驶铲运机已从理论研究转向工业应用。2 5 G+无人驾驶铲运机远程出矿系统建设及应用2.1 采场概况多金属采矿场选定4 0 7中段东部E 1至E 5采场,作为5 G+无人驾驶铲运机示范应用研究点,其巷道总长1 3 0 m,E 1、E 3、E 5为采矿巷道,E 2为I S S
6、 N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 34.3m 3.3m两头对称结构布局出矿巷道,共有1 2个出矿点,出矿平巷自北向南分布3个溜井口(6#、9#、7#),溜井深为2 2m,溜井口高度为3.5m左右,格筛规格为8 0 0 mm8 0 0 mm,单井存矿量3 0 0 5 0 0t,合计存矿量1 2 0 0t。2.2 5 G网络系统2.2.1 采场5 G组网选用某运营商5 G网络,采用1 2芯光纤从地面中
7、控室直接敷设至4 0 7中段,再通过井下采场5 G无线网络组成环网和铲运机车载5 GC P E交互,实现铲运 机 海 量 数 据 远 程 传 输、精 准 控 制。采 用A AU 5 3 3 6 w对向微基站,最大直线可覆盖1 5 0m,基站采用M a s s i v eM I MO技术及业界领先的功放技术,可支持更大的信号覆盖范围,M I MO可以大幅提升单用户链路性能和多用户空分复用能力,从而显著增强了系统链路质量和传输速率。在采场作业区四周、停车区,共计用5个微基站组成环形网络,实现采场5 G网络无死角全覆盖。其优点是微基站抗震抗爆性能好,设备体积小且重量轻,安装点位少,覆盖范围广,维护成
8、本较低,但缺点是一次性投入成本高,信号无法穿越矿体,拐弯巷道或者深进路信号会发生信号衰减。采场5 G组网架构如图1所示。图1 采场5 G组网架构2.2.2 5 G网络设计速率与单台铲运机运行速率分析对比经过测试,铲运机在井下主要是上传激光雷达采集巷道场景图像信息流、视频数据流、设备信息流等,因此,对上传数据流量需求非常大,而地面中控室主要是下载指令、地图等,所以井下采场和地面中控室上下行速率正好相反。通过铲运机在井下作业巷道、进路进行实际运行测试,得出单台铲运机数据流量需求为地面中控室下行速率应3 0 0M b p s,上行速率应1 0 0 M b p s,井下采场下行速率应1 0 0M b
9、p s,上行速率应3 0 0M b p s,时延2 0m s。5 G系统设计速率与单台铲运机运行速率对比见表1。表1 5 G网络设计速率与铲运机运行速率对比区域5 G网络系统设计速率单台铲运机运行速率下行速率/M b p s上行速率/M b p s时延/m s下行速率/M b p s上行速率/M b p s时延/m s地面中控室 5 0 0 3 0 0 2 0 3 0 0 1 0 0 2 0井下采场 3 0 0 5 0 0 2 0 1 0 0 3 0 0 2 0 在该项目5 G网络整体设计中,预留扩展多台铲运机和凿岩设备同时运行,根据设备需求可以灵活提高带宽。2.3 智能铲运机系统铲运机工作原
10、理如图2所示。铲运机车载高性能工控机、激光雷达、I MU传感器、毫米波雷达、超声波传感器、视频摄像头等设备,主要由以下5个部分组成:(1)远程操控系统和车载控制系统,实时感知设备状态信息和巷道环境信息,S L AM系统提供准确定位和自动驾驶功能;(2)多级安全管控系统,确保人机安全;(3)5 G通信网络,为铲运机和地面操作站之间提供高速数据传输通道;图2 铲运机工作原理651采矿技术2 0 2 3,2 3(3)(4)中控室远程模拟驾驶室操作站提高人机交互;(5)生产数据管理系统。2.3.1 车载控制系统车载控制系统采用模块化设计,分为车载控制系统辅助车辆控制和车辆信息监测,车辆计算中心、车载无
11、线、车载传感器、车载视频和车载雷达等子系统,方便布置和维护。车载控制系统如图3所示。A车载计算中心(I MU、工控机)B车载控制系统 C控制系统开关 D车载信息采集系统 E装载摄像头F前方行驶摄像头、雷达 G动臂和铲斗位移传感器 H转角传感器 J无线模块 K后方行驶摄像头、雷达图3 车载控制系统2.3.2 S L AM定位系统S L AM(S i m u l t a n e o u sL o c a l i z a t i o nA n dM a p-p i n g)为实时定位与地图构建9,是实现全自主移动设备的关键。该技术可在没有G P S和复杂惯导系统的环境下,依靠设备自身配置的简单惯性测
