中国煤炭科工集团太原研究院 山西太原 030006

全国煤炭行业 2018 年共发生事故 174 起，其中运输事故 50 起，均为一般事故，占事故总数的29%，仅次于 35% 的顶板事故；2019 年上半年共发生事故 57 起，其中运输事故 15 起，均为一般事故，占事故总数的 26%[1]。据历年数据分析可知，煤矿井下车辆运输事故很多都是由于驾驶员反应时间过长或者驾驶员施加给制动踏板的制动力较小所致。驾驶员无法及时制动的原因主要有以下几点：井下能见度低，驾驶员工作强度高，容易疲劳，精力分散；煤矿井下坡陡弯急，下坡距离长，前方遇到障碍时反应时间长，驾驶员来不及给制动踏板施加足够的制动力，或者驾驶员在紧张的情绪下来不及反应，踩错踏板或者根本来不及踩制动踏板。因此，为了减少安全运输事故的发生，煤矿井下运输车辆采用智能辅助制动具有重要意义。

1 智能辅助制动

智能辅助制动是基于环境感知防爆传感器(毫米波雷达或视觉摄像头等)感知前方可能与车辆、人员发生碰撞风险，并通过控制系统自动触发制动执行机构来实施主动制动，以避免碰撞或尽可能减轻碰撞程度的主动安全功能。与传统的被动安全技术不同点在于，被动安全碰撞旨在煤矿车辆发生碰撞后保障车内与车外人员免受或降低碰撞的伤害，而智能辅助制动则是一种预防性的主动安全技术，旨在事先识别碰撞风险，完全规避碰撞发生或尽最大可能减轻碰撞的强度，从而避免煤矿车辆追尾，或与煤矿工人及其他煤矿井下参与者发生碰撞事故。

为了适应智能化矿山的发展，提高煤矿车辆的主动安全性势在必行，目前开发出多种主动安全技术来避免或者降低碰撞的严重程度。智能制动系统采集到的信号经智能制动控制器运算后输出信号，系统根据输出信号对煤矿车辆进行制动，或者仅在危机关头采取措施，减少对驾驶员正常行驶的干预。煤矿车辆智能辅助制动可以在毫米波雷达探测的范围内对驾驶员进行警示性提示，驾驶员可以提前采取制动措施来避免可能发生的事故。若事故不可避免地发生，智能辅助制动系统可以及时施加合适的制动力，以确保碰撞强度最低，且避免转向轮抱死而导致车辆失稳发生次生事故。

2 智能辅助制动的制动策略

智能辅助制动可以基于煤矿车辆之间的安全车距制定相应的制动策略，也可以基于驾驶员的反应及制动时间制动策略。前者是从空间距离来制定主动制动触发的时机，后者是从时间尺度来制定主动制动触发的时机。目前，煤矿车辆常用的智能辅助制动策略主要有基于安全距离的 Mazda、Honda、Berkeley 制动策略和基于碰撞发生时间的 TTC(Time to lock)制动策略。所有策略需要考虑的因素包括煤矿车辆主动制动时前车或障碍物的速度，以及本车与前面两者之间的距离。Mazda 的制动策略主要基于本车最大减速度、前车或障碍物的最大减速度、驾驶员从接收到制动信号到做出反应的时间、智能制动系统作用的延迟时间、本车与前车或障碍物之间的最佳安全距离等因素进行考虑。该制动策略相对保守，会在预碰撞早期对制动系统进行干预，安全距离大大增加，对驾驶员的正常行驶习惯有一定的负面影响。Honda 制动策略对Mazda 策略进行了一定的完善。Berkeley 制动策略增加了路况识别算法，智能制动系统可根据路况调整制动力，因此 Berkeley 制动策略对路面的适应性增强，对于不同附着系数所触发的安全距离也有所变化。TTC 制动策略基于智能辅助制动系统主动制动时碰撞发生的时间阈值和本车最大减速度进行制动。煤矿车辆工作环境虽然恶劣，但工况相对比较单一，结合上述控制策略的优点，建立底层电磁阀及电动机控制模型、制动模块和车辆期望减速度模型，绘制智能辅助制动的控制框图，如图1 所示[2-4]。制动执行机构接收制动策略传递过来的期望制动减速度请求，经过计算与处理，控制器控制电动机与各类电磁阀的通断，调节制动压力达到期望值。

3 智能辅助制动制动力的确定

煤矿车辆理想的制动性能为前后轮同时抱死，这样轮胎可以最大程度地利用地面的附着条件，同时保证制动时车辆的横向稳定性。煤矿车辆前后轮胎理想的制动力分配关系为：无论在何种路面条件下，前后轮湿式制动器的制动力之和必须等于附着力，这是前后轮同时抱死的必要条件，且前后轮湿式制动器的制动力应与各自的附着力相对应。前后轮湿式制动器的制动力分配曲线如图2 所示。在煤矿车辆进行主动制动时，根据期望的减速度及车速，给出期望的制动力[4]。

