煤矿辅助运输防爆车辆电动化和数智化的应用研究

贺海涛，宋德军，赵海兴

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315；2.矿鸿工业互联创新国家矿山安全监察局重点实验室，陕西 神木 719315；3.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

神东煤炭集团于2015年开始，联合国内厂家开发的煤矿防爆锂离子蓄电池辅助运输车辆经过不断地研发试验、实地测评与改进、增强电池性能技术[1，2]等，促使防爆电动车辆的研发推广从环保和低碳拓展至节能、高效、安全的高质量发展方向，完全可替代防爆柴油机辅助运输车辆。2021年4月27日，安标国家中心在神东煤炭集团公司组织来自清华大学、北京理工大学、国家能源集团、中国煤炭科工集团等单位的15位专家，对煤矿防爆锂离子蓄电池车辆涉及的安全技术及管理问题进行专题研讨。2021年10月，安标国家中心发布了《矿用锂离子蓄电池安全技术要求》、《矿用防爆锂离子蓄电池电源安全技术要求》和《矿用防爆锂离子蓄电池电源充电机安全技术要求》标准，由此辅助运输车辆的电动化开始全面推广。《矿用防爆锂离子蓄电池电源安全技术要求》(MT/T 1200—2023)于2023年7月开始实施。

2020年2月国家八部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，各产煤省区、煤炭生产和煤机装备等企业纷纷行动，从不同角度开展了研究探索及工程实践，采、掘、运、支作业智能化和无人化发展取得了较大进步[3]。神东煤炭集团首先提出在辅助运输车辆上应用雷达、机器视觉等智能化技术，同时在井下搭建环网，采用4G或5G技术，将车辆的信息传输到地面。通过多年的实践创新，已构建了防爆车辆管理系统的“一网一图”；通过巷道准确建模和车辆定位追踪，成功开启了煤矿井下辅助运输车辆无人驾驶技术新篇章。

1 车辆电动化

1.1 电动车辆类型和数量

神东矿区在用防爆锂离子蓄电池辅助运输车辆492辆，占车辆总数的22%。其中运人车265辆、指挥车153辆、物料运输车63辆、11辆整体式升降平台车；运人车主要承载人数分别有19人和10人；指挥车主要承载人数分别有2人、5人、7人和9人；物料运输车承载能力为5 t；升降平台车允许最大工作坡度为5°。防爆电动辅助运输车辆每百公里能耗费用仅为同类型柴油车的6.5%，每年单辆车运行能耗成本降低近8万元[4]。

1.2 防爆锂离子蓄电池车辆驱动控制技术

1)铰接式物料运输车。采用分布式轮边四轮直驱型式[5]，电气系统布置如图1所示。整车须满足重载长距离爬坡工况，而且在运输过程中需运行平稳和控制精度较好，由此驱动电机采用转矩控制模式[6，7]，为整车控制器发送目标转矩信号到驱动电机，使其输出对应转矩；加速踏板开度对应基准转矩控制方式，使得加减速过程平稳，冲击较小。

图1 物料运输车电气系统Fig.1 Electrical system of material transport vehicle

为了使电能满足物料运输车续驶里程要求，采用四块隔爆型电池组两并联、两串联的方式供电，提高了电压和总功率；主、从控器的电源管理BMS架构与整车控制器VCU一起实现能量的分级管理，各层级之间通过CAN网络进行数据通讯，实现在整车模式、分箱模式和重组模式下的能量管理[4]。

2)整体式物料运输车。采用双电机双驱动桥的传动方式，动力电池通过控制器向电动机供电，其他供电设备通过DC/DC转换器供电，控制方式如图2所示。转向系统为四轮转向，有效解决了因车辆较长引起转弯半径过大的问题。通过左右各1个油缸驱动转向连杆实现整车的转弯。

