煤礦輔助運輸系統負責運送包括井下除原煤之外的各種材料、設備和工作人員，具有路線多變、運輸品種多、運輸環境差等特點，一旦輔助運輸環節出現問題，不但影響生產，還可能會造成人員傷亡及財產損失。為提高煤礦運輸效率及運輸安全，國能神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦（簡稱上灣煤礦）配備了大量的防爆柴油無軌膠輪車，這些車輛在使用過程中較好地實現了性能可靠、機動靈活的目標，但在使用過程中也發現了一些問題：柴油發動機產生的尾氣雖經過一定的凈化處理，但在井下狹窄的巷道中留存的部分尾氣仍會對作業人員的健康帶來一定程度的傷害；柴油發動機在工作過程中噪聲較大，造成很大的環境噪聲污染。

為解決以上問題，上灣煤礦作為國能神東煤炭集團有限責任公司（簡稱神東煤炭集團）新能源電動車試驗基地，積極響應國家創新、綠色發展的要求，認真分析制約井下輔助運輸系統運行的原因并制定相應的對策，通過5G+UWB網絡實現井下設備互聯，應用綠色新能源電動車、無源光伏充電站、車輛無人駕駛系統，助力實現國家“雙碳”目標，推進煤炭安全綠色、高效、智能化生產和井下輔助運輸管理“無人則安，少人增安”的建設。

文章來源：《智能礦山》2023年第11期“神東煤炭集團智能化建設成果專欄”專欄

作者簡介：王旭峰，工程師，現任國能神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦機電副礦長

作者單位：國能神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦

引用格式：王旭峰，高文才，毛自新，等.輔助運輸新能源電動車+無人駕駛系統在上灣煤礦的應用[J].智能礦山，2023，4（11）：54-59.

為減少礦井柴油車輛的使用，降低碳排放量和能耗，實現車輛精確定位，上灣煤礦引入了輔助運輸綠電+車輛無人駕駛系統。新能源電動車和無源光伏充電站具有安全、環保、節能的特點，無人駕駛車輛的應用實現了礦井少人化、無人化，5G+UWB技術則為無人駕駛系統的信號傳輸及車輛精確定位提供了技術支持。

目前上灣煤礦在用電動車104輛，用于人員、材料的運輸。全礦新能源電動車占比80.96%，預計2023年底實現全礦100%新能源電動車的目標。上灣煤礦新能源電動車如圖1所示。新能源電動車整車根據實際工況，采用定向設計，優化設計懸架阻尼參數，乘坐舒適性參照商用車規范開發，人機工程協調，整車駕乘舒適性高。新能源電動車的應用有效解決了傳統柴油車高污染、高油耗、高噪音、低壽命的問題，為職工提供良好的作業環境，降低了因尾氣吸入、發動機噪聲大而引起的肺部疾病和噪聲聾等職業病發生的概率。相比于柴油車，新能源汽車無需加水加柴油，無需清洗格柵；自動擋操作簡單、動力強勁，零部件可靠耐用、維護方便；無需擔心尾氣達標檢測，在局部通風差、氧氣濃度低的巷道具有更好的環境適應性，有助于新建礦井、改造和擴建礦井，減少通風設備的投入。

新能源電動車無源光伏充電系統是通過在現有車庫頂棚的基礎上建設光伏發電系統實現的（圖2），同時搭載了智能安全系統。既滿足新能源電動車充電及車庫照明要求，又具有聯合消防、聯合控制、全覆蓋探測、精準滅火4大功能。新能源電動車無源充電系統完全依靠光伏進行發電，不接入國家供電網，節能減排效益顯著。在停車位上增加的集裝箱儲能系統可實現充電站全功率運行，且平滑整個無源光伏充電系統，保證系統安全可靠運行（圖3）。

無源光伏充電系統的充電樁負荷最大限度地使用光伏發電及儲能放電，儲能系統進行削峰填谷。無源光伏充電站原理如圖4所示。無源光伏充電系統的核心設備包括：并網型儲能變流器、光伏逆變器、現有充電樁等。并網型儲能變流器的交流側并聯接入380V的交流母線上，每臺變流器直流側并聯接入1簇磷酸鐵鋰電池，可以實現能量的雙向流動，即電池的充放電；光伏逆變器直流側連接光伏陣列，交流側并聯接入380V交流母線，為整個系統提供能源輸入；現有充電樁的交流側并入交流母線，可由光伏、儲能系統或電網供電。

此外，上灣煤礦增加了EMS（EnergyManagementSystemforMicrogrids，微電網能量管理系統）（圖5），可實現對微電網的光伏發電單元、儲能系統和負荷之間的管理，包括對光伏單元的功率預測、功率波動平抑、對負荷的預測，實現應急電源控制、儲能單元的削峰填谷。EMS對微電網中的能量按最優的原則進行分配，實現微電網系統的經濟優化運行。

圖5　上灣煤礦微電網能量管理系統

為減少煤礦井下作業人員數量，建設安全、高效、綠色、智能化礦井，上灣煤礦根據礦井道路條件和井下作業要求，應用輔助運輸車輛無人駕駛系統。該系統可實現輔助車輛從井上到井下的自動行駛、錯車通行、全局路徑規劃、動態路徑規劃、硐室停車、岔路口通行、協同裝載/卸載、站臺精準?？康裙δ埽▓D6）。相關先進技術包括：高精度井工礦無人駕駛車輛控制技術、多源異構感知融合技術、主從無人駕駛控制器冗余設計技術、井工礦多車協同決策規劃技術、車路協同感知決策技術、井工礦語義高精地圖建圖技術。上灣煤礦無人駕駛系統建模界面如圖7所示。