4 智能辅助制动的液压工作原理

国家能源集团与北京中矿环保科技股份有限公司合作研发的露天矿使用的雷达波防碰撞系统为煤矿智能化运输提供了新的技术和手段。该系统包含硬件电路、DSP 软件算法、毫米波雷达及智能控制器等，可以实现多个雷达全覆盖、基本无死区检测前方车辆或者障碍物，是解决煤矿车辆智能化的切实可行的方法。目前，煤矿井下的轻型车辆一般有运人、运料车辆，煤矿井下视野及光线很差，且道路分布复杂，弯急、坡陡、坡长普遍存在，车辆行驶过程中存在较大盲区。现使用车辆均为被动安全制动系统，无法检测车辆前方的障碍物，也没有提醒驾驶员预防追尾和自动刹车的功能，这正是煤矿智能化运输所面临的现实问题。

图1 智能辅助制动控制框图Fig.1 Block diagram of intelligent auxiliary braking control

图2 前后轮湿式制动器理论制动力分配曲线Fig.2 Distribution curve of theoretical braking force of wet brake for front and rear wheel

煤矿车辆智能辅助制动系统的关键技术是系统工作时制动管路的制动压力的建立和制动力矩的精确控制。智能辅助制动系统的制动功能主要靠隔爆电磁阀和隔爆电动机的相互配合来实现。制动控制器通过对接收到的车速传感器、车重传感器等信号进行分析处理，来控制电磁阀的通断和液压泵的压力，从而实现制动和释放。智能辅助制动系统液压原理如图3 所示。工作机理为：当煤矿车辆的防爆电动机启动后，动力通过防爆电动机传递到变速箱上，连接在变速箱上的齿轮泵的高压油进入双路充液阀，一方面给蓄能器充液，另一方面给双路制动阀提供高压油，高压油经进油控制阀、高压换向阀进入制动器。煤矿车辆分为前轮制动和后轮制动，前轮制动是同时制动，非独立制动，实现车辆的减速。智能辅助制动接收来自毫米波雷达的信号或视频图像，雷达信号或视频图像经处理器分析后，再根据车辆参数及车速信号计算出期望的制动减速度，并根据车辆制动系统的性能给予期望的制动力。当车辆收到来自智能制动系统的制动信号后，输出电信号控制制动系统的执行机构制动踏板，液压泵的吸油口将油箱里的油经控制阀吸入进油腔，两位两通阀和高压换向阀换向，高压油经高压换向阀进入制动器制动腔，与脚踏板实现联合紧急制动，以实现车辆按照期望的减速度行驶，避免或最大程度降低车辆发生碰撞的可能。

5 智能辅助制动的制动策略验证

为了验证笔者提出的上层主动控制和下层执行机构制动的策略，基于 Simulink、Carsim 及 AMEsim 软件搭建联合仿真平台。Simulink 建立智能制动控制车库及执行机构的控制，Carsim 软件提供车辆模型、路面模型及测试环境，AMEsim 设置精确的制动机构执行模型。联合仿真示意如图4 所示。

图3 智能辅助制动系统液压原理Fig.3 Hydraulic principle of intelligent auxiliary braking system

图4 联合仿真示意Fig.4 Sketch of combined simulation

图5 HIL 试验台及上位机操作界面Fig.5 HIL test bench and upper computer operation interface

利用联合仿真平台和已有的 HIL(Hard ware In-Loop)试验台进行仿真和试验，如图5 所示。试验分为硬件和软件两类：硬件主要包括 HIL 试验台、电子控制单元、上位机及 Vector 总线分析工具；软件主要包括与 HIL 试验台配套的操作软件及总线分析软件[5]。在驾驶员操作面板上设定车辆行驶速度为 20 km/h，当车辆以设定速度行驶在附着系数为 0.6 的水泥硬化路面上时，设定制动减速度为 4 m/s2时触发智能辅助制动系统的主动制动；在联合仿真软件环境下，通过Carsim 设定当前路面附着系数为 0.6，车速为 20 km/h，然后在 Simulink 软件中设定期望减速度为 4 m/s2来触发主动制动。仿真和试验结果如图6、7 所示。

图6 制动减速度变化曲线Fig.6 Variation curves of braking deceleration

图7 车速变化曲线Fig.7 Variation curves of vehicle velocity

由图6 和图7 可知，软件仿真和台架试验结果表明制动减速度曲线高度一致，大约在 0.2～0.3 s 即达到期望减速度，智能辅助制动系统的制动效果基本达到了设计要求。

6 结语

智能辅助制动系统是基于目前煤矿车辆现有制动系统，运用毫米波雷达和视觉摄像头技术，使车辆在需要紧急制动的工况下通过警示驾驶员或主动采取制动的方式来减缓甚至避免碰撞的主动安全技术。该智能辅助系统在不改变目前制动系统使用的基础上，通过检测前方车辆或者障碍物，及时发现潜在的危险目标，避免发生碰撞事故，同时也可为实现煤矿车辆的无人化驾驶提供一定的借鉴。