图2 整车控制系统Fig.2 Vehicle control system diagram

1.3 提高单体电池容量

指挥车配置的防爆锂离子蓄电池经过技术升级，在安标国家矿用产品安全标志中心规定的防爆蓄电池额定容量不超过230 A.h的标准下，其磷酸铁锂电池的单体电池容量提升至228 A.h，将车辆设计续航里程提升到90 km以上。

为进一步提升指挥车的使用效率，配备了便捷的电池快换系统，当续航电量不足时可实现电池直接更换功能，无需充电等待。该车型搭载了行车智能监控系统，可通过驾驶室内配置的7英寸液晶彩色显示屏，动态显示行车速度、运行总里程、电池组温度、电池电量、预计运行里程、电机工作温度、车门状态，以及瓦斯、一氧化碳等有害气体浓度等信息；车辆每次运行前会进行安全自检，若有超标项时，系统自动闭锁不能启动。

1.4 建设煤矿井下智慧化充换电硐室

上湾煤矿率先创建辅助运输车辆全电动化示范矿井，根据采掘面运距，共需要防爆电动辅助运输车177辆，其中运人车21辆、指挥车40辆、物料运输车80辆、其它专用车36辆。为解决新能源电动车频繁升井充电、运输效率低的问题，设计建设井下智慧化充、换电硐室，距离井口6.8 km。

井下充电硐室建设主要为电动车和电池组充电硐室两种，独立通风，使用阻燃材料装饰；制定瓦斯与温度电闭锁、防误插拔、紧急充电中止、电缆连接器防爆要求等安全技术措施；通过安装红外摄像仪、烟雾、甲烷等传感器全方位检测硐室环境；保障硐室安全稳定运行。每个充电硐室仅允许单辆车进行充电，采用单进单出的方式；电动车充电硐室可保证48辆/d，电池组充电硐室可满足90组/d的车辆换电能力。

1.5 电动车无源充电系统

上湾煤矿太阳能光伏发电利用车库屋顶铺设光伏组件、搭载智能安全系统，组成400 kW智能化储能系统。光伏逆变器直流侧连接光伏阵列，并网型储能变流器的交流侧并联接入380 V的交流母线上，每台变流器直流侧并联接入一簇磷酸铁锂电池，可以实现能量的双向流动，即电池的充放电。充电桩的交流侧并入交流母线，可由光伏、储能或电网供电，储能系统进行削峰填谷使系统平滑；EMS系统根据上级调度指令完成对光储充系统的设备信息监测，电池的充放电控制，SOC信息监测等功能。光伏发电系统可实现日供电1700 kW·h，按正常电动车单枪、单电池充电方式计算，每天可充40辆电动车，节能减排效益显著。

2 车辆监管数字化

神东矿区在用辅助运输车辆超过2000辆，车辆状态参数信息、运行、检修和管理等数据日趋庞大，为了数据的有效整合和开发利用，创建了“辅助运输车辆管理系统”，包含的模块有矿井地图、车辆管理、里程统计、司机管理、设备管理、安全管理、系统管理等，车辆管理系统架构如图3所示。车辆管理系统的技术支撑是基于神东井下人员和车辆的定位系统，利用井下4G或5G网络和巷道基站传输到矿井地面调度室，通过光纤传输到大数据中心。

图3 辅助运输车辆管理系统架构Fig.3 Architecture of auxiliary transport vehicle management system

对井下车辆状态、运行数据的健康监测、故障判断信息、位置轨迹等实时监控和数据采集上传；同时开发有LED道路标识屏、井下红绿灯抓拍、闸机管理、坡道制动检测、井下超速监测和区域激光栅栏等场景功能。

车辆管理系统将车辆数据、司机信息及定位系统进行整合，实现用车人员在线申请车辆；工作人员在线审批派遣车辆，能实时观测车辆运行数据、具体位置以及车库车辆余量[8-10]，使用车和派车更便捷。同时车辆检查记录、安全带检查记录、车辆启用率等信息也在车辆管理系统中存储。

