煤矿辅助运输系统智能化现状分析及框架设计研究

常凯1，2，  刘志更1，2，  袁晓明1，2，  李媛3 

（1. 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西  太原　030006；2. 山西天地煤机装备有限公司，山西  太原　030006；3. 山西晋中理工学院 文法学院，山西  晋中　030600）

摘要：介绍了国内外露天煤矿和井工煤矿辅助运输智能化技术发展和应用现状：露天煤矿的智能辅助运输系 统已经实现了矿用卡车在固定路段内的无人驾驶、自动装载、自动卸载、主动避障、智能调度等功能，工程实践也 取得了不错的应用效果；井工煤矿辅助运输智能化目前还处于装备的单机智能化发展阶段，尚未形成集车辆调 度、运行状态监测、交通指挥、物资管控等功能于一体的辅助运输智能化系统。重点分析了井工煤矿智能辅助运 输系统存在的主要问题：井下定位系统精度低和实时性较差、调度系统功能缺乏有效融合、驾驶辅助系统模块不 健全、无人驾驶技术滞后和缺乏试验条件等。基于《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》中关于智能辅助运输部 分的相关要求，提出了辅助运输系统智能化建设的总体目标，根据总体目标设计了煤矿辅助运输系统智能化框架：① 物资编码和物资集装化运输，实现物资从仓储、编码、装车、运输、卸车到回收过程的全流程信息化管控。② 自 动装卸和自动接驳，实现物资在轨道机车、单轨吊、无轨等不同辅助运输方式之间的自动转运和接驳。③ 精准定 位和智能导航，实现人员及运输设备的精准实时定位、路线规划和实时导航。④ 车辆智能调度，实现辅助运输综 合信息展示、数据传输、状态监测、调度指挥和健康管理等功能。⑤ 驾驶辅助系统，建设防疲劳驾驶预警、360°全 景环视监控、预防撞、交通标志识别、下坡行车辅助制动、自适应照明等智能化子系统，提高机车运行的安全性。⑥ 辅助作业机器人替代，实现井下辅助作业场景的机器人自动化作业，减少用工数量，提高辅助作业整体自动化 水平。⑦ 无人驾驶，实现机车在矿井下的无人驾驶常态化运行。该研究可为智能辅助运输系统的建设和发展提 供借鉴。 

关键词：煤矿辅助运输；智能辅助运输；信息化管控；自动接驳；车辆定位与调度；驾驶辅助；辅助作业 机器人；无人驾驶

       为提升煤矿智能化水平，2020 年 2 月 25 日，国 家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发了《关 于加快煤矿智能化发展的指导意见》，国内煤矿开始 启动并加快推进矿井智能化建设。辅助运输作为煤 矿生产的准备环节，担负着全矿井生产所需人员、物 资及设备的中转和运输工作，其智能化对于提高矿 井生产效率和确保矿井安全有着重要意义。 

       国内外露天煤矿的智能辅助运输系统已经实现 了矿用卡车在固定路段内的无人驾驶、自动装载、 自动卸载、主动避障、智能调度等功能，工程实践也 取得了不错的应用效果。但井工煤矿的智能辅助运 输系统还不健全，除了不完善的车辆智能调度系统、 为数不多的驾驶辅助系统、局部的无人驾驶场景展示外，研究目标和范围还比较模糊。一方面是因为 辅助运输系统建设需要的管控平台、高速工业互联 网络、井下配套设施等基础环境有待重新建设或升 级，智能化专业人才队伍也有待组建。井下一些场 景尚处于人工辅助、机械化和半自动化的状态，核心 技术、核心元部件、核心装备研发滞后较多，直接过 渡到智能化显得力不能及。另一方面一个很重要的 因素是辅助运输系统智能化的建设框架还不够清 晰，面对煤矿辅助运输系统智能化的市场需求，现有 系统的智能化功能还不够完善，装备的智能化程度 仍有待提升。现有的煤矿辅助运输系统智能化应用 仅是在已有的技术、系统和装备上增加一些智能化 的元素，达不到系统融合产生的综合效果[1]。 

