內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)副總經(jīng)理王明星：從“能用”到“好用” 鏟裝設(shè)備遠程智控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新應用實踐

2025年03月04日 16:09 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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為解決礦山鏟裝設(shè)備遠程智控系統(tǒng)在復雜環(huán)境中存在的數(shù)據(jù)傳輸速率低、現(xiàn)場信息感知受限等問題，通過融合高精度傳感器和先進算法，研發(fā)了高效傳輸和深度感知技術(shù)，提高了鏟裝設(shè)備遠程智控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，初步解決了智能化技術(shù)難以常態(tài)化作業(yè)的關(guān)鍵難題；針對部分設(shè)備駕駛員對智能化設(shè)備出現(xiàn)的“排斥”現(xiàn)象，通過設(shè)計并實施系統(tǒng)化的培訓體系和多元化的激勵機制，實現(xiàn)了設(shè)備駕駛員和智能化技術(shù)相互賦能的效果。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學術(shù)園地”專欄

作者簡介：王明星，高級工程師，現(xiàn)任內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責任公司副總經(jīng)理，主要從事煤炭開采、機電、智能化建設(shè)等方面的研究工作。E-mail：12109819@ceic.com

作者單位：內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責任公司

引用格式：王明星.鏟裝設(shè)備遠程智控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新應用實踐[J].智能礦山，2025，6(1)：82-87.

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露天礦山鏟裝設(shè)備遠程操控是采剝環(huán)節(jié)現(xiàn)場無人化的核心技術(shù)，常態(tài)化運行是煤礦智能化可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。煤礦作業(yè)面環(huán)境復雜，工作面分散，粉塵、噪聲、震動等惡劣條件對鏟裝設(shè)備遠程操控技術(shù)提出了極高要求，需要解決周圍環(huán)境感知不精準、安全風險較高、效率較低等一系列技術(shù)難點。

鏟裝設(shè)備遠程操控系統(tǒng)

鏟裝設(shè)備遠程操控系統(tǒng)基于遙控端操作臺，實時對鏟裝設(shè)備進行遠程操控作業(yè)，包括建立傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、自動控制系統(tǒng)運行、遠程操控操作以及實時監(jiān)控與反饋等多個方面，核心部分由設(shè)備端、遙控端與服務(wù)端3部分組成，鏟裝設(shè)備遠程操控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鏟裝設(shè)備遠程操控系統(tǒng)

（1）設(shè)備端

通過加裝智控中心、攝像頭、雷達等模塊式硬件，采集發(fā)送鏟裝設(shè)備姿態(tài)，現(xiàn)場各視角視頻、現(xiàn)場音頻，并進行壓縮發(fā)送、視頻切換，電氣化改造實現(xiàn)PLC信息接收與控制，液壓電液設(shè)備控制等功能，設(shè)備端集成模塊如圖2所示。

圖2 設(shè)備端集成模塊

（2）遙控端

通過全方位界面交互系統(tǒng)實現(xiàn)音視頻流解壓播放、視頻切換、AI智能化功能、車輛狀態(tài)展示、控制狀態(tài)展示、手柄按鍵操作信號采集發(fā)送、操作臺指示燈控制等功能，遙控端操作界面如圖3所示。通過設(shè)計可覆蓋整個礦山作業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括通信設(shè)備部署和連接方式，實現(xiàn)專網(wǎng)或公網(wǎng)上流媒體數(shù)據(jù)傳輸和交互信息傳輸功能。

圖3 遙控端操作界面

（3）服務(wù)端

通過設(shè)計可覆蓋整個礦山作業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括通信設(shè)備部署和連接方式，實現(xiàn)專網(wǎng)或公網(wǎng)上流媒體數(shù)據(jù)傳輸和交互信息傳輸功能。

鏟裝設(shè)備遠程操控系統(tǒng)技術(shù)與應用難點

2.1 數(shù)據(jù)獲取和傳輸

采集各傳感器和監(jiān)測裝置信息，實現(xiàn)采礦設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境條件和采礦過程參數(shù)的實時監(jiān)測，此為鏟裝設(shè)備遠程操控技術(shù)的關(guān)鍵。傳輸系統(tǒng)在露天礦環(huán)境中，受極端天氣和振動等多種復雜環(huán)境素影響，電鏟作業(yè)現(xiàn)場粉塵濃度>500mg/m3，噪聲>100dB，震動頻率為100次以上?，F(xiàn)有抗干擾通信技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取和傳輸方面存在以下3個方面的不足。