3 车辆智能化

3.1 车载辅助安全驾驶系统

上湾煤矿车辆主动刹车系统采用AI摄像头、毫米波雷达、360环影视频来监控车辆周围的环境，将收集到的数据传输到车载处理器进行分析运算，控制电机驱动滚筒转动，带动刹车拉线制动，实施原理如图4所示。当探测到车辆前进方向有人、车及障碍物时，车辆发出语音报警提示，如果小于设定的安全距离时，车辆将会自动制动。

图4 主动刹车系统实施原理Fig.4 Vehicle automatic emergency braking system

布尔台煤矿车辆辅助驾驶系统[11]中的自动紧急制动系统通过探测器可实时侦测行驶前方出现的目标障碍物与车辆之间的距离、方位及相对速度信息，当车辆与前方目标障碍物的碰撞时间达到阈值，系统会立即向驾驶员发出前向碰撞预警，提醒驾驶员主动避让或制动措施；系统提醒后，如驾驶员没有操作车辆采取减速或避让措施，系统会根据碰撞危险等级大小对车辆强制减速制动或紧急制动，以避免碰撞事故的发生或降低碰撞事故发生的概率和降低碰撞事故发生后的程度；当车辆车速降低为零或碰撞险情消失，系统制动也随之解除。自动紧急制动系统如图5所示，原理为激光测距传感器感知环境数据，主控制器解析数据，控制电机驱动齿条产生位移，带动拉线制动。

图5 自动紧急制动系统Fig.5 Automatic emergency braking system

石圪台煤矿辅助运输车辆采用驾驶员状态智能AI识别装置，可有效监测驾驶员行车状态，杜绝疲劳驾驶。AI识别方法流程如图6所示，通过AI智能本安摄像仪采集信号、后端主机数据分析和AI视觉算法及人工智能处理[12]，然后由报警器发出警示信号。

图6 AI识别方法流程Fig.6 AI identification method process

该装置安装在车辆主驾驶室左前方，采用双核高性能AI芯片，每秒检测频次可达20次，通过对驾驶员面部肌肉、瞳孔虹膜、动作等进行信号采集、识别、智能运算来甄别驾驶员是否有疲劳驾驶。驾驶员在驾驶过程中一旦出现的精力不集中、打盹、接打电话、打哈欠、闭眼0.8S以上等状态[13]，检测装置会立刻发出语音报警，提醒驾驶员谨慎驾驶，注意行车安全。AI无线视频警示装置实现车内外前后监控、行车记录、安全带检测、视频的采集与处理、数据传输与同步、语音报警等功能。

3.2 智能感应自动停车和启动预警系统

井下辅助运输车辆尤其是驾驶室前置的铰接式物料运输车在运行时视线盲区很大，驾驶员不能实时观察到突然接近车辆的人员，存在一定安全隐患。寸草塔煤矿设计了一款红外摄像感应人员的自动停机装置，关联了车辆防爆柴油机停机闭锁装置，实现了人员接近车辆自动断电熄火驻车功能，进一步保障了辅助运输安全。

该套装置的红外摄像仪安装在车辆尾部，只要捕捉到人员靠近车辆，控制主机就会对数据进行分析研判，当人员距离车辆超出设定的安全距离时，控制主机就会马上做出切断车辆主电源的命令，使防爆柴油机熄火、停车，从而确保了人员安全。

榆家梁煤矿防爆辅助运输车辆在通电自检时可以发出语音警示，提醒周围作业人员及时避让，为司机把好出车“安全关”。

3.3 空挡启动保护装置

液力机械传动的辅助运输车辆防爆柴油机由气控启动和熄火。设计的空挡启动保护装置，在换挡拉线上固定一个滑块，且连接一个传感器，和电磁阀及供气系统关联动作。当车辆处于前进或倒车挡位时，滑块与传感器断开、电磁阀不工作、气动系统不供气，防爆柴油机无法正常启动；当车辆挡位处于空挡时，滑块与传感器连接、电磁阀工作、供气供气，防爆柴油机正常启动。空挡启动保护装置消除了车辆在非空挡状态下误启动可能造成的安全风险。