圖7　上灣煤礦無人駕駛系統建模界面

除輔助車輛自身可實現無人駕駛運行外，上灣煤礦也在調度和監控中心建設了基于無人駕駛系統技術的輔助運輸車輛智能調度和管理系統（屬于無人駕駛系統技術研究的一部分），根據井下輔助運輸作業計劃智能調度和管理無人駕駛車輛，確保車輛安全、穩定、合理行駛。

為提高煤礦輔助運輸車輛和其他井下設備的通信傳輸質量和傳輸效率，上灣煤礦應用1套高可靠、高帶寬和低時延性能的5G移動通信系統，基于5G網絡與UWB井下精確定位等技術，可實現上灣煤礦5G+UWB信號全覆蓋。為井下無人駕駛、井下高清視頻傳輸、綜采及掘進數字孿生工作面、井下工業控制、機器人智能巡檢、基于5G技術的AR增強培訓及未來井下基于5G技術的智能化應用打下堅實的技術基礎。上灣煤礦5G+UWB拓撲如圖8所示。

上灣煤礦5G無線通信系統的核心網提供5G網絡接入統一管理鑒權、移動性管理，滿足對井下多系統的網絡集中接入。上灣煤礦5G核心網拓撲如圖9所示。5G核心網UPF（UserPlaneFunction，用戶面功能）下沉上灣煤礦，滿足礦區5G轉發需求。5G傳輸環網選用多業務綜合承載網IPRAN（IPRadioAccessNetwork，無線接入網IP化）組網方式建設，采用分層組網（包括核心/匯聚設備間、匯聚/接入設備間混合組網）方式，設備支持網絡切片、EVPN（EthernetVirtualPrivateNetwork，以太網虛擬專用網）等網絡新特性。5G與UWB一體化定位系統的融合，以5G通信網絡為基礎，充分利用5G異構定位架構，融合UWB一體化基站定位技術，同時解決定位精度和定位覆蓋2大核心問題，實現一體化的通信和定位覆蓋。

圖9　上灣煤礦5G核心網拓撲

（1）目前，上灣煤礦已實現所有煤礦皮卡指揮車、運人車、材料車的電動化改造，下一步將對工程車和特種車輛進行電動化替換。為煤礦井下實現綠色、環保的輔助運輸新模式奠定基礎。此外，新能源電動車由于整車采用純電驅動，因此運行成本更低。電動車運行噸公里能耗僅為0.08kW·h，運行成本僅為同類防爆柴油車的13%，滿載續航里程小于80km。上灣煤礦從使用電動車起，相比于使用柴油車，全年可節約500萬元的費用。

（2）光儲充電站設計功率為400kW，每天正?？砂l電近2000kW·h，每年發電近60萬kW·h，每年可節約90.3萬元的電費，全生命周期可節約電費2018.2萬元，降低了煤炭能源的消耗。2024年，上灣煤礦將繼續建設光伏二期，計劃建設面積3600m2，保障全礦新能源電動車的使用續航，同時按照“智能運輸、智能網聯、智能管理”的思路充分利用神東煤炭集團大力建設井下5G網絡的基礎優勢，通過對無人駕駛、新能源、智能遙控等先進技術攻關，打造國內領先的示范礦井。

（3）上灣煤礦輔助運輸車輛無人駕駛系統目前完成了井口至上灣煤礦12403綜采工作面13km的數據采集、去噪、建圖、測試運行工作；完成了綠色智能無人運輸19人車、5人車從井口到上灣煤礦12403綜采面長距離、多場景的測試；突破了無人駕駛車輛在井下精確導航定位、井下復雜環境感知、井下遠程監控和應急接管、井下車路協同等關鍵技術瓶頸。

（4）上灣煤礦全礦井已完成5G移動通信系統設備部署，包括5G核心網、業務交換機、基站控制器、5G基站、UWB分站。目前5G傳輸環網及5G+UWB精確定位系統已經全覆蓋建設完畢。

上灣煤礦輔助運輸綠電+無人駕駛系統的建立，實現了新能源汽車日常使用的需求，降低了車輛尾氣的排放，減少了駕駛員數量；光伏充電站有效提高了煤礦的經濟效益，下一步將繼續擴建光伏充電站，為提高新能源電動車續航能力提供保障；上灣煤礦充分利用井下5G+UWB網絡的基礎優勢，不斷強化無人駕駛、智能操控等核心技術攻關，全面打造基于5G+UWB網絡的智能應用行業標桿。輔助運輸新能源電動車+無人駕駛系統在上灣煤礦的應用入選了國家能源局發布的《全國煤礦智能化建設典型案例匯編（2023年）》。

未來，上灣煤礦將繼續完善輔助運輸綠電+無人駕駛系統，加快推進車輛電動化、充電節能化、駕駛無人化、5G+UWB全覆蓋進程，還將為推進無人化采煤、機器人遠程控制等技術的應用，為建設世界一流智能化示范礦井提供“上灣方案”。