       本文简要总结了国内外煤矿辅助运输智能化技 术的应用现状，重点分析了井工煤矿辅助运输智能化存在的问题，从辅助运输系统功能角度出发，设计 了煤矿辅助运输系统智能化框架，为辅助运输系统 智能化建设和发展提供研究思路。 

1.1 露天煤矿辅助运输智能化现状 

       露天煤矿辅助运输具有运行区段内人流量少、 场景单一、运输路线相对固定等优势。矿用自卸卡 车作为露天煤矿辅助运输的主要装备，采用无人驾 驶方案可为露天煤矿开采运输过程中存在的调度困 难、人工成本高、能源消耗大、安全事故多发等突出 问题带来新的解决方案。国内外的矿业巨头、煤机 装备和无人驾驶高科技企业纷纷涉足露天煤矿无人 驾驶领域[2]。

       早在 20 世纪末，随着新一代信息技术快速发 展，美国、德国等国家的露天煤矿采用先进的智能化 连续开采技术，大幅提高了矿山的自动化水平及开 采效率；矿用卡车无人驾驶也已经拥有使用几百台 车、完成几十亿吨运载量的实际经验，应用效果显 著 。2019 年 4 月 ， 自 动 运 输 系 统 （ Autonomous Haulage System， AHS）应用在澳大利亚、南北美洲的 矿山，已经完成超过 20 亿 t 物资运输，目前该系统已 在 10 个矿山得到应用。2020 年 4 月，美国卡特彼勒 公司使用矿山之星系统（MineStar）移送的物资已达 20 亿 t[3]。

       国内露天煤矿无人驾驶技术与装备研究较晚， 随着地面无人驾驶相关感知、定位和控制等技术的 日益成熟，2019−2021 年，国内露天煤矿无人驾驶系 统得到了工业化应用和推广[4] ，主要应用在稀土矿 （内蒙古包钢股份白云鄂博矿区）、金属矿（河南洛阳 钼业集团三道庄钼矿、江西江铜集团城门山铜矿）、 煤矿（华能集团伊敏露天矿、大唐国际宝利煤炭有限 公司、准能集团黑岱沟煤矿、国家能源集团神华宝 日希勒能源有限公司露天煤矿、国家能源集团神华 新疆能源有限责任公司准东露天煤矿等）。其中国 家能源集团神华新疆能源有限责任公司准东露天煤 矿开展的 5G+卡车无人驾驶技术应用试验，在采场 与排土场运距为 3.5 km 的路段内，实现了卡车运输 环节作业过程的完全无人自主运行。卡车平均运行 速度达 35 km/h，在标准运距和提升高度作业条件 下，无人驾驶运行效率达到了有人驾驶平均效率的 90% 以上。通过阶段性的露天煤矿无人驾驶连续运 行试验，试验总里程达 1.735×105 km[5]。

1.2 井工煤矿辅助运输智能化现状 

       煤矿井下巷道空间狭小、岔路口多、粉尘大、湿 度大、通风差，这些复杂环境对智能传感器的感知质量非常不利。辅助运输装备在井下运行距离较长， 覆盖范围较广，相较一些固定场景的智能化系统，其 实现智能化运行的难度较高。同时目前在井下受限 空间内的精确定位技术、地图构建技术、环境感知 技术、自动装卸和接驳技术、无人驾驶技术等核心 关键技术攻关刚起步，尚不具备工业化应用基础，致 使井工煤矿的辅助运输智能化发展缓慢。

       随着近几年车辆定位与调度、机车综合保护、驾 驶辅助、无人驾驶等技术的发展，国内井工煤矿辅助 运输智能化建设取得了一定成果，如国家能源集团 神东煤炭补连塔煤矿的车辆智能调度系统实现了系 统综合平台信息化展示、人员及车辆实时定位、固 定场景的状态监测和回放、地面调度室与井下驾驶 员之间的调度对讲和视频通话、井下交通信号灯逻 辑控制、车辆运行信息上传等功能[6]。国家能源集 团神东煤炭大柳塔煤矿无轨胶轮车安装了预防撞系 统和防疲劳驾驶预警系统，提高了车辆运行的安全 性[7]。国家能源集团神东煤炭布尔台煤矿开展了 5G 网络环境下新能源运人车的无人驾驶测试[8]。山 西晋能控股煤业集团塔山煤矿挖金湾区副平硐安设 了无轨胶轮车失速保护系统，当无轨胶轮车发生速 度失控时，车载挂钩钩住巷道设备的阻拦索，给车辆 提供一个可靠且平稳的拉力，使车辆减速，避免持续 向下跑车，主动制动效果良好[9]。

