交通信號控制及指揮系統在礦山井下斜坡道的應用

舒 丹

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

交通信號控制及指揮系統在礦山井下斜坡道的應用

舒 丹

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

針對凡口鉛鋅礦井下斜坡道內各種車輛運行所存在的問題,創新研制出礦山井下斜坡道交通信號控制及指揮系統,通過實時監測和定位指揮調度,實現了斜坡道車輛跟蹤和自動交通管制,使車輛操作人員嚴格按照正常有序的行車規則進行工作,真正有效地解決了車輛避讓、通道堵塞問題,徹底消除了撞車、追尾等事故隱患,自2006年9月投入使用以來,大大提高了礦山井下通道的運行效率和交通安全性。

無軌斜坡道;無線射頻;交通信號控制;實時監測

無軌斜坡道在現代礦山生產中占有舉足輕重的地位,由于其道路濕滑、路面狹窄、路況復雜等特點,極易造成撞車、追尾等事故的發生,嚴重影響生產,并帶來安全隱患。同時,當上下行車輛都是重車時,避讓難度相當大,汽車一旦在斜坡道內發生事故,將會嚴重堵塞道路和危及礦山安全生產;另外,井上人員也難以及時掌握井下汽車的動態分布及作業情況,不能及時安排處理問題。

長沙礦山研究院針對金屬礦山斜坡道交通運輸與控制管理難度大、安全隱患突出等特點,在國內外首次將無線射頻身份識別技術、遠距離有線通訊技術、計算機網絡技術等高新技術集成創新應用于礦山井下斜坡道“交通信號控制及指揮系統”,很好地解決了斜坡道交通面臨的難題,并在凡口鉛鋅礦生產實際中獲得應用,取得了良好的效果。

1 凡口礦主斜坡道交通管理存在的問題

凡口鉛鋅礦主斜坡道已從地表+112m掘至地下-650m中段,平均橫斷面為4.2m×3.8m,直線坡度為15°,全程近9km,其中繁忙地段跨越16個作業中段,54個分段,設有2個避讓硐室。礦山共有近60臺各種車輛需在斜坡道內運行,包括地下汽車、井下鏟運機、鑿巖臺車、井下裝藥車、吉普車等。

凡口鉛鋅礦井下斜坡道最初的交通管理是采用手拉開關式的控制系統,車輛在運行過程中的啟停和避讓完全是在人工干預下完成,既不安全也不方便。控制系統投入運行一段時間后,手拉開關即處于癱瘓狀態,隨之整個井下車輛的管理和控制也完全處于無序狀態,導致交通事故頻繁發生,嚴重影響安全生產和勞動效率。

2 井下交通信號控制及指揮系統

2.1 設計思路

常規交通信號系統通常是一個開環定時系統,其定時的長短需事先人為測算研究設定。對于地面交通信號系統,車輛無須考慮避讓問題,而在井下運行的車輛只有規定的幾個避讓點,大多數道路相當于一個狹窄的單行道,一旦在其中堵車將很難倒車,而且采用開環定時系統在運行車輛較少時會降低生產效率。因此井下交通信號系統最理想的方案是采用一個車輛與交通信號連鎖的閉環系統,利用無線射頻定位技術,對井下車輛運行狀態進行自動跟蹤、定位,然后通過網絡將車輛的狀態信息反饋至后臺控制系統,后臺控制系統通過數據處理、邏輯判斷,自動控制紅綠燈狀態,從而指揮井下車輛正常運行。

2.2 設計原則

系統設計依據行業標準,結合井下斜坡道的特點,以架構合理、安全可靠、產品主流、低成本、低維護量作為出發點,為礦山提供先進、安全、可靠、高效的系統解決方案。

2.3 指揮原則

(1)以斜坡道為主干道,次干道內不作錯車指揮,只在其主干道交匯口裝一組信號燈,確立次干道所有來車避讓主干道來車的原則。

(2)所有旁路車道都看作次干道口,按丁字路原則指揮。

(3)主干道安裝的射頻ID收發器之間最少留10m盲區。

(4)主干道由下往上行車優先。

2.4 使用管理原則

本系統遵循“統一發卡、統一裝備、統一管理”的原則,對準許下礦井的車輛實行“一車一卡”。具體實施措施如下:

(1)采礦生產單位在井下坑道、作業面的交叉道口安裝井下分站設備;

(2)采礦生產單位為下井車輛安裝標識卡;

(3)系統數據庫記錄該標識卡所對應車輛的基本信息,包括駕駛員、車牌號碼等;

(4)生產單位對該標識卡進行授權后即生效,授權范圍包括該車輛可以準入的坑道或作業面;

(5)進入坑道的車輛必須裝配標識卡,當持卡車輛經過設置識別系統的地點時被系統識別,系統將讀取該卡號信息,通過系統傳輸網絡,將持卡車輛通過的地點、時間等資料傳輸存儲至地面監控中心。

2.5 系統構成

整個系統由無線射頻定位系統、光纖+電纜通訊系統、紅綠燈控制系統、后臺監控系統構成。為了提高系統的可靠性,在系統設計中利用空分多路(SDMA)、時分多路(TDMA)和碼分多路(CDMA)等技術各自的優點,通過空分多路法限制每個區間采集器所控制的區域,以保證在該區域內的感應器數量只有一個;通過時分多路法、碼分多路法來防止多標簽的碰撞,使讀頭在某一時刻只接收一個射頻標簽的信號,從而使其能被可靠識別,成功解決了系統中的碰撞問題。

