煤矿辅助运输系统负责运送包括井下除原煤之外的各种材料、设备和工作人员，具有路线多变、运输品种多、运输环境差等特点，一旦辅助运输环节出现问题，不但影响生产，还可能会造成人员伤亡及财产损失。为提高煤矿运输效率及运输安全，国能神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿（简称上湾煤矿）配备了大量的防爆柴油无轨胶轮车，这些车辆在使用过程中较好地实现了性能可靠、机动灵活的目标，但在使用过程中也发现了一些问题：柴油发动机产生的尾气虽经过一定的净化处理，但在井下狭窄的巷道中留存的部分尾气仍会对作业人员的健康带来一定程度的伤害；柴油发动机在工作过程中噪声较大，造成很大的环境噪声污染。

为解决以上问题，上湾煤矿作为国能神东煤炭集团有限责任公司（简称神东煤炭集团）新能源电动车试验基地，积极响应国家创新、绿色发展的要求，认真分析制约井下辅助运输系统运行的原因并制定相应的对策，通过5G+UWB网络实现井下设备互联，应用绿色新能源电动车、无源光伏充电站、车辆无人驾驶系统，助力实现国家“双碳”目标，推进煤炭安全绿色、高效、智能化生产和井下辅助运输管理“无人则安，少人增安”的建设。

文章来源：《智能矿山》2023年第11期“神东煤炭集团智能化建设成果专栏”专栏

作者简介：王旭峰，工程师，现任国能神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿机电副矿长

作者单位：国能神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿

引用格式：王旭峰，高文才，毛自新，等.辅助运输新能源电动车+无人驾驶系统在上湾煤矿的应用[J].智能矿山，2023，4（11）：54-59.

为减少矿井柴油车辆的使用，降低碳排放量和能耗，实现车辆精确定位，上湾煤矿引入了辅助运输绿电+车辆无人驾驶系统。新能源电动车和无源光伏充电站具有安全、环保、节能的特点，无人驾驶车辆的应用实现了矿井少人化、无人化，5G+UWB技术则为无人驾驶系统的信号传输及车辆精确定位提供了技术支持。

目前上湾煤矿在用电动车104辆，用于人员、材料的运输。全矿新能源电动车占比80.96%，预计2023年底实现全矿100%新能源电动车的目标。上湾煤矿新能源电动车如图1所示。新能源电动车整车根据实际工况，采用定向设计，优化设计悬架阻尼参数，乘坐舒适性参照商用车规范开发，人机工程协调，整车驾乘舒适性高。新能源电动车的应用有效解决了传统柴油车高污染、高油耗、高噪音、低寿命的问题，为职工提供良好的作业环境，降低了因尾气吸入、发动机噪声大而引起的肺部疾病和噪声聋等职业病发生的概率。相比于柴油车，新能源汽车无需加水加柴油，无需清洗格栅；自动挡操作简单、动力强劲，零部件可靠耐用、维护方便；无需担心尾气达标检测，在局部通风差、氧气浓度低的巷道具有更好的环境适应性，有助于新建矿井、改造和扩建矿井，减少通风设备的投入。

新能源电动车无源光伏充电系统是通过在现有车库顶棚的基础上建设光伏发电系统实现的（图2），同时搭载了智能安全系统。既满足新能源电动车充电及车库照明要求，又具有联合消防、联合控制、全覆盖探测、精准灭火4大功能。新能源电动车无源充电系统完全依靠光伏进行发电，不接入国家供电网，节能减排效益显著。在停车位上增加的集装箱储能系统可实现充电站全功率运行，且平滑整个无源光伏充电系统，保证系统安全可靠运行（图3）。

无源光伏充电系统的充电桩负荷最大限度地使用光伏发电及储能放电，储能系统进行削峰填谷。无源光伏充电站原理如图4所示。无源光伏充电系统的核心设备包括：并网型储能变流器、光伏逆变器、现有充电桩等。并网型储能变流器的交流侧并联接入380V的交流母线上，每台变流器直流侧并联接入1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；光伏逆变器直流侧连接光伏阵列，交流侧并联接入380V交流母线，为整个系统提供能源输入；现有充电桩的交流侧并入交流母线，可由光伏、储能系统或电网供电。

此外，上湾煤矿增加了EMS（EnergyManagementSystemforMicrogrids，微电网能量管理系统）（图5），可实现对微电网的光伏发电单元、储能系统和负荷之间的管理，包括对光伏单元的功率预测、功率波动平抑、对负荷的预测，实现应急电源控制、储能单元的削峰填谷。EMS对微电网中的能量按最优的原则进行分配，实现微电网系统的经济优化运行。

图5　上湾煤矿微电网能量管理系统

为减少煤矿井下作业人员数量，建设安全、高效、绿色、智能化矿井，上湾煤矿根据矿井道路条件和井下作业要求，应用辅助运输车辆无人驾驶系统。该系统可实现辅助车辆从井上到井下的自动行驶、错车通行、全局路径规划、动态路径规划、硐室停车、岔路口通行、协同装载/卸载、站台精准停靠等功能（图6）。相关先进技术包括：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建图技术。上湾煤矿无人驾驶系统建模界面如图7所示。