       从上述应用情况可以看出，井工煤矿辅助运输 智能化目前还处于装备的单机智能化发展阶段，尚 未形成集车辆调度、运行状态监测、交通指挥、物资 管控等功能于一体的辅助运输智能化系统。

       井工煤矿辅助运输系统智能化建设刚刚起步， 受矿井基础条件建设不足、装备运行环境复杂、地面一些高新技术在井下环境应用的难度相对较高等因素制约，辅助运输智能化建设进展较慢。

       当前多数井工煤矿基于智能化发展的矿井基础设施和高速网络环境建设不足，已建成的定位系统对于车辆的定位精度和实时性尚不能满足辅运装备运行速度要求，制约了辅助运输系统相关智能化功能的发挥和实现。矿井物料管理仅在仓储环节有所 进展，运行和使用中的物料缺乏有效监管，物料消耗量大。现有的车辆调度系统仅具有一些状态信息的展示和发布、静态视频监控和固定逻辑的红绿灯控制等常规功能，车辆运行缺乏统一的调配和利用，综合运输效率低，燃油成本陡增，浪费严重。对于多种运输方式并存的矿井，急需实现物料的自动装卸和自动接驳。辅助作业场景急需实现辅助作业功能的 自动化和智能化，降低作业人员数量，降低工人劳动 强度。单机智能化方面，受锂电池技术发展和安全 因素影响，新能源车辆续驶里程有待突破，运行模式有待验证，确保车辆运行安全的驾驶辅助系统亟待 完善。 

     （1） 定位系统定位精度低和实时性差。矿井巷道内无卫星信号，不仅巷道长廊效应凸显，目标活动 范围较为分散，且井下环境信号屏蔽物较多、电磁环 境复杂多变，要实现人员、车辆等动目标的精确定 位，需要采用室内定位技术。现有定位技术的优缺 点对比见 表 1。可看出超宽带 （ Ultra  Wide  Band， UWB）定位技术与其他无线定位技术相比，具有定位精度高、覆盖距离远、成本适中、功耗低、安全风险低等优点，可以克服复杂巷道空间内的障碍物阻挡， 无论是精度还是稳定性都非常适合在煤矿井下复杂 环境中实现目标的精确实时定位，能够满足《煤矿井下人员定位系统安全技术要求（试行）》对目标定位 的精度要求。

       目前煤矿井下在用的定位系统多以 UWB 或 UWB（定位） +ZigBee（通信）融合组网 2 种形式为 主。其中融合组网将定位网络和数据传输网络分 离，采用双通信技术下发模式，优先 ZigBee 下发，若 ZigBee 下发失败，转 UWB 链路下发，为井下撤离、 呼叫增设双保险，在意外发生时后台还能够与被困 者进行通信。通过 ZigBee 下发信息和上传求救信 号，丰富和扩展了 UWB 定位系统功能应用，可以满 足井下定位系统建设中双向通信要求。现有的 UWB 定位技术可实现人员或设备静态定位精度为 3 cm，动态定位精度为 100 cm。该定位精度用于运 动中的辅助运输装备勉强够用，但若用于井下车辆 的自动驾驶和无人驾驶系统，定位的准确性和实时 性还难以满足使用要求[10-11]。 

