5G+无人驾驶铲运机远程出矿技术的应用分析

杨洋

铜陵有色冬瓜山铜矿 安徽铜陵 244000

摘要：铲运机自动化发展已成为矿山智能化的重要方向，而向无人驾驶转变更是其发展的关键所在。本文分析了无人驾驶技术在铲运机领域的应用难点，提出了一种基于“5G+无人驾驶铲运机”的远程出矿场景，并采用技术手段实现铲运机的自主行走、装矿、卸矿等无人化流程。通过5G网络实现设备、井下与地面数据交互，提高了工作效率和安全性。

关键词：５Ｇ＋无人驾驶铲运机；智能矿山；ＳＬＡＭ技术；导航；ＣＰＥ

0引言

随着科技的不断进步，矿山装备自动化水平也在持续提高。目前，部分矿山已经成功过渡到遥控铲运机的使用阶段。这些遥控铲运机主要分为视距、超视距和远程遥控三种类型，通过先进的技术手段实现远程控制，提高了工作效率和安全性。然而，传统的采矿方式仍然存在劳动者密集、消耗多、效率低、安全性差等问题，亟待改进。与此同时，在发达国家的矿业领域，从最初的手工采矿到机械化进步，再到如今的自动化发展，显示出了明显的趋势。

1.无人铲运机发展现状

进入本世纪后，我国在铲运机的开发及生产过程中，积极引进了国外发达国家先进的以铲运机为代表的地下车辆生产技术，吸收并消化了在液压系统、制动系统、工作机构设计等方面先进的技术及经验，极大地促进了我国铲运机制造业的发展，并针对在实际矿山应用中发现的一些问题与不足，进行了有针对性的改进，使得我国的铲运机性能更符合我国矿山的作业环境与现场实际需求。但是由于起步晚，目前在远程遥控控制、设备自动化和智能化、大型铲运机制造这几个方面与国外领先的铲运机制造企业还存一定的技术差距。国内目前存在的主要问题为视距内遥控距离较近、控制信号抗干扰能力差等问题。近年来，我国矿山安全事故频发，这不仅与一些矿山企业安全意识淡薄、安全基础设施薄弱有关，更重要的是我国数字化矿山建设没有跟上矿业的高速发展，我国矿山尤其是地下矿山，主流仍然是劳动密集型生产模式，极大地提高了矿山安全事故发生几率。借鉴国外发达国家矿业发展之路，数字化矿山建设将是解决矿山安全的根本之路，最终实现减人直至达到无人地下开采的生产模式，实现真正意义上的安全矿山。

2铲运机无人驾驶系统与技术难点

随着地下矿山的现代化进程，铲运机的自动化和无人驾驶已成为一个研究焦点。目前所知的铲运机无人驾驶系统是一个复杂的集合，它由多个子系统组成，包括但不限于通信系统、遥控系统、铲运机定位装置、自主导航系统等。这些子系统共同工作，确保铲运机可以在无人驾驶的情况下安全、高效地执行任务，拓扑图见图1。

图1地下矿山铲运机无人驾驶系统拓扑图

尽管技术在不断进步，但铲运机的无人驾驶技术仍面临一些技术难题。SLAM技术是无人驾驶的关键，它允许机器在未知环境中自我定位并同时构建地图。在地下矿山的复杂环境中，这项技术的挑战性更加明显。目前，国内矿山铲运机的自动化主要处于视距控制和视频遥控阶段。视距控制是通过遥控器复制铲运机的操作部分，进行视距内的操作。而视频遥控则是通过增加视频信号传输设施，实现更远距离的遥控操作。这为后续的无人驾驶研究打下了坚实的基础。

