以安徽某特大型地下金属矿山-45m主运输水平特定区域为试点，构建了电机车无人驾驶系统整体架构，同时开展了相应的电机车机械电气改造，满足了电机车运矿自动驾驶、装卸矿远程控制的基本功能需求，实现了井下运输作业现场无人化，提高了系统安全度，降低了职工劳动强度，改善了作业环境。
电机车无人驾驶远程控制
随着采矿技术的发展和采矿规模的扩大，以及人工成本的持续增长，减人增效成为了矿山企业的发展目标，无人采矿技术的研究逐渐展开[]。而有轨运输无人驾驶能够满足矿山开采安全高效的需求，因此成为发展智慧化矿山的一个重要环节。
地下矿山有轨运输，是通过电机车组将采区溜井中的矿石运送到粗破大溜井中的关键工序，对矿石生产效率有着重要影响。由于设备、人员等因素，轨道运输也存在各种问题，比如人工驾驶电机车闯红灯、速度过快矿车掉道、放矿时现场人员危险性高；信集闭系统只能指挥调度电机车，无法控制；由于硬件以及环境限制，信集闭系统不能准确获取电机车位置，影响调度效率[]等。
为实现运输作业现场本质安全、降低运输成本，提高矿石生产效率，本文研究了井下电机车无人驾驶系统。本文根据试点矿山井下实际运输环境，给出无人驾驶系统的总体结构，并介绍和分析了电机车无人驾驶改造的关键技术。
井下环境概述根据该矿现场生产实际情况，选取某运矿段作为电机车无人驾驶试验区，运输巷道如图所示，包含个卸矿坑，5条穿脉，其中4个单溜井穿脉、个双溜井穿脉。同时将约km范围直巷作为电机车重载速度测试区域。
图-45m水平运输巷道图
系统架构该矿山井下电机车无人驾驶系统是以Wifi无线通信及千兆工业以太网为传输平台，KJ9轨道运输监控系统为依托，采用井下机车精确定位技术、视频图像处理技术和矿井机车调度技术并结合电机车变频控制及远程拟人化操作的矿井安全生产运输综合监控系统，可以实现电机车无人驾驶。
无人驾驶系统按照设备区域划分可分为三大组成部分，包括地表远程控制中心、井下巷道固定设备、电机车及机载自动化组件,如图所示。
图电机车无人驾驶系统架构
系统能根据调度管理软件中巷道状态，下发生产任务指令，远程操控人员确认后，电机车根据指令抵达相应的溜井处进行装矿作业，在装矿完成后，再次下发卸矿任务指令抵达相应卸矿坑进行卸矿任务。电机车在自主运行过程中，工作人员可通过视频监控和信集闭系统全程查看巷道及电机车运行情况；电机车自动驾驶过程中，巷道内转辙机、安全门禁、信号灯与电机车位置信息联锁，在电机车抵达相应位置处自动进行正确的相关动作。整个系统在运行过程中，调度管理软件下发指令后，需要远程操作人员对自动驾驶任务进行确认，多个环节确保电机车安全运行。
地表远程控制中心包括电机车操作台，调度管理主机，信集闭服务器、控制网络服务器、视频流媒体服务器、核心网络交换机。视频流媒体服务器和控制网络服务器使用的是不同网络以避免在使用过程中可能会出现的网络阻塞。工作人员在进行远程操控电机车行驶过程中，通过观察视频图像以及信集闭系统对机车进行操作调度。
在调度管理主机上，可根据机车在信集闭系统上的实时位置，对电机车的生产作业任务进行调度安排，根据提前录入的生产计划，生成机车运输任务。在电机车操作台上，确认生产任务后，通过网络平台，将指令发送给电机车车载控制器，电机车自动行驶至制定溜井进行放矿任务，或行驶至卸矿坑进行卸矿作业。电机车无人驾驶系统数据流向如图所示。
图无人驾驶系统数据流向
井下巷道固定设备主要包括控制分站、通信分站、机车UWB基站、WiFi基站、计轴器、转辙机及转辙机控制器、放矿控制器、信号机、井下控制网络交换机、井下流媒体网络交换机。井下巷道固定设备主要承担了无人驾驶系统中远程控制与电机车之间通信，以及电机车运行过程中位置采集。
电机车及机载自动化组件部分主要安装在电机车之上，为了便于无人驾驶远程控制，相比于传统电机车，增加了电机车测速装置、电机车控制器、自动升降弓装置、备用蓄电池和空压机。在此基础上，在电机车上安装了车载控制器，来进行操作台与电机车之间的通信控制。
电机车改造.机械系统电机车的机车整体为钢架结构，是电器设备和机械零部件的安装基础。整个车架被分成三个室：车头部的司机室，司机室中安装有主要设备为变频器、车载控制器、升弓控制箱、直流电抗器、保险开关、蓄电池等操作设施；中间为机械室，安装有走行装置、机械制动装置、空气制动装置、牵引电动机、撒砂装置等。机车后部电气柜安装有主空压机、制动电阻、开关电源等。