（1）抗干擾能力不足

在高濃度粉塵、強噪音和頻繁震動的作業(yè)環(huán)境下，傳感器、攝像頭等硬件設(shè)備的正常運行受到極大干擾，出現(xiàn)粉塵覆蓋傳感器設(shè)備，數(shù)據(jù)精度和可靠性降低。

（2）傳輸速率不高

由于礦山偏遠地理位置和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱，現(xiàn)有傳輸速率低，視頻傳輸需要大帶寬，會出現(xiàn)視頻流、傳感器等大量數(shù)據(jù)傳輸時延>100ms，無法滿足實時監(jiān)控和管理需求。

（3）傳輸系統(tǒng)可靠性欠佳

當設(shè)備故障或通信中斷，可能導致數(shù)據(jù)傳輸中斷，人工介入維修，恢復耗時較長，影響生產(chǎn)效率，缺乏有效的故障恢復機制。

2.2 作業(yè)現(xiàn)場信息傳輸

（1）作業(yè)現(xiàn)場信息感知受限

與傳統(tǒng)作業(yè)時設(shè)備駕駛員從環(huán)境中獲得直接的感知信息相比，遠程操控依賴于顯示器畫面、聲音反饋等現(xiàn)場運行情況參數(shù)，容易出現(xiàn)感知受限等情況，對作業(yè)效率甚至作業(yè)安全造成影響。

（2）作業(yè)現(xiàn)場信息未三維展示

現(xiàn)有遠程操控技術(shù)僅通過攝像頭獲取二維畫面顯示作業(yè)環(huán)境，難以準確反映三維空間，特別是在物料和光照條件不斷變化時，會出現(xiàn)地形、距離等信息難以判斷的情況，增加作業(yè)風險、影響作業(yè)效率。

鏟裝設(shè)備遠程操控技術(shù)與應用創(chuàng)新

3.1 遠程數(shù)據(jù)穩(wěn)定采集和高效傳輸

針對抗干擾能力不足、數(shù)據(jù)傳輸速率低、系統(tǒng)可靠性有待提升等數(shù)據(jù)采集和傳輸問題，從3個維度提出解決方案。

（1）提升抗干擾能力

在信號處理方面，引入先進的數(shù)字濾波器、自適應濾波器等算法，濾除噪音和干擾，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性；通過采用防塵、防水、防震外殼材料，確保硬件設(shè)備在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定運行；通過應用智能傳感器技術(shù)，實時監(jiān)測溫度、濕度和振動等工作環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)反饋及時做出調(diào)整，進一步提高系統(tǒng)抗干擾能力。

（2）提高數(shù)據(jù)傳輸速率

通過優(yōu)化通信協(xié)議，采用BUDP協(xié)議替代傳統(tǒng)的TCP協(xié)議，減少數(shù)據(jù)包重傳和確認操作，加快數(shù)據(jù)傳輸速率；通過優(yōu)化正交頻分復用OFDM、多輸入多輸出MIMO調(diào)制解調(diào)技術(shù)，并行傳輸和多信道傳輸?shù)确绞剑瑢崿F(xiàn)在有限頻譜帶寬中傳輸更多數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸效率，確保鏟裝設(shè)備在遠程操控中滿足低時延、高效率的實時控制效果。

（3）增強傳輸系統(tǒng)可靠性

針對傳輸系統(tǒng)可靠性問題，采取冗余設(shè)計和故障恢復機制，在關(guān)鍵設(shè)備增加了備用通道和備用存儲器，當主通道發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換到備用通道，確保數(shù)據(jù)傳輸不受影響。采用心跳檢測技術(shù)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，若出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)自動進行故障診斷和處理，保障設(shè)備正常運行，降低設(shè)備故障率，縮短故障處理時間，提高整體生產(chǎn)效率。超低延時系統(tǒng)適配或切換4G/5G/WiFi等不同網(wǎng)絡(luò)，編解碼算法時延為50ms，縮短60%。無需拼接板卡進行視頻拼接，節(jié)省了流量占用，提供穩(wěn)定的高速數(shù)據(jù)傳輸和低時延控制指令傳輸，實現(xiàn)設(shè)備實時遠程監(jiān)控和操控。保證駕駛員遠程操控鏟裝設(shè)備時音視頻數(shù)圖同傳，滿足超低時延畫面的清晰流暢，提升遠程作業(yè)效率。

3.2 AI智能化輔助技術(shù)

針對常規(guī)遠程操控技術(shù)容易造成駕駛員感知受限安全風險以及作業(yè)效率低等問題，通過結(jié)合AI、AR等技術(shù)，研發(fā)出系列智能化功能輔助駕駛員，推動智能化設(shè)備從“能動能用”走向“實用好用”，為常態(tài)化運行提供技術(shù)保障，主要包括以下4個方面的技術(shù)應用。

