随着兖矿能源（鄂尔多斯）有限公司转龙湾煤矿（简称转龙湾煤矿）在矿井建设中不断深化应用信息技术，矿井生产规模越来越大，服务系统和设备的自动化、机械化程度越来越高，年原煤生产和需求量也不断增加，煤炭生产模式日益集中，采掘设备不断向重型化发展，“采、掘、运”的相互矛盾日益突出。在综采综掘和主煤流运输自动化后，设备材料和人员占辅助运输的比例和工作量相应增大，现已成为煤矿生产作业突出的薄弱环节，严重制约了采掘设备和生产作业的高效发挥。
近年来，UWB定位技术在煤矿的普及和应用，打破了井下车辆定位的技术壁垒，有力推动了辅助运输智能化系统的发展和应用，促进了煤矿辅助运输系统从人工化、机械化向自动化、信息化、数字化、安全化方向的转型升级，实现了对传统采矿业运输短板的有效补强。笔者以转龙湾煤矿辅助运输智能管控系统为例，研究了基于UWB精确定位的辅助运输智能管控系统的设计原理和功能应用方法，探寻未来井下辅助运输智能管控系统的发展方向。
文章来源：《智能矿山》2023年第9期“智能示范矿井”专栏
作者简介：孙虎，工程师，现任北斗天地股份有限公司辅助运输产品经理，主要从事煤矿辅助运输信息化工作
作者单位：北斗天地股份有限公司
引用格式：孙虎，彭继国，王金满，等.转龙湾煤矿辅助运输智能管控系统的研究与应用[J].智能矿山，2023，4（9）：66-71.
转龙湾煤矿井下辅助运输智能管控系统是以车辆UWB精确定位为基础，以车载设备系统为核心，充分利用井下无线网络覆盖、信集闭联动、综合指挥平台、GIS地理信息系统为一体的综合性交通管理系统。通过建立辅助运输的规范化、科学化调度体系，实现运输全流程的信息化管理和车辆、作业人员、绩效考核等方面一体化管控，建立起高效、安全的管理体系。辅助运输智能管控系统可分为车辆定位系统、车载设备系统、交通管控系统、物流信息系统4个子系统。
（1）UWB车辆定位
UWB定位技术的原理是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带定位可用于各个领域的封闭区间精确定位。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位高精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于封闭区间的人员、车辆、设备的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。目前，UWB定位技术主要是采用TOF定位、TDOA定位、AOA定位，TOF定位、TDOA定位可以单独使用，AOA定位则一般是和TOF定位或TDOA定位进行融合定位，在矿井精确定位系统中通常主要使用TOF和TDOA定位技术。由于矿用UWB定位基站及定位标识卡在井下复杂巷道内的精确定位很难做到100%数据实时性和准确性，故在未进行大量软件算法优化情况下会出现定位数据跳跃、漂移和断点现象。笔者充分考虑到，在无轨胶轮车常规20km/h的运输速度下，测试得车辆定位卡发送频率设置为4Hz时，定位信息刷新和位置轨迹较为流畅，数据错误率较低，同步进行定位数据算法优化，利用车辆速度惯性算法进行数据补偿，弥补工作面辅运巷道、起伏弯曲巷道、水雾喷淋区等干扰较大地点的定位数据偏离现象。
（2）车载语音通信
车载语音通信系统是集5G通信、调度通信、VoIP通信等多种功能为一体的复合型网络通信系统，支持VoNR通话技术，直接通过5G核心网进行语音数据交换，IMS（IP多媒体子系统）可以在分组交换网络下实现语音业务。5G的无线接入部分叫做NR（NewRadio），跟IMS结合之后，可以实现独立拨打电话。VoNR通话技术在煤矿的应用，实现了无线语音数据的高速远距离传输，为煤矿提供了高速、安全、稳定的无线传输平台。实现车载语音通信的关键在于矿井无线通信系统和智能化车载终端的投入和使用，通过车载终端接入井下5G无线网络，实现车载终端之间、车载终端与调度电话、车载终端与手机等智能终端的相互通信，可进一步实现一键拨号、应急群呼和视频通话功能。