电机车所有控制指令，如紧急制停、驻车、行车、升降弓等皆要通过车头司机室中的主控台，其中主要核心部分为车载控制器，负责接收信号，同时所有的信号通过它来处理，整个车辆的控制都要通过车载控制器完成。操控人员通过车载控制器与机车室内操作版上的按钮来对车辆进行操作。车载控制器控制整辆车的气动部分和驱动部分。
气动部分：
当QNG-00/型升降弓与滑线接触受电，电流顺受电弓到达车尾，车尾部接收器通过控制回路闭合，机车有了主动力，车尾电气柜中ZQB-.9型主空压机运行，主空压机运行，可以实现通过电路控制气路，即气缸、车闸瓦、受电弓的状态受控。空压机处安装单向阀，使得总空压机气缸的气可以流向升弓气缸起到补充作用，但升弓气缸中的气不能回流。
控制主空压机工作的保险开关位于司机室中。机车电气柜安装有两个开关电源，一个交流电V逆变直流4V，向信号系统，如PLC，电磁阀供电；另一个直流4V转直流V，用于控制回路用电，保证车载控制器用电安全。
有人驾驶与无人控制电机车的区别在于有人驾驶车辆受电弓上绑有一根绝缘绳索，需要降弓时，司机手动拉动绳索降弓。而无人驾驶电机车上安装有两台空压机，主空压机负责给电机车用气部分（升降弓，刹车）供气。一台辅助空压机专门用于弓的升降，依靠车身部分的蓄电池供电，工作电压4V，机车正常行驶中，辅助空压机不会一直工作，在升弓气缸压力低于0.MPa时，辅助空压机启动；升弓气缸压力高于0.7MPa时，辅助空压机停止工作。机车制动降弓后，空压机升弓气缸会把气放掉，再次启动时由蓄电池向辅助空压机供电并打开升弓气路电磁阀，受电弓升起，进而主回路得电正常工作。
驱动部分：
驱动结构主要是牵引力的产生和传递机构，由牵引电机、减速箱、轮对和轴箱装配等组成，是电机车的一个重要组成部分。受电弓升起的同时主回路电到达司机室主控室下方BPK-0/型交流变频调速箱中，变频器为电机车次核心部分，将V直流电逆变为V三相交流电，司机室底部安装有直流电抗器，来提高变频器运行过程中的稳定性。根据控制器指令，交流电会送到车身部分的两个YVF-75Q型三相交流变频牵引电机上，电机启动旋转，产生的动力通过电机轴过万向节联轴器到变速箱，变速箱将高转速低扭矩转输出为低转速高扭矩，通过车轮轴带动车轮转动。驱动部分原理如图4所示。
图4驱动原理
机车制动：
有人驾驶电机车制动由司机通过操作制动手轮实施电机车的制动和缓解。当转动手轮时，手轮带动制动丝杆螺母处的丝杆旋转，丝杆旋转使螺母产生运动，带动制动拉杆及制动杠杆动作，使制动闸瓦对车轮产生压力，从而使车轮与闸瓦之间产生摩擦制动力，从而达到电机车减速或停车的目的。
无人驾驶机车制动系统分为手轮基础制动、空气动力制动系统以及电气（电阻）制动。手轮基础制动，主要用于电机车驻车制动（无气制动），其系统顺时针方向旋转手轮，是对电机车实施制动，反方向则为缓解。空气制动系统，主要用于电机车常用制动和紧急制动，操作制动阀调压可使电机车实施制动和缓解。电阻制动则主要用于电机车减速、限速。
紧急制动时，电阻制动与空气动力制动应同时使用，行车制动与驻车制动相结合，保证绝对安全。系统在正常情况下制动，首先通过电阻制动将车速降低，结合行车制动控制电磁阀使电机两侧的制动气缸动作，推动连杆，机械制动将抱住车轮。车轮抱死，车辆停止后，放气。驻车制动生效，行车制动解放。整个刹车过程靠制动气缸来带动，共有4个。制动缸推动连杆（连杆共4组，每组前后两个，每个制动缸带一组连杆）两边连杆推动升起，将闸瓦抱死，轮子被卡死。
.电气系统..电气原理概述CJY0/9GP-W电机车采用直交逆变器加台交流电机的控制结构，直交逆变器主要将直流电压变为频率和电压都可调节的交流电压，内部控制电路使其同时控制两台交流电机运行。机车以无人控制模式为主，兼有人工控制模式，可以通过无人系统或机车操作台上的开关选择控制模式。
主要的电气设备规格如表所示。
表电气设备规格表
序号
名称
数量
规格
矿用一般型变频牵引电动机
75KW
矿用一般型电机车用逆频器
气动受电弓
4
矿用一般型自动开关
5
矿用一般型制动电阻箱
6
矿用一般型直流牵引辅助电动机
7
矿用隔爆型LED机车照明信号灯
DC4V
8
顶灯
DC4V
9
接触器箱
0
蓄电池箱
DC4V/00AH
直变电源
DCV/DC4V
直变电源
DC4V/DCV
..主要电气系统电气控制系统可以分为信号输入、系统处理、控制输出三个部分。电机车电控系统的输入信号主要有传感器、电流、电压信号；按钮、转换开关、手柄开关信号；远程控制信号等。