      （2） 车辆智能调度系统功能缺乏融合。现有的车辆智能调度系统采用 WiFi 无线通信、UWB 精确 定位、机车车辆信号安全调度、视频监控等技术，在 井下主要运输巷道设置通信基站、信号机、读卡分站等设备，配合地面监控中心服务器及软件，实现轨 道机车或无轨胶轮车的智能调度和管理[12-13]。其中 轨道机车智能调度系统实现了电机车、矿车的精确 定位、信号机道岔自动控制、电机车安全识别、自动 闭锁、工况信息自动上传等功能。无轨胶轮车车辆 智能调度系统实现了车辆定位、状态监测、车辆指 挥调度、交通管控、违章报警、调度对讲、视频通 话、信息发布、信息展示、报表管理、行车轨迹回 放、无线通信、数据上传等功能。

       车辆智能调度系统的发展一定是要全方位实现辅助运输各环节的智能化调度和管理才有意义。现 有的车辆智能调度系统功能还仅限于状态监测、单 一的信息展示和查看、固定逻辑的交通信号灯控制 等。尚没有与矿井实际情况有机融合，没有与物资 的装运、交接、卸载、回收等环节有深度交集和衔 接，仅仅做到了井下辅运信息的收集和汇总，缺乏对 数据的分析和再处理，难以真正支撑系统去做决策， 有待进一步深入研究。

      （3） 驾驶辅助系统模块不健全。驾驶辅助系统 是利用安装于车上的各种传感器（摄像头、毫米波雷 达、激光雷达和超声波雷达等）在第一时间收集车内 外环境数据，对车辆周围静动态物体进行辨识、侦测 与追踪处理，及时判断车辆当前所处状态，提示驾驶 员采取下一步操作，全面提高车辆行驶安全性[14]。

      驾驶辅助系统涵盖的范围较广，对于煤矿辅助 运输车辆来讲主要有防疲劳驾驶预警系统、360°全 景环视监控系统、预防撞系统、交通标志识别系统、 下坡行车辅助制动系统、自适应照明系统等。其中 防疲劳驾驶预警和预防撞系统已经实现了产业化应 用。多种下坡行车辅助制动系统已经基本满足当前 矿井长距离下坡制动需求。360°全景环视监控、交 通标志识别和自适应照明等系统还在研发中。 

      （4） 无人驾驶技术与元部件发展滞后。地下金 属矿山无人驾驶技术早于煤矿，山东黄金莱西金矿 和甘肃金川集团金属矿已经实现了轨道机车的无人 驾驶运行。2020−2021 年，一些科研单位在国内煤 矿进行了最新的井下无人驾驶车辆性能展示。采用 的技术路线多是在原来的防爆锂离子蓄电池无轨胶 轮车上加装定位单元、环境感知单元、整车控制单 元，根据收集到的环境信息对目标车辆的油门、转 向、制动等系统进行相应控制，在井下路况较好的巷 道内进行了无人驾驶运行试验[15-17]。

       尽管各装备制造商已经联合国内地面无人驾驶 科技企业进行了井下车辆无人驾驶尝试，激光雷达、 毫米波雷达、高清摄像头、深度相机等感知型传感器也有了隔爆型或本安型产品。但当前仅实现了巷 道中的居中自主行驶，还未能实现井下巷道弯道自动识别和自动转弯、错车、自主导航等操作。未来无人驾驶在煤矿井下的真正落地还要依赖于低时延高速 网络、高精度定位、高精度地图等系统的成熟应用。

       根据 2021 年 6 月 5 日国家能源局、国家矿山安 全监察局发布的《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》 中的建设要求[18] ，总结提出了辅助运输系统智能化 建设总体目标：建设具有智能规划、任务分配功能的 辅助车辆智能调度管理系统，逐步实现物资运输、人员运输等辅助运输车辆的智能管控、智能路径规划 与智能调度，积极开展井下辅助作业的机器人替代， 完善运输车辆驾驶辅助系统功能，分区域适时应用 和推广无人驾驶，全面提升矿井辅助运输的智能化 水平。

       根据辅助运输系统智能化建设总体目标，本文 设计了辅助运输系统智能化总体框架，主要包括物资运输管控系统、车辆智能调度系统和单机智能化系统，如图 1 所示。核心内容包括物资编码和物资 集装化运输、自动装卸和自动接驳、精准定位和智 能导航、智能调度、驾驶辅助系统、辅助作业机器 人、无人驾驶等[19-20]。