12、量装置,实现地下三维空间数据的采集。该铲运机车载有激光雷达、I MU、车身传感器等,通过构建井下巷道全局地图,上位机对地图进行任务编辑、路径自动规划、人工示教,完成车辆的自主驾驶准备工作,来实现铲运机路径高精准定位和自主行走、到达预定装卸点装卸矿石。S L AM地图效果如图4所示。图4 S L A M地图效果2.3.3 多级安全管控系统安全管控是自动驾驶稳定运行的首要保障,该系统作业区域采用多级安全管控,有固定光栅系统、车辆自主安全管控、操作台安全管控、通信安全管控、一键逃逸、场景视频监控系统。(1)固定光栅系统:在采场入口处设置光栅系统及物理隔离两道安全封闭,阻止人员或者其他车辆侵入。光栅系
13、统作为一级封闭安装在采区入口,当有人员或者其他作业车辆进入封闭区域后,铲运机自动停止行驶,辅以铁栏栅作为二级物理隔离。同时,在光栅处配置音视频通话系统与操控台实现视频通话,提高运行时的安全性和沟通效率。(2)车辆自主安全管控:通过雷达实时判断车辆与巷道或障碍物间距,当距离小于预设安全距离,在2 0c m时发出黄色预警,当安全距离在1 0c m时,车辆发出预警及驻车。安全管控系统如图5所示。图5 安全管控系统(3)操作台安全管控:除操作台配备紧急停机751杨雄:基于5 G+无人驾驶铲运机远程出矿技术及应用按钮外,当操作手起身时车辆自动驻车。(4)通信安全管控:在网络延时超时、信号强度低于预定值时
14、,车辆自动驻车。(5)一键逃逸:在进路铲装作业中,车辆有被矿石砸中或者掩埋的风险时可通过一键逃逸按钮使车辆立即高速后退撤离至设定的安全位置。2.3.4 中控室固定操作站及人机交换系统井下主网络采用光纤组网,连接操作台和作业区5 G网络,实现实时通信。中控室固定操控站采用独立模块化设计,模拟车载驾驶系统,操作台设置有操作按键、操控手柄,配置油门踏板,监控器等。监控器界面实时显示车辆的运行信息、视频信息和雷达扫描界面、地图界面,操作人员可以直接掌握铲运机的运行信息:包括运行速度、运行方向、通信状态、位置数据、实时视频流、发动机运行参数、生产报表数据、报警信息、故障信息面等,操作界面动画逼真,简洁明
15、了,清晰易懂。中控室固定操作站如图6所示,监控器界面如图7所示。图6 中控室固定操作站图7 监控器界面2.3.5 生产数据管理系统生产数据采集系统主要包括:显控一体机、位置传感器及圆盘、油压传感器、数据传输工具等。其原理是通过显控一体机将位置传感器、油压传感器信号转换成实时重量与斗数。通过物联网每间隔5m i n自动上传生产数据至服务器,用户可以在电脑终端调用生产数据进行生产管理分析,也可在手机终端查看生产数据。生产数据采集系统原理如图8所示。图8 生产数据采集系统原理3 技术突破及应用效果5 G+无人驾驶铲运机远程出矿经过一年多实地应用,该项目突破了井下采场G P S拒止,路径动态变化、场景
16、特征退化、5 G带宽速率互换等技术难点,铲运机具备自动感知井下环境信息、数据采集、自主精准导航行走、采场地图构建、自主学习、自动规划路径等功能。自建成后,系统运行稳定,安全可靠,极大地改善了作业人员的劳动环境,提升了矿山的本质安全。目前操作人员只需要在中控室操作台851采矿技术2 0 2 3,2 3(3)一键下发指令,铲运机即可进入自动驾驶模式,从自主行驶、铲装、卸矿全流程循环出矿作业,同时具备预警停机、故障自检,生产数据自动上传服务器等功能,台班出矿效率约为7 08 0铲/班(4 0 05 0 0t),达到人工驾驶效率的4 0%。5 G+智能采场无人驾驶铲运机出矿场景应用在湖南省有色金属矿山中尚属首例,“智能采场应用场景”项目获得2 0 2 2年湖南省第四届信息消费大赛“应用创新奖”,湖南柿竹园有色金属有限责任公司成功入选2 0 2 2年湖南省工业信息化厅公布的第二批“5 G+工业互联网”示范工厂名单。4 结论新技术的应用给矿山开采带来了巨大发展,解决了安全问题,提升了生产效率。在5 G技术的支持下,矿山开采关键工序装备无人化采矿作业的精准度、稳定性和工作效率将得到大幅度提高,矿业行