系统处理由DSP最小系统完成，采用的是美国TI公司的DSP控制芯片，实现了改进的矢量控制算法，通过检测需求的电机速度，以及电机运行状态，计算出电机效率最优的运行磁通，通过控制参考定子电流的磁通分量使电机效率优化。
系统控制输出主要由机械系统完成，如电机、气缸阀门等。
电机车核心控制系统为车辆管理系统，由PLC，传感器，通讯模块等设备组成，机车运行命令通过车辆管理系统发送给各控制部分，由各部分执行，同时接受传感器等监控设备的信号监控机车运行状态，机车通过车辆管理系统接受无人系统的控制命令，控制机车自动运行，同时将机车状态反馈给无人系统，以保证机车的安全运行。系统整体结构如图5所示。
车辆管理系统需要与无人系统通信控制器连接，达到远程控制电机车、实时监测车辆状态的目的，两者硬件连接如图6所示。
..其他电气系统除了主要的电气控制系统外，还有以下负责其他功能的辅助电气系统。受电弓系统，机车通过安装在机车上的气动受电弓接通架网电源，给机车提供工作电源。该受电弓为有气升弓，即升弓时靠升弓气缸里推动弓升起，所以初次升弓时需要靠蓄电池给升弓空压机提供工作电源，给升弓气缸打气，之后气源靠主气缸提供，降弓为无气降弓，即排空升弓气缸的气后，将弓降下。
空压机控制系统：采用变频器为空压机提供工作电源，当机车司机控制台上的压力表的气压低于0.6MPa时，空压机开始工作，当压力高于0.8MPa时，空压机停止工作,为保障机车安全运行，气压低于0.5Mpa，机车牵引指令封锁，机车不能进入运行状态。
辅助电气系统：照明系统（采用DC/DC将DCV电源转变为DC4V，分别为前后大灯、信号灯、顶灯以及监视系统提供工作电源，具体的操作机构是位于司机控制台上旋转开关，照明电源位于仪表台内部）、电源系统（主要给机车各电气控制部件，包括无人系统、车辆管理系统、变频器等提供工作电源，主要有DC4V和DCV两种电源，电源系统还包括一个蓄电池箱，主要为受电弓初次启动时提供工作电源，同时为无人系统提供后备电源）。
4系统功能井下电机车无人驾驶系统三大组成部分实现了电机车的无人驾驶，成功实现井下作业无人化，改善了生产作业环境，提高了生产作业安全。系统中各个组成部分分工合作完成了以下系统功能：
（）联锁功能。在多辆电机车同时运行时，系统具备严密合理的逻辑关系，实现电机车安全有序高效进行装卸矿，不会出现堵车追尾的状况，保证矿石运输效率。
（）监测功能。地表控制台能够实时显示变频器、电机的电流、电压、温度、转速等参数，监测电机车动态位置及状态、轨道巷道设备的工作状态，同时通过摄像头监控巷道人员或障碍物。
（）手动、遥控或自动驾驶。根据现场运行情况，随时切换电机车的运行模式。
（4）遥控装矿。操作员通过地表控制台的放矿机手柄，遥控电机车对位，结合现场视频监控，进行远程放矿作业。
系统运行模式分为自动、遥控和手动种，在使用过程中，可根据具体情况进行合理的选择。
（）自动模式。电机车根据调度系统下达的生产运输计划，按照指定的运输路线自动行驶无需人员操作，启停、加减速、升降受电弓等行为均可自动完成。
（）遥控模式。地表控制台可以实现对电机车的遥控行驶，以及遥控放矿操作。
（）手动模式。电机车司机在驾驶室就地操作电机车，电机车的工作状态既可以上传又可以脱离自动控制系统纯手动现场人工驾驶。
5总结在实现开展智慧矿山建设的大背景下，地下矿山有轨运输实现无人驾驶是必然的发展趋势。以安徽某特大型地下金属矿山-45m主运输水平特定区域为试点，构建了电机车无人驾驶系统整体架构，同时开展了相应的电机车机械电气改造，满足了电机车运矿自动驾驶、装卸矿远程控制的基本功能需求。经过半年时间的调试运行，效果良好。图7为操作员在地表集控室进行日常生产调度作业。
图5地表集控室
有轨运输无人驾驶系统，将电机车驾驶室“转移”到了地表，实现井下运输现场作业无人化，提高了系统安全性，降低了职工劳动强度，改善了作业环境[]，对实现真正的少人无人和本质安全的智慧矿山具有十分重要的意义。
参考文献[]方原柏.金属矿山智能采矿技术的发展[J].自动化博览,08,5():7-77.
[]张毅力.地下矿无人驾驶电机车运输关键技术方案研究[J].金属矿山,0,V4(05):7-0.
[]陈海军,甘敏浩,吴大川,等.某铁矿井下电机车自动控制系统设计[J].现代矿业,08,():4-6.
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