基于5G网络的无人驾驶系统在矿用电机车中的应用研究

基于5G网络的无人驾驶系统在矿用电机车中的应用研究摘要：智能化矿山是现代矿山企业的发展方向，海石湾煤矿经过近两年的智能化投入与建设，在矿山的自动化、智能化方面均取得了很大的进步。海石湾煤矿使用的电机车主要承担着矿井人员、设备、材料的运输任务。之前依赖传统的司机控制车辆，司机疲劳驾驶、突发异常情况或其他人为操作失误容易造成车辆追尾、误入非行车区域等安全隐患。为了避免发生安全风险，从根本上实现辅助运输智能安全化，减轻操作人员的劳动强度，需要对矿井轨道运输系统进行升级改造，以实现蓄电池电机车的无人化智能驾驶，使矿井减人增效，提高电机车辅助运输的安全性和可靠性。关键词：5G网络"电机车无人驾驶"智能运输ResearchontheApplicationofUnmannedDrivingSystemBasedon5GNetworkinMiningElectricLocomotivesXUEWencaiYaojieCoalandElectricityGroupCompanyHaishiwanCoalMineMechanicalandElectricalTransportationDepartment，Lanzhou，GansuProvince，730084ChinaAbstract：Intelligentminingisthedevelopmentdirectionofmodernminingenterprises.Afternearlytwoyearsofintelligentconstructioninvestment，HaishiwanCoalMinehasmadegreatprogressinbothautomationandintelligenceofthemine.TheelectriclocomotivesusedinHaishiwanCoalMinemainlyundertakethetransportationtasksofminepersonnel，equipment，andmaterials.Previously，relyingontraditionaldriverstocontrolvehicles，driverfatiguedriving，suddenabnormalconditions，orotherhumanoperationalerrorscaneasilycausesafetyhazardssuchasrear-endcollisionandaccidentalentryintonondrivingareas.Inordertoavoidsafetyrisksandfundamentallyachieveintelligentandsafeauxiliarytransportation，reducethelaborintensityofoperators，itisnecessarytoupgradeandtransformtheminerailtransportationsystemtoachieveunmannedintelligentdrivingofbatteryelectriclocomotives，reducepersonnelandincreaseefficiencyinthemine，andimprovethesafetyandreliabilityofelectriclocomotiveauxiliarytransportation.KeyWords：5Gnetwork;Electriclocomotives;Unmanneddriving;Intelligenttransportation本项目利用布置在巷道内的5G微基站和地面5G宏基站通信网络，优化完善无线视频监控系统，开展传感技术、无线控制和高带宽、高可靠物联网技术的研究与应用，实现电机车遥控作业与变速巡航自动运行，使煤矿减人增效，提高电机车辅助运输的本质安全性。根据海石湾煤矿的轨道运输实际情况，建设一套电机车远程自动驾驶系统。通过对3台防爆特殊型蓄电池电机车和7套气动道岔的改造，建立5G无线通信网络，实现蓄电池电机车的无人化驾驶、远程控制和本地操作功能、运输作业的可视化监控，满足信集闭的相关功能确保运输的安全。无人化驾驶的相关功能包括机车定位、视频上传、语音通话、自动调速、区间限速、障碍物识别、防撞等，确保整个蓄电池电机车辅助运输系统的安全、高效运行。1矿用轨道运输无人驾驶系统的设计原则矿用轨道运输无人驾驶系统建设遵循“四高”的设计原则，即高可靠性、高技术、高质量、高效率。系统设计采用先进的通信、监测、信息处理、计算机等技术构建，以工业以太网和无线传感器网、自动控制技术为基础，使用工业以太环网网络、控制器局域网（ControllerAreaNetwork，CAN）和无线传感器网络的网络融合，在技术上达到了先进性和稳定性的统一，在性能上具有很高的安全性和可靠性，在使用上具有维护性和可扩展性。2矿用轨道运输无人驾驶系统的技术方案2.1系统架构井下电机车全流程无人智能运输系统通过采用井下5G无线通信、多传感器数据融合、无人驾驶自动控制等关键技术，完成了井下可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）、无线通信、监控调度、电机车控制、巷道检测、信号控制等多个系统的智能化改造，实现了井下无人参与全流程智能化作业、机车精准停靠协同控制、轨道智能运输与安全行车预警、无人电机车自主运载与集群调度等功能，最终达到了井下作业无人、安全、智能、高效的目标[1]。整个方案架构分为4层，具体叙述如下。