转龙湾煤矿UWB精确定位系统，通过在车辆上安装车载定位标识卡，可实现车辆的实时位置显示、安全距离预警功能。
（1）以UWB精确定位技术为基础，实现车辆的厘米级精确定位和车载终端实时精准导航功能。
（2）所采用的UWB精确定位设备与矿井人员精确定位系统相融合，实现司机关联、乘车人员关联、防撞预警等功能。
（3）车辆定位系统可根据车辆定位轨迹自动形成可行驶巷道矿图，并通过车辆行为态势感知功能自动规划线路，可提前预警告知车辆前方区域是否存在占道车辆和敌对行驶车辆，防止运输路线拥堵。
车载设备系统包含车载终端、车载摄像仪、车载视频服务器及车辆定位卡等设备。可本地实现车辆ECU数据显示、5G通话、前后双视频显示、基本设置等操作；也可通过矿井无线网络和定位设施实现车辆地图导航、调度指令、一键救援、安全预警和物流派单等功能。
（1）车载终端具有驾驶员登录窗口，用于驾驶员和车辆快速绑定，使用NFC或RFID等无源射频卡或矿用手表等智能设备进行快捷登录登出，同时保留账号密码登录界面，以便出现射频卡故障时进行登录作业。
（2）语音通信功能：车载终端配备手咪通话设备，可实现车载终端之间、车载终端与手机等智能终端之间、车载终端与生产调度电话之间的语音通信功能。在井下密闭空间内，燃油机车的振动噪音较大，车载终端外放喇叭振铃响度需要≥75dB（A）。
（3）车载APP行车地图显示功能（图1）：可显示车辆位置、运行速度、周围车辆、井下信号灯状态和管制路线，在重要地点弹出导航图示以及语音播报。
图1 车载APP行车地图界面
（4）车辆ECU数据采集功能（图2）：车载终端需具备CAN通信接口，接入车辆ECU数据，对车辆数据进行解析和功能设计，可实时显示车辆速度、转速、里程、水温、排温、CH4浓度、表温、机油压力、运行时间等参数，并可以设定告警限值进行实时告警并上传至交通管控系统平台。
图2 车辆ECU数据采集界面
（5）视频显示功能：无轨胶轮车配备前后2个摄像头，可实现车辆视频实时显示和本地存储，并根据时间进行录像查询。
（6）车载APP物流管控（图3）：车载终端在开机状态下，物流任务下发后，车载终端界面会自动弹出物流任务提示框，结合车辆司机调度室的物流看板实现物流接单作业，支持在线物流任务查询。
图3 车载APP物流管控界面
（7）公告查看功能：能够实时查看全矿井的交通信息、车辆报警信息、区域管制信息等公告。
交通管控系统（图4）能够实现车辆监控与地面调度，实时显示矿井运输总图，具有运行状态实时监测、调度综合管理、信号灯控制、闯红灯抓拍、区间闭锁、信息下发、保养记录、告警记录、轨迹查询、报警联动、综合显示等功能。
图4 交通管控系统主界面
物流信息系统管控界面如图5所示，通过物流信息系统和智能车载终端实现物流申请、作业审批、物料装载、运转过程、车辆编号及运送地点的管理和数据查询。物流信息系统可实现人员运输、物料运输的流程管理和把控，并对物流信息任务进行实时监控，统计历史任务报表，对接矿井仓储模块及编码体系，以及物资运送全过程的信息化闭环智能管理。运输任务完成后形成任务完成汇总表，可导出并对接内部市场核算。
图5 物流信息系统管控界面
转龙湾煤矿辅助运输智能管控系统由北斗天地股份有限公司承接建设，2022年前已完成2期项目建设，前2期项目虽然基本实现了辅助运输的智能化管控，但依然存在一些问题。辅助运输智能管控系统的两大核心业务功能为定位和通信：在定位方面，尝试过使用蓝牙标签进行密集布站实现车辆井下定位功能的解决方案，但在蓝牙频繁重连的机制环境下效果并不理想，致使车辆位置信息存在闪现、漂移现象；在通信方面，前期项目建设后发现通话效果不佳，经分析，原因为车载终端在经过2个WiFi基站中心时执行切站重连机制，重连时间约为5s，导致车辆高速行驶过程中经常出现通话卡顿。结合前期项目经验，借助北斗天地股份有限公司自主研发的UWB定位和5G通信系列产品在转龙湾煤矿井下的工程应用，为第3期辅助运输智能管控系统建设打造了必要的信息化基础环境。转龙湾煤矿辅助运输智能管控系统设计立足于煤矿辅助运输管理业务的实际需求，直接面向煤矿运转工区业务管理。