3.1 物资编码和物资集装化运输 

 3.2 自动装卸和自动接驳 

      无轨胶轮车辅助运输不需要进行物资的二次换 装，即可实现人员及物资的“点对点”无中转连续运 输，该优点也使其成为了高产高效矿井辅助运输的 必选项。但在我国山东、安徽及云贵川地区的很多 中小型煤矿，辅助运输方式采用的仍是以轨道机车 运输为主，单轨吊、架空乘人装置及无轨胶轮车为 辅，多种方式并存的运输方式，人员上下班路上耗时 较多，物资中转费时费力，辅助运输效率低，导致产 能受限，亟待实现物资的自动装卸和自动接驳。

煤矿辅助运输需要实现物资自动装卸和自动接 驳的场景主要如下：

3.3 精准定位和智能导航 

3.4 智能调度 

3.5 驾驶辅助系统 

       井下车辆驾驶辅助系统主要包括防疲劳驾驶预 警系统、360°全景环视监控系统、预防撞系统、交通 标志识别系统、下坡行车辅助制动系统、自适应照 明系统。 

3.6 辅助作业机器人 

       开展井下辅助作业的机器人替代。煤矿井下辅 助作业主要包括巷道巡检作业、管路安装作业、巷 道摊铺作业、锚杆补强作业、底板修复作业、巷道清 洗作业、混凝土泵送作业、电缆收放作业、开槽作 业、喷浆作业等，装备自动化程度较低，辅助作业时 占用人员多。在上述作业中使用辅助作业机器人替 代后，预计减人目标见表 2。

       从表 2 可看出，井下辅助作业场景使用机器人 后综合减员达 55.9%，不仅可大大提高辅助作业的自 动化和智能化水平，降低工人劳动强度，而且能够有 效减少下井作业人员数量，降低作业风险。

3.7 无人驾驶 

       （1） 当前露天煤矿的辅助运输系统智能化进展 较快，已经实现了矿用卡车在矿区固定线路内的自动驾驶、自动避障和车辆调度。井工煤矿的辅助运 输系统受定位系统精度低和实时性差、调度系统功 能缺乏有效融合、驾驶辅助系统模块不健全、智能 传感器和自动驾驶技术滞后等因素制约，智能化发 展较为缓慢。井工煤矿辅助运输智能化目前还处于 装备的单机智能化发展阶段，尚未形成集车辆调度、 运行状态监测、交通指挥、物资管控等功能于一体 的辅助运输智能化系统。 

      （2） 总结提出了辅助运输系统智能化建设总体 目标：建设具有智能规划、任务分配功能的辅助车辆 智能调度管理系统，逐步实现物资运输、人员运输等 辅助运输车辆的智能管控、智能路径规划与智能调 度，积极开展井下辅助作业的机器人替代，完善运输 车辆驾驶辅助系统功能，分区域适时应用和推广无 人驾驶，全面提升矿井辅助运输的智能化水平。 

      （3） 根据辅助运输系统智能化建设总体目标设 计了煤矿辅助运输系统智能化框架：物资编码和物 资集装化运输，实现物资从仓储、编码、装车、运输、 卸车到回收过程的全流程信息化管控；自动装卸和 自动接驳，实现物资在轨道机车、单轨吊、无轨等不 同辅助运输方式之间的自动转运和接驳；精准定位 和智能导航，实现人员及运输设备的精准实时定位、 路线规划和实时导航；车辆智能调度，实现辅助运输综合信息展示、数据传输、状态监测、调度指挥和健 康管理等功能；驾驶辅助系统，建设防疲劳驾驶预 警、360°全景环视监控、预防撞、交通标志识别、下 坡行车辅助制动、自适应照明等智能化子系统，提高 机车运行的安全性；辅助作业机器人替代，实现井下 辅助作业场景的机器人自动化作业，减少用工数量， 提高辅助作业整体自动化水平；无人驾驶，实现机车 在矿井下的无人驾驶常态化运行。

参考文献（略）

来源： 工矿自动化2022年第6期