（1）环境感知层：采用视频监控、激光雷达、等多传感器融合，实时感知矿山生产作业环境数据；（2）技术控制层：通过自主运载、远程驾驶等多种控制技术的应用，实现无人驾驶设备的智能作业；（3）系统应用层：将各种控制技术集成于六大智能管控系统；（4）智能平台层：通过数据集成、设备管控、智能调度三大平台，实现对无人采矿作业全流程的整体协同管控，实现机车的信号、运行、停车全流程无人化作业[2]。智能运输系统以自动化监控室为控制中心、以电机车为控制对象、以巷道5G专网通讯为纽带、以精准定位为导航，依托自主研发的机车移动控制器，实现了对电机车的精准控制和协同调度。系统所用的工控网络是多层总线星型混合结构的二级网络，主控计算机通过工业环网或光缆与控制分站实现数据交换。2.2无线覆盖本工程除地面500m运输线路外，其余全部为井下巷道运输线路，很适合采用定向天线进行5G信号覆盖。在巷道内基站天线沿轨道设置，覆盖目标区域为狭长条状地带，采用窄波束高增益定向天线。5G车载设备实现各业务接入。5G终端接入设备为车载服务单元，基于IEEE802.3（以太网）协议，为电机车无人驾驶系统提供高速数据传输网络和信息服务。5G车载设备安装于电机车的驾驶室，包括全向天线、馈线和5G终端接入CPE设备。同时，5G终端再与车载电机车无人驾驶系统相关的设备（摄像头、雷达等）进行连接，最终统一通过5G网络上传或下载数据[3]。本工程在车头前侧安装一对车载天线，终端接入设备则安装在司机室内。车载天线接收前后向中心接入设备的无线信号；系统正常工作时，终端接入设备会判断前后向的5G信号强弱程度，并自动切换至信号较强的扇区一侧。电机车行进过程中，终端接入设备始终会接入信号较强一侧的中心接入设备。电机车正常向前行驶，在行驶至CAP1与CAP2之间的路段时，会同时进入两侧中心接入设备的信号覆盖重叠区域。此时，车载终端会判断前后两侧信号的强弱，并自动切换至信号较强一侧的中心接入设备，使通信链路始终建立在较强信号的一侧。海石湾煤矿平硐巷道和车场巷道内5G网络采用17台pRRU7233设备进行开通、1个2.6G站点进行1785平硐巷道和车场巷道的覆盖，小区配置为4T4R，带宽100M。按设计方案，每台pRRU设备间距为300m。对海石湾煤矿平硐区自动化驾驶路段进行测试，测试基站无干扰，机车导航运行图如图1所示。（1）平硐区自动化驾驶路段（车厢外）5G覆盖平均SS-RSRP在-83.21dB左右，平均SS-SINR在28.34dB左右，最大SS-RSRP在-97dB左右，最小SS-RSRP在-60dB左右。（2）平硐区自动化驾驶路段（车厢内）5G覆盖平均SS-RSRP在-94.59dB左右，平均SS-SINR在24dB左右，最大SS-RSRP在-110dB左右，最小SS-RSRP在-64dB左右。2.3运行路线矿用防爆电机车运输从海石湾煤矿1785水平平硐乘车场至环形车场，路程大约3480m，中间有7处自动岔道。平硐采用双车道运行，机车实现自动避让，道岔实现自动扳道功能控制[4]。2.4系统规划2.4.1矿用车辆管理系统本系统依托利雅得电气开发的矿用车辆管理系统，以电机车环境感知、自主定位、自主避障为技术基础，结合矿区5G无线网络技术，实现电机车的远程驾驶、智能驾驶、智能调度。2.4.2系统组成部分系统主要由矿用隔爆型车载激光传感器、矿用本安型车载AI摄像仪、矿用隔爆兼本安型车载计算机、矿用本安型边缘计算终端、信号转换器、矿用本安型读卡器、车轨协同系统、语音通话、声光报警、地面智能调度系统等设备组成。2.4.3电机车升级在现有CTL8/6GP型电机车上，增加GUJ20型激光传感器、KBA12（A）型车载摄像仪与各类智能化信息传感器、KYH12型控制器、CPE通讯设备等。对机车改造完成后，在不改变原有驾驶模式的条件下，增加了环境感知避障、地图导航、自主定位等多种智能功能。2.4.4电机车自主避障技术升级后的电机车具备自主避障技术，电机车通过激光雷达对轨道前进进行高速动态扫描，感知的信息传输给电机车智能驾驶控制（车载计算机）中，与计算机中的模型自主学习对比，快速、准确识别前方障碍物，并快速进行自主控制，防止安全事故的发生。2.4.5电机车的自主定位技术通过激光雷达、射频识别卡片、融合智能传感器等设备，可以准确测量视场中物体与相对距离。经过车载计算智能系统的进一步处理，结合知识库，实现电机车主动高精度定位，定位精度控制在厘米级，并且相关的定位能够在机车和系统中实时体现行车方向、车号、位置、状态等[5]。2.4.6车轨协同技术通过对智能驾驶线路段的信号灯和道岔设备的改造升级，联通电机车与道岔、信号灯之间的通信，做到电机车智能识别道岔状态和智能控制道岔动作，做到车轨协同。同时，电机车具备检测和控制轨道线路信息的技术，电机车自主采取相应的动作措施，可以实现轨道电机车的智能辅助驾驶。2.4.7电机车智能管理技术智能管理系统负责井下电机车、信号灯、道岔等状态的监测、管控、记录等功能。智能监控调度系统作为电机车调度中控系统，需要集成接入矿自动化管监控中心。智能监控调度系统可以管理电机车位置和速度等状态信息、监控道岔信号灯状态信息、发送指令控制电机车动作、执行监控调度和信集闭功能。本文对海石湾煤矿1785平硐电机车运输系统实现自动化、智能化的集中控制进行了研究和应用。本系统研究并实现了煤矿系统在轨道运输方面达到矿区人力资源整合与智能调度、安全避让的合理利用，提高了现有设备的运输能力。无人驾驶系统在海石湾煤矿的顺利投用得到了一致好评，减轻了电机车司机的劳动强度，优化了机车的运输智能化调度水平，为海石湾煤矿的智能化进程推进一步。[1]许毅，王婷婷，王家星.智慧停车系统中典型终端可靠性与测试装备研究[J].环境技术，2021，39（4）：185-192.[2]韩江洪，