（1）人員識別技術(shù)

基于計算機視覺和毫米波雷達，構(gòu)建高精度、高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)。計算機視覺通過深度學習模型訓練，自動學習并提取圖像中的行人形狀、大小和紋理等，分類和定位圖像中行人關(guān)鍵特征；毫米波雷達穿透塵土和低能見度環(huán)境，捕捉人員及機械運動信息。通過數(shù)據(jù)融合兩類傳感器的多維數(shù)據(jù)，提升識別精度和穩(wěn)定性，實時預測并預防潛在碰撞，人員識別技術(shù)應用場景如圖4所示。

圖4 人員識別技術(shù)應用場景

（2）鏟斗落點識別技術(shù)

目前，鏟裝設(shè)備遠程操控顯示界面未能有效顯示環(huán)境深度信息，缺乏立體視覺元素，駕駛員難以精準判斷屏幕上各物體與鏟裝設(shè)備的實際距離關(guān)系，增加操作難度、安全風險。鏟斗落點識別技術(shù)通過實時監(jiān)測設(shè)備鏟斗空間位置，并將其垂直落點模擬顯示在主畫面中，為駕駛員精準定位目標位置提供輔助。

利用圖像處理-3D點云融合技術(shù)，通過激光雷達獲取鏟斗及其下方地面信息的點云數(shù)據(jù)，融合主視角攝像頭獲取的彩色畫面信息，經(jīng)過測量標定以及計算后，通過數(shù)學模型和算法將激光雷達坐標系下的點轉(zhuǎn)換到主視角相機坐標系下的參數(shù)，實現(xiàn)兩者的精確融合，最終在主畫面中模擬出挖掘機鏟斗投影在地面的落點位置。

鏟斗落點識別流程包括數(shù)據(jù)采集、圖像和點云數(shù)據(jù)的融合，通過計算模型生成鏟斗落點的實時投影。激光雷達通過發(fā)射激光并接收反射信號實時捕捉鏟斗下方地面及周圍空間的三維點云數(shù)據(jù)；攝像頭提供現(xiàn)場彩色圖像，用于捕捉周圍物體的輪廓和與鏟斗的相對關(guān)系。通過預先建立的標定參數(shù)，系統(tǒng)將激光雷達點云數(shù)據(jù)和攝像頭提供的圖像數(shù)據(jù)進行融合匹配，將三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖像中的投影位置。最后經(jīng)過實時計算輸出，系統(tǒng)將鏟斗的落點位置和地面的起伏信息以網(wǎng)格的形式投影到主畫面，實時反饋給駕駛員，鏟斗落點識別技術(shù)使用效果如圖5所示。

圖5 鏟斗落點識別技術(shù)使用效果

（3）地形側(cè)剖面掃描技術(shù)

通過從側(cè)面觀察并模擬設(shè)備行進方向的視點，展現(xiàn)出周圍地形的三維結(jié)構(gòu)與高度差異，使駕駛員能夠清晰地洞察到前方的地形狀況以及與障礙物的相對距離。

利用IMU姿態(tài)傳感器獲取設(shè)備的姿態(tài)信息，根據(jù)姿態(tài)信息將設(shè)備旋轉(zhuǎn)至對應角度構(gòu)建側(cè)剖面視角。利用激光雷達掃描設(shè)備前方地形與障礙物的三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)虛擬視點渲染技術(shù)將點云數(shù)據(jù)繪制在圖像上，將設(shè)備的三維位置與目標區(qū)域進行動態(tài)映射，通過虛擬相機的視角生成點云圖像，展示出設(shè)備前方地形的三維結(jié)構(gòu)。

通過IMU姿態(tài)解算來獲得設(shè)備的姿態(tài)信息，即利用慣性測量單元中的加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)來確定設(shè)備在三維空間中的精確姿態(tài)，通過擴展卡爾曼濾波器實時估算設(shè)備姿態(tài)，并修正陀螺儀漂移誤差，保持姿態(tài)估算的高精度。用數(shù)據(jù)融合算法，整合激光雷達實時獲取設(shè)備工作環(huán)境點云數(shù)據(jù)與IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)，為虛擬視點渲染提供精確的三維空間信息。系統(tǒng)將三維環(huán)境通過透視投影的方式轉(zhuǎn)換為二維圖像，并根據(jù)設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)整視角和視圖矩陣，確保實時顯示圖像符合實際操作環(huán)境的視覺效果。為了使視覺效果更直觀，在圖像上繪制水平線以作參考，地形側(cè)剖面掃描技術(shù)使用效果如圖6所示。