35G+铲运机无人驾驶案例

3.1采矿概况

为了深入研究5G+无人驾驶铲运机远程出矿技术的应用，选定了407中段东部的E1至E5采场作为示范点。这一区域具有丰富的多金属矿石资源，并且巷道的结构特点适合进行无人驾驶铲运机的示范应用。示范点巷道的总长达到了130m，其中包括三条主要的采矿巷道，分别是El、E3和E5。这些巷道负责将矿石从开采面运输到出矿巷道。出矿巷道E2具有独特的结构布局，其尺寸为4.3m×3.3m，呈现出两头对称的特点。该巷道内共设有12个出矿点，这些出矿点均匀分布，为铲运机的作业提供了便利。在出矿巷道的北侧至南侧，分布着三个溜井口，它们的编号分别是6#、9#和7#。每一个溜井的深度均为22m，而溜井口的高度则维持在大约3.5m。为了确保矿石的顺利转运，每个溜井口都配备了格筛，其规格为800mm×800mm。单个溜井的矿石存储量估计在300～500t之间，在铲运机进行作业的过程中，每个溜井都能够提供稳定的矿石供应。整个示范点的总存储量则达到了1200t。此次示范应用的主要设备为5G+无人驾驶铲运机。通过引入5G网络技术和无人驾驶技术，期望能够显著提高铲运机的作业效率、降低生产成本，并为矿山的数字化转型积累经验。

3.2 5G网络系统

3.2.1采场5G组网

为了实现高效的数据传输和稳定的网络连接，选用了12芯光纤从地面的中控室连接至407中段，确保了网络的高速和稳定。每个微基站具有直线覆盖150m的能力，确保了网络在采场内部的广泛覆盖。为了更好地实现5G网络的全覆盖，采场内共设置了5个微基站，它们组成了一个环形网络，从而实现了对整个采场的无缝覆盖。然而，这种组网方式也存在一些缺点。最明显的是其高一次性投入成本。此外，由于信号不能穿越矿体，当信号需要拐弯或深入进路时，会出现信号的衰减现象，这可能会影响到网络的覆盖效果和传输速度。

3.2.2 5G网络设计速率与单台铲运机运行速率对比

为了确保铲运机能够实时上传图像、视频和设备信息流，采场内部和外部的网络设计都经过了精心的规划和优化。具体来说，在井下的铲运机工作环境中，网络需要满足特定的速率要求。为了确保流畅的数据传输，井下采场的网络下行速率设计达到了100Mbps，上行速率更是高达300Mbps。这样的设计确保了铲运机可以迅速上传大量的图像和视频数据，同时保持与地面中控室的实时通信。此外，网络的时延被严格控制在20ms以内，这保证了数据传输的实时性和有效性见表1。

表15G网络设计速率与铲运机运行速率对比

区域	下行速率/Mbps	5G网络系统设计速率 上行速率/Mbps	时延/ms	下行速率/Mbps	单台铲运机运行速率 上行速率/Mbps	时延/ms
地面中控室	≥500	≥300	<20	≥300	≥100	<20
井下采场	≥300	≥500	<20	≥100	≥300	<20

3.3智能铲运机系统

智能铲运机系统是5G+无人驾驶铲运机远程出矿技术的核心。该系统集成了工控机、激光雷达、IMU传感器等先进设备，构建了一个全方位的感知和控制系统。它由五部分组成，以实时感知与定位、自动驾驶、人机交互为主要功能。通过这些设备和功能的协同作用，智能铲运机系统能够在井下复杂环境中实现精准定位和自动驾驶，同时通过5G网络与地面站进行高速数据传输，确保远程操控的实时性和有效性。此外，系统还采用了多重安全机制和强化的人机交互界面，保障了人机安全并提高了操作效率。生产数据管理系统则为优化生产流程和提高效率提供了数据支持。

3.3.1车载控制系统

车载控制系统为了方便布置和维护，采用了模块化设计，其中包括车载控制系统辅助车辆控制、车辆信息监测、车载传感器、车载视频以及车载雷达等多个子系统。这种设计方式使得整个系统更加灵活和可扩展，同时也提高了系统的可靠性和可维护性。