3.4 工作装置无线视距遥控技术

神东矿区应用了轮胎式铰接车辆配置自动抓举钢管、卷放电缆、单臂锚杆钻机、起吊臂、混凝土泵送等功能，三种典型作业功能的机构简图如图7所示，作业功能的控制多路阀采用手动和电磁换向的切换方式，均具有无线视距遥控和机载控制两种模式。设备启动后，司机确认各项数据正常后，便可离开驾驶室，利用无线视距遥控驾驶操纵[14，15]，通过无线遥控系统可实现设备的行走、转向、作业等各项功能，大幅提高工作人员的机动性和安全性。

图7 典型作业功能的原理Fig.7 Principal schematic of typical operation functions

设备运行时，车载终端能连续采集监测数据，并保存在内部存储介质中；车载终端不间断监测无线通信信号，整机的实时数据、补发数据以及行车记录视频数据将通过矿井井下5G/4G网络或井下WiFi以无线传输的方式上传至地面管控平台。

起吊臂车辆方便大型物件的搬运，可以实时监测及查询各项参数，整车及作业功能均为视距遥控。防爆混凝土泵送车车身搭载可270°旋转和90°变幅四节伸缩臂架，四节臂架可伸长至8 m；作业人员可无线视距控制泵的启、停和臂架伸、缩动作，完成混凝土输送。

3.5 车辆无人驾驶技术

利用人工手持3D激光雷达对上湾煤矿巷道进行整体扫描，再使用相机进行激光精细扫描，先把巷道模型建立起来，为无人驾驶车辆提供一个清晰又准确的“地图”。将“地图”安装在车载主机上，便能在地图上标定起始点和规划具体路线[16]。当无人驾驶车辆在井下指定巷道行走时，在车身上安装了5个激光雷达，再结合车辆本身的感知定位系统，实时观测车辆运行状态和感知路况[17]，比如巷道宽窄距离，路面是否凹凸、路旁是否有信号、路前方是否有硐室等。

无人驾驶技术包括：高精度井工矿无人驾驶车辆控制技术、多源异构感知融合技术、主从无人驾驶控制器冗余设计技术、井工矿多车协同决策规划技术、车路协同感知决策技术、井工矿语义高精地图构建技术。设备清单见表1。

表1 无人驾驶技术设备清单Table 1 List of technical equipment for unmanned driving

当无人驾驶车辆接到调度指令后，结合自身位置、周围环境等信息，按照地面到井下的环路，完成物料和人员运输作业。当网络断开时，车辆会启动智能行为决策，通过综合环境感知、定位井下地图、故障诊断等信息实现车辆行为决策，确保无人驾驶车辆安全运行。上湾煤矿辅助运输车辆无人驾驶技术已经通过了井下多种复杂特殊环境测试。

布尔台煤矿无人驾驶人员运输车在厂区地面及井下4-2煤二盘区专用封闭巷道路试成功。车辆具备环境自主感知、智能建模、自主避障、自动路径分析、自适应导航、智能预警、紧急停机等多项自主功能，技术路径同上。

4 结 语

神东煤炭集团一直引领国内辅助运输车辆的发展，致力于原创性技术攻关和坚持走自主创新道路；辅助运输车辆从低污染走向了安全防爆、从柴油驱动走向了电动、从技术落后走向了比肩民用车的多功能和智能化，技术安全保障和智慧化行车管理从无到有，系统平台统一车辆调派、集约管控；在防爆辅助运输车辆标准化和无人化方面先行先试，提升了煤矿智能化建设水准。神东煤矿辅助运输车辆电动化、监管数字化和智能化是立足新发展理念和践行创新驱动高质量发展的重要举措，下一步需将辅助运输车辆信息与综采信息、掘进信息、人员信息、生产指标、安全信息等进行耦合设计，形成一体化管控平台，以数据资源、现代信息网络、信息通信技术推动煤炭产业数字化转型，引领煤炭行业技术进步。