3 系統在凡口鉛鋅礦的應用

凡口鉛鋅礦交通管理系統由服務器、光纖轉換器、中段口和分段口處理器、區間采集器、無線射頻模塊、紅綠燈模塊等構成,共計120臺設備,現場配置及網絡總體結構見圖1。

從圖1可以看出,系統的通訊網絡由光纖+電纜構成,具體布局為從調度室至坑口采用光纖通訊,坑口以下為電纜連接;電纜網絡是基于RS485的現場通訊總線的網絡。在系統設計中,RS485網絡采用網絡拓撲結構,分為485主網和485內網,主網上掛有16個中段口處理器,對應凡口鉛鋅礦主斜坡道的16個受控中段,可以被后臺監控中心通過網絡直接訪問。中段口處理器通過485內網,管理每個中段的所有測點和紅綠燈控制設備,每個中段各自成為一個獨立的通訊子系統,互不影響,同時工作,從而極大地提高了通訊效率。由于采用RS485網絡拓撲結構,后臺監控中心只需查詢16個中段口處理器即可實現對系統120臺裝置的管理和控制,大大加快了系統的通訊速度,提高了系統的實時響應能力。

圖1 凡口鉛鋅礦井下大斜坡道智能交通管制系統

3.1 系統工作原理

在礦山井下斜坡道作業的每輛車上安裝1個射頻ID發射卡,車輛的信息存儲在卡中,在井下需管制的各區段安裝射頻接收裝置,射頻接收裝置之間通過網絡與后臺建立聯接,當帶有射頻ID卡的車輛通過射頻接收裝置時,接收裝置將讀取射頻ID卡中的信息,并通過網絡將信息反饋到后臺監控中心,后臺監控中心通過訪問接收裝置,即可了解下井車輛的運行狀態、位置狀態等,經分析處理后,自動控制紅綠燈的轉換,從而自動指揮車輛的運行。

3.2 系統主要技術特點

(2)利用間歇觸發式通訊技術,提高了系統的抗干擾和可靠性,同時也降低了井下高頻電磁污染。系統所開發的車載卡(射頻ID卡)靜態工作電流僅為2μA,電池的理論用電時長可達2a。

(3)采用先進的多支路差分式通訊中繼技術,區間斷電、自身診斷自動旁路設計,使井下9km長斜坡道不致因某區段停電或中繼裝置自身故障而影響其它區間的交通指揮。

(4)采用先進的多拓撲狀態監測技術,對系統自身故障有多種自檢方法和手段,分別設計了裝置通訊巡檢、信號變位位置狀態監測、井下每臺裝置除設計了CPU自檢板內芯片功能,對信號輸出還設計了變位狀態位置反饋監測和輸出回路電流狀態反饋監測,每個中段所配的中段處理器設計了局域分支狀態巡檢,后臺負責主干狀態巡檢。因此系統的主干、支干上任何裝置出現故障時,后臺會立刻報警并明確指示故障點及故障類型。

(5)后臺監控系統軟件采用了先進的模塊化結構設計,礦井斜坡道交通邏輯控制軟件與斜坡道后臺Flash動畫演示界面之間以數據庫形式交換數據,構成強大的網絡版監控系統(見圖2),井下交通、車輛運行生產及安全狀態不僅坑口調度室可一目了然,而且在礦區局域網的任何點上都可監視,如坑長辦公室、安全部辦公室、礦長辦公室、急救中心等,為礦山各管理層及時了解井下情況提供了方便。

圖2 井下斜坡道交通信號控制及指揮系統模擬界面

(6)后臺監控、管理軟件功能強大,所設計的控鍵內容有:井下交通監控圖、下井車輛登錄管理、計算機管理人員登記、終端處理器登記維護、用戶類型登記、系統參數設置等諸多內容。

3.3 系統主要功能

(1)根據主干道優先原則和先入為主原則智能化指揮斜坡道車輛運行;

(2)車輛運行和定位圖像顯示(顯示井下斜坡道圖形全貌及車輛運行狀態、紅綠燈狀態、測點裝置故障狀態等信息);

(3)斜坡道車輛超速檢測記錄并告警;

通過對設備資產實現綜合管理，根據點檢、在線監控或第三方配合等手段，實現“發現問題”到采用趨勢分析及綜合評價一體化管理，實現“分析問題”再到維修及缺陷處理的解決方案，最終實現全廠的設備安全運行、減員增效、提升效能等目標。

(4)斜坡道車輛違章記錄并告警;

(5)實時查詢車輛上、下井、通過監測點時間;

(6)實時查看井下車輛運行軌跡;

(7)自動檢測控制裝置并故障告警;

(8)手動控制指揮燈(井下發生緊急情況時,后臺可直接點控各避讓段的紅綠燈)。

4 結 論

系統自2006年9月在凡口鉛鋅礦井下斜坡道運行以來,近4a時間內,系統解決了井下大型設備、電源不穩定而帶來的干擾,克服了井下濕度大、粉塵大等難題,并且具有強大的巡檢和設備自診斷功能,給系統維護帶來了很大的方便。同時,系統運行穩定,數據準確,對斜坡道各種運行車輛進行實時監測、定位和指揮調度,實現了自動交通管制,促使車輛操作人員嚴格按照正常有序的行車規則進行工作,真正有效地解決了車輛避讓問題,徹底消除了撞車、追尾等帶來的人員傷亡及嚴重影響生產的安全隱患,大大提高了車輛的生產效率,為井下車輛高效安全作業發揮了積極作用。

該系統有效地解決了我國金屬礦山井下斜坡道各種運輸車輛動態追蹤及自動指揮調度技術的“瓶頸”問題,實現了該領域革命性的技術跨越。該系統的成功運用,為我國井下無軌設備及人員的安全管理提供了一個成功的范例。

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2010-05-02)

舒 丹(1960-),女,湖南長沙人,高級工程師,主要從事礦山計算機自動控制系統研究。