（1）UWB精确定位技术在辅助运输智能管控系统上的成功应用，解决了煤矿对于车辆定位实时管控的需求，调度管理人员可直观掌控井下作业和车库闲置车辆的全部信息，大幅增加了运输业务的作业效率。
（2）基于5G网络的实时通话让井下运输作业更加便捷和直接，调配车辆、增加临时任务、运输地点变更等业务变得更加简单方便，联动车辆定位功能可同时实现车辆保修和应急救援，为煤矿车辆运输作业提供安全保障。
（3）井下辅助运输智能管控系统已完成山西天地煤机装备有限公司、常州科研试制中心有限公司、内蒙古飞龙新型能源装备制造有限公司等厂家防爆车辆ECU信息解析功能，车辆管理、告警权限、用户权限等全部使用开放式开发模式，交由客户根据业务需求自行配置，大幅提高了系统的扩展性和生命力。
（4）车辆速度、转速、里程、水温、排温、CH4浓度、表温、机油压力、运行时间等ECU实时数据可通过井下无线网络上传至交通管控平台，通过用户配置超限阈值进行告警管控，实现了矿用机车的健康数据实时监测，通过CH4浓度参数同步实现了全矿井辅运巷道的CH4环境监测功能，对标交通管控系统的车辆维护保养计划，合理准确地进行车辆检测和保养作业。
（5）目前，煤矿辅助运输智能管控系统已在转龙湾煤矿常态化运行，为矿井辅助运输安全、高效地工作带来了积极作用。该系统各项功能、技术性能经过井下环境实际运行检测和验证，符合国家智能化煤矿验收办法及行业相关标准要求，能够有效提高辅助运输系统的整体管理水平，目前已在多个煤矿完成系统建设。
（1）井下辅助运输智能管控系统是煤矿信息化系统应用中较为复杂的上层应用，需要依托调度通信系统、无线网络系统、信集闭系统等基础信息系统的建设和应用，通过多系统联动实现辅助运输管控的各项功能。
（2）车载终端是整个辅助运输智能管控系统的核心装备，是具备无线传输、CAN信号接入、视频信号接入、NFC识别、蓝牙通信、MIC扩展的智能化终端产品。通过5G/4G/WiFi通信模块可实现车载终端定位导航和调度通信等功能，通过CAN信号接口实现与矿用机车的ECU信号接入和解析功能，通过视频信号接口实现车载摄像仪信号的接入和显示，通过NFC识别模块实现司机账号快速登录登出功能。另外，车载终端支持外接手咪设备，可实现在井下嘈杂环境下的语音通话功能。
（3）辅助运输智能管控系统已完成多厂家防爆车辆ECU信息解析功能，适用于转龙湾煤矿所有防爆车辆的信息采集、车辆管理、告警权限、用户权限等全部使用开放式开发模式，交由客户根据业务需求自行配置，大幅提高了系统的扩展性和生命力。
（4）在井下巷道重要路口安装红绿灯及抓拍设备，直接按时间顺序输出3张闯红灯图片，真正意义上实现了井下闯红灯抓拍功能。
（5）为转龙湾煤矿定制开发的井下车载导航系统，具备实时路况显示、重要岗点语音播报、红绿灯信息提前播报、路线智能规划、全矿井车辆位置显示及乘车人员显示等功能，将矿井的全部辅助运输作业情况进行实时数据共享，打造了井下信息化运输网络，深度优化了作业流程，提高了工作效率。
目前，国内还没有完善的煤矿辅助运输智能管控系统设计规范和标准，大部分煤矿对辅助运输信息化系统的认知不够充分，对辅助运输系统信息化的建设相对落后。UWB定位技术在煤矿井下生产作业的应用和普及，解决了困扰辅助运输信息化发展的定位技术壁垒，辅助运输信息化系统必将迎来前所未有的发展机遇。
转龙湾煤矿辅助运输智能管控系统的建设通过与调度通信系统、无线网络系统、信集闭系统等多系统的整合联动，结合矿车入井超限检测、失速保护、集中装配站等辅助配套系统，完全按照国家智能化煤矿验收试行管理办法的功能要求进行设计开发，大幅提高了煤矿人员、物料的运输效率，降低了煤矿生产运营成本和行车安全事故隐患，实现了矿井减人增效，推进了煤矿辅助运输领域“少人、无人化”的煤矿智能化建设。