图7　上湾煤矿无人驾驶系统建模界面

除辅助车辆自身可实现无人驾驶运行外，上湾煤矿也在调度和监控中心建设了基于无人驾驶系统技术的辅助运输车辆智能调度和管理系统（属于无人驾驶系统技术研究的一部分），根据井下辅助运输作业计划智能调度和管理无人驾驶车辆，确保车辆安全、稳定、合理行驶。

为提高煤矿辅助运输车辆和其他井下设备的通信传输质量和传输效率，上湾煤矿应用1套高可靠、高带宽和低时延性能的5G移动通信系统，基于5G网络与UWB井下精确定位等技术，可实现上湾煤矿5G+UWB信号全覆盖。为井下无人驾驶、井下高清视频传输、综采及掘进数字孪生工作面、井下工业控制、机器人智能巡检、基于5G技术的AR增强培训及未来井下基于5G技术的智能化应用打下坚实的技术基础。上湾煤矿5G+UWB拓扑如图8所示。

上湾煤矿5G无线通信系统的核心网提供5G网络接入统一管理鉴权、移动性管理，满足对井下多系统的网络集中接入。上湾煤矿5G核心网拓扑如图9所示。5G核心网UPF（UserPlaneFunction，用户面功能）下沉上湾煤矿，满足矿区5G转发需求。5G传输环网选用多业务综合承载网IPRAN（IPRadioAccessNetwork，无线接入网IP化）组网方式建设，采用分层组网（包括核心/汇聚设备间、汇聚/接入设备间混合组网）方式，设备支持网络切片、EVPN（EthernetVirtualPrivateNetwork，以太网虚拟专用网）等网络新特性。5G与UWB一体化定位系统的融合，以5G通信网络为基础，充分利用5G异构定位架构，融合UWB一体化基站定位技术，同时解决定位精度和定位覆盖2大核心问题，实现一体化的通信和定位覆盖。

图9　上湾煤矿5G核心网拓扑

（1）目前，上湾煤矿已实现所有煤矿皮卡指挥车、运人车、材料车的电动化改造，下一步将对工程车和特种车辆进行电动化替换。为煤矿井下实现绿色、环保的辅助运输新模式奠定基础。此外，新能源电动车由于整车采用纯电驱动，因此运行成本更低。电动车运行吨公里能耗仅为0.08kW·h，运行成本仅为同类防爆柴油车的13%，满载续航里程小于80km。上湾煤矿从使用电动车起，相比于使用柴油车，全年可节约500万元的费用。

（2）光储充电站设计功率为400kW，每天正常可发电近2000kW·h，每年发电近60万kW·h，每年可节约90.3万元的电费，全生命周期可节约电费2018.2万元，降低了煤炭能源的消耗。2024年，上湾煤矿将继续建设光伏二期，计划建设面积3600m2，保障全矿新能源电动车的使用续航，同时按照“智能运输、智能网联、智能管理”的思路充分利用神东煤炭集团大力建设井下5G网络的基础优势，通过对无人驾驶、新能源、智能遥控等先进技术攻关，打造国内领先的示范矿井。

（3）上湾煤矿辅助运输车辆无人驾驶系统目前完成了井口至上湾煤矿12403综采工作面13km的数据采集、去噪、建图、测试运行工作；完成了绿色智能无人运输19人车、5人车从井口到上湾煤矿12403综采面长距离、多场景的测试；突破了无人驾驶车辆在井下精确导航定位、井下复杂环境感知、井下远程监控和应急接管、井下车路协同等关键技术瓶颈。

（4）上湾煤矿全矿井已完成5G移动通信系统设备部署，包括5G核心网、业务交换机、基站控制器、5G基站、UWB分站。目前5G传输环网及5G+UWB精确定位系统已经全覆盖建设完毕。

上湾煤矿辅助运输绿电+无人驾驶系统的建立，实现了新能源汽车日常使用的需求，降低了车辆尾气的排放，减少了驾驶员数量；光伏充电站有效提高了煤矿的经济效益，下一步将继续扩建光伏充电站，为提高新能源电动车续航能力提供保障；上湾煤矿充分利用井下5G+UWB网络的基础优势，不断强化无人驾驶、智能操控等核心技术攻关，全面打造基于5G+UWB网络的智能应用行业标杆。辅助运输新能源电动车+无人驾驶系统在上湾煤矿的应用入选了国家能源局发布的《全国煤矿智能化建设典型案例汇编（2023年）》。

未来，上湾煤矿将继续完善辅助运输绿电+无人驾驶系统，加快推进车辆电动化、充电节能化、驾驶无人化、5G+UWB全覆盖进程，还将为推进无人化采煤、机器人远程控制等技术的应用，为建设世界一流智能化示范矿井提供“上湾方案”。