3.3.2 SLAM定位系统

SLAM技术的引入，为构建井下巷道全局地图和采集地下三维空间数据提供了技术支撑。通过这种技术，铲运机能够在未知的矿山环境中，实时地构建出周围环境的地图，并对其进行精确定位。在实现铲运机的精准定位和自主行走方面，SLAM技术发挥着核心作用。它依赖于设备上简单的惯性测量装置，通过对运动过程中的各种数据进行处理和分析，准确地推断出铲运机的实时位置和姿态。这种定位方式的精度和稳定性都非常高，可以满足矿山生产对铲运机定位的严格要求。与此同时，SLAM技术还可以与其他的传感器系统进行融合，进一步提高定位和导航的精度。例如，通过与激光雷达、毫米波雷达等传感器的结合，可以实现对周围环境的更全面的感知和理解，从而为铲运机的行驶提供更准确的信息和指引。

3.3.3多级安全管控系统

首先，车辆自主管控是系统中的重要一环。通过雷达测距技术，铲运机能够在行驶过程中实时感知周围环境，当检测到距离障碍物仅有20cm时，系统会发出黄色预警，提醒操作员注意安全。若距离进一步缩短至10cm，系统将自动触发预警并停车的机制，避免碰撞和事故发生。操作台作为人机交互的界面，也具备安全管控的功能。操作台还集成了各种安全功能和紧急停车按钮，方便操作员在紧急情况下迅速采取措施。通信系统还具备故障检测和恢复的功能，一旦检测到通信故障，系统会立即启动紧急处理机制，保障铲运机的安全。一键逃逸机制是为了应对突发情况而设计的。当铲运机面临危险或无法正常操作时，操作员只需按下一键逃逸按钮，系统将立即切断所有正在进行的操作，并将铲运机迅速驶离危险区域，确保人员的安全。最后，视频监控系统的引入为全方位的安全提供了有力保障。通过在铲运机上安装多个摄像头，能够实时监控铲运机的运行状态和周围环境的情况。这不仅有助于操作员更好地掌握铲运机的运行状况，还能及时发现潜在的安全隐患并采取相应措施。

3.3.4中控室固定操作站及人机交换系统

在中控室，设立了专门的操控站，该操控台的设置经过精心设计，考虑了人体工学、操作习惯和安全性，以确保操作人员可以高效、舒适地进行远程监控和控制。操控台的界面显示了各种关键信息，包括车辆信息、视频流、雷达数据和地图等，为操作人员提供了一个全面的、实时的视图。通过这个监控界面，操作人员可以查看铲运机的速度、方向、通信状态、位置信息以及任何报警或故障信息。这种全面的信息展示使操作人员能够迅速做出决策，确保铲运机的安全和高效运行。此外，的监控系统能够持续显示铲运机的状态，并支持远程监控与控制。这意味着操作人员不仅可以在中控室对铲运机进行实时监控，还可以在需要时进行远程控制，确保在任何情况下都能够对铲运机进行有效的管理。

3.3.5生产数据管理系统

生产数据采集系统是该管理系统的核心部分，它包括显控一体机、位置传感器及圆盘等关键组件。显控一体机负责显示和控制铲运机的运行状态，位置传感器和油压传感器则分别用于实时监测铲运机的位置和油压信息。在数据分析方面，电脑终端通过专业的生产管理软件对数据进行深度分析，帮助管理人员发现生产过程中的问题和瓶颈，为生产优化提供决策依据。图1展示了该生产数据管理系统的工作原理。

 

图1 生产数据采集系统原理

4.结论

随着科技的不断进步，新技术为矿山安全和效率问题的解决提供了有力支持。其中，5G+无人驾驶铲运机远程出矿技术的应用成为了一个亮点。通过引入5G网络，无人采矿的精准度、稳定性和效率得到了显著提升，为矿业带来了前所未有的转型契机。展望未来，随着技术的不断进步和完善，我们有理由相信，5G+无人驾驶铲运机远程出矿技术将在矿山生产中发挥更大的作用。

参考文献

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