圖6 地形側(cè)剖面掃描技術(shù)使用效果

（4）斗齒監(jiān)測技術(shù)

鏟裝設(shè)備在露天礦山進行采掘過程中，鏟斗前端的斗齒易發(fā)生脫齒和斷齒情況，通過斗齒監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)精確的缺齒報警，能夠有效避免因斗齒進入破碎機中引發(fā)整條采掘-破碎生產(chǎn)線停工造成的重大經(jīng)濟損失。

通過圖像-點云融合技術(shù)，用相機和激光雷達實時監(jiān)測并提取斗齒的像素和點云數(shù)據(jù)，并在像素空間和點云空間進行處理，通過訓練好的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定斗齒的狀態(tài)信息以判斷斗齒是否存在缺齒情況，并通過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，減少因單一數(shù)據(jù)源引起的誤判。

通過攝像頭獲取斗齒的圖像數(shù)據(jù)和激光雷達掃描的點云數(shù)據(jù)，利用圖像-點云融合技術(shù)將數(shù)據(jù)融合在同一坐標系，結(jié)合相機信息與雷達信息，全面判斷斗齒狀態(tài)，使用多模態(tài)數(shù)據(jù)融合算法，提取出關(guān)鍵特征信息。同時通過深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具，利用大量數(shù)據(jù)進行模型訓練，使其學習到斗齒的典型特征，例如形狀、長度、寬度、輪廓等狀態(tài)信息，結(jié)合圖像-點云數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵特征信息后，判斷斗齒狀態(tài)信息（缺齒或完好），并通過閾值設(shè)定觸發(fā)報警提醒。駕駛員可以通過遠程操控的畫面反饋，實時監(jiān)測斗齒的狀態(tài)，斗齒監(jiān)測技術(shù)使用效果如圖7所示。

圖7 斗齒監(jiān)測技術(shù)使用效果

鏟裝設(shè)備遠程操控系統(tǒng)應用效果

升級后的鏟裝設(shè)備遠程智控系統(tǒng)已在內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責任公司旗下的元寶山、蒙東礦業(yè)、白音華和錫林河4座露天礦的7臺電鏟完成實際應用?；?G網(wǎng)絡(luò)條件，構(gòu)建了遠控電鏟多源模態(tài)感知的體系，提高了遠程操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及電鏟作業(yè)環(huán)境安全保障和遠程操控效率。

（1）鏟裝設(shè)備遠程智控技術(shù)應用前，依靠人工實現(xiàn)裝載作業(yè)，駕駛員需在強振、高粉塵、極寒或極熱環(huán)境中實施作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣；采用4班3倒工作制，每班8h，交接班過程接送人員上下礦耗時1h/次，按3次/天的換班頻率需通勤耗時3h/天，有效縮短了工作時間。

（2）鏟裝設(shè)備遠程智控技術(shù)應用后，駕駛員無需處在惡劣環(huán)境中作業(yè)，可通過遠程操作裝載，改善了工作環(huán)境，提高了作業(yè)安全性；駕駛員無需上下礦，可節(jié)省通勤時間3h/天，按500元/h裝載成效計算，單臺電鏟每年可降本約55萬元，提升了綜合效率并降低了生產(chǎn)成本。

（3）以元寶山露天煤礦為例，自遠控電鏟和無人礦卡開展常態(tài)化協(xié)同作業(yè)以來，累計作業(yè)超過13700h，

對比傳統(tǒng)模式下天氣狀況良好、爆破情況良好等作業(yè)環(huán)境條件理想的運行效率基準值356.6m·（km·h^-1），遠控電鏟+無人礦卡協(xié)同作業(yè)運行效率從平均253.5m·（km·h^-1）提升到304.9m·（km·h^-1），平均由71%提升至85%，最高作業(yè)效率為484.5m·（km·h^-1）。

結(jié)語

礦山復雜環(huán)境下作業(yè)需求的特殊情況以及現(xiàn)有鏟裝設(shè)備遠程操控技術(shù)難點，以實際礦山作業(yè)需求為依托，通過5G、AR、自動化等技術(shù)，深入優(yōu)化了現(xiàn)有遠程操控系統(tǒng)，鏟裝設(shè)備遠程智控技術(shù)滿足礦山復雜工作場景和實際作業(yè)需求，初步解決了智能化技術(shù)難以實際作業(yè)以及運行效率偏低的問題。實現(xiàn)智能化設(shè)備從“能用”到“好用”的升級，解決安全隱患、降低管理成本、提升生產(chǎn)效率。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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