礦井斜坡道無軌運輸信號控制系統應用

殷貴生

(江西銅業集團公司永平銅礦，江西 鉛山 334506)

1 系統概述

隨著采礦設備裝配技術不斷提高，目前井下開采很多都是采用無軌運輸方式進行井下礦石運輸。由于井下無軌運輸方式車輛運行存在著視距短，駕駛人員難以掌握自身車輛前后一段范圍內路段的車輛運行情況，另外井下巷段寬度一般較窄，大都為單行道，隔一段距離設置避讓硐室，車輛在巷內無法錯車、掉頭，綜上及其它因素，井下車輛通行容易造成車輛相撞及車輛堵塞等情況，不僅給調度工作帶來極大困擾，嚴重影響了生產效率，關鍵是時時刻刻存在著較大的安全隱患。為了在一定程度上保障車輛的順暢通行，提高井下交通運輸效率，減少交通事故發生，滿足礦山企業的安全生產需求，研究、實施井下車輛運輸自動化調度監控系統十分必要。礦井輔助斜坡道無軌運輸信號控制系統根據礦山井下斜坡道的交通狀況，進行自動化監控、指揮、調度，結合井下汽車作業的特點，綜合運用RFID(射頻識別技術)、GIS(地理信息系統)、CAN局域網控制和網絡數據庫等先進技術，建立井下運輸GIS監控和指揮調度系統，有效解決礦井無軌運輸實時跟蹤監測和定位指揮調度問題，保障斜坡道安全生產，提高運輸效率。

系統為每個車輛配置具有唯一代碼的身份標識卡，在斜坡道內設置讀卡器節點(包括車輛識別和信號控制)，車輛標識卡將自身相關信息定時向外發射，車輛在經過監控區域的節點時，讀卡器收到車輛標識卡定時發射出的載波信號，根據聯鎖規則，信號被及時傳送到其它節點，其他節點收到信息后，判斷是否需要進行交通信號邏輯聯動切換控制，同時上報上位機，進行數據處理和狀態顯示。地面調度還可以適時予以人工干預，以達到系統的聯動控制、調度指揮和信號的監控、監測。

礦井輔助斜坡道無軌運輸信號控制系統主要由車輛檢測、信號控制、信息管理、系統通信四大單元構成:

(1)車輛檢測單元:利用RFID射頻識別技術，結合Zigbee無線網絡技術，對車輛進行自動識別檢測，實現車載終端與檢測節點間的信息交互;

(2)信號控制單元:主要是利用微處理控制技術，對交通信號燈進行自動控制，及時將巷道內異常信息以圖文或聲光等形式告知調度人員和機車司機;

(3)信息管理單元:主要是利用計算機信息管理技術，對車輛運行狀態進行實時監控和記錄，相關數據自動顯示和統計;

(4)系統通信單元:利用CAN總線通信技術，實現節點讀卡器之間以及讀卡器與上位機之間的信息通信。

2 系統需求分析

江西銅業股份有限公司永平銅礦斜坡道是實現礦井下不同層面聯通的重要通道。礦山井下斜坡道能否暢通對運輸車輛安全通行、井下安全生產十分重要。輔助斜坡道無軌運輸信號控制系統為礦山井下運輸車輛、采掘設備提供高效、直達通道，為礦山井下交通運輸、井下事故搶險救援、人員撤離發揮重大作用。系統主要控制區域包含斜坡道入井口至－240m和－100m環形區域，斜坡道全長約3000m，－100m環形區域約1300m。綜合分析，斜坡道車輛交通存在坡度大、彎道多、平巷交口多，局部路面濕滑等因素，需要通過可靠的車輛動態監測與智能交通控制相結合，才能實現單向行車、交口會車，保障車輛運輸安全與高效率運輸。

3 系統設計方案

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[3]。目前井下無軌運輸系統信號解決的方案主要有:

(1)基于Wi－Fi技術為基礎的通信和定位一體化系統。系統是基于工業以太網的井下通信、定位系統，以光纜有線網絡為骨干，以無線網絡為延伸，在井下設立若干基站，通過無線局域網絡覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無線混合型的局域網。優點是帶寬高，傳連續視頻有優勢。缺點是整個通訊線路是有多個WIFI設備采用無線接力，端子連接點多，任何一個設備或者一個連接端子故障，都會造成系統的傳輸故障，即使采取一些鏈路冗余或自修復技術，仍然潛在故障點多，穩定性差。另外在彎道和障礙處要用光纖轉接，工程施工和維護量大。

(2)RFID非接觸式的自動識別技術[4]。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。比較典型的為武漢七環電氣KJ150A產品，系統是基于工業以太網的井下通信、定位系統，在井下通行路段設讀卡器，通過無線局域網絡覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無線混合型的局域網。

(3)基于Zigbee技術的無線射頻識別系統。Zigbee技術是一項新的技術，是一種近距離、低功耗、低復雜度、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。為了提高系統的可靠性，設計方案采用RFID非接觸式的自動識別技術嵌入Zigbee技術，實施車輛的位置傳感，利用智能化的信號燈作為指揮車輛運行的執行機構。而傳感器、信號燈與上位監控機之間的數據通信則采用高可靠的CAN現場總線技術并實現有線、無線環網。CAN總線簡單穩定，更適合對安全穩定有絕對要求而對帶寬無要求的車輛交通信號系統和人員定位系統、環境監測的數據采集傳輸系統[2]。系統只需要一兩根線纜，只要安裝好維護好，再進行雙路冗余，傳輸線纜是最穩定可靠的方式。

系統共設置15個路段進行保護，斜坡道設計13段，基本原則是每兩個相鄰層面或調頭硐室之間做為一個區間，并且為了車輛通行效率最優，每段距離不小于150m、不大于300m。系統為每個車輛配置具有唯一代碼和地址的RFID(ZigBee終端)發射裝置和唯一編碼無線識別卡。RFID射頻識別系統中的電子標簽，在系統中被稱為“車輛身份標識卡”，車輛標識卡作為待識別車輛的唯一電子標記，實行“一車一卡”制，實際上是一個車載智能終端，由RFID識別模塊、ZigBee網絡模塊和CPU控制模塊組成。Zigbee為系統冗余識別讀卡，系統雙向實時通訊，對車輛實現精確定位，節點間的雙向通訊和節點間的雙向預警。車載設備以一定時序主動將車輛識別碼信息及車速通過RFID及ZigBee無線發射出去。在巷道內安裝監控主站、監控分站(ZigBee路由器)，一個監控主站和若干個監控分站組成一個RFID(ZigBee終端)無線網絡，每個RFID(ZigBee終端)無線網絡具有唯一的網絡ID，一個RFID(Zig-Bee終端)網絡網絡覆蓋一個路段單元。根據井下整體結構情況30m至100m布置一個監控分站RFID(ZigBee路由器)。車載終端的移動加入不同地址代碼的RFID(ZigBee路由器)，實現和網絡內監控主站、監控分站交互信息，從而完成車輛檢測、識別及接收調度指令和巷道車輛運行信息。每個監控主站都連接到CAN總線上，通過CAN總線發送本路段車輛通行信息和接收處理其他監控主站及上位機發送的信息[2]，實現對相應出入口交通信號燈的自動控制并最終將相關巷道內車輛運行信息發送給其監控范圍內車輛的車載終端。

4 控制原則及方法

4.1 控制原則

對整個斜坡道的車輛監控采用集散控制集中管理的原則[5]。斜坡道內每個檢查節點(讀卡器、控制器、信號燈)直接形成回路，在地面控制室(調度室)設置上位機。每臺車輛的信息通過無線及有線傳輸到地面控制臺，通過軟件對車輛有關信息進行顯示。根據整個斜坡道車輛行進的情況，以斜坡道為主干道控制原則，斷面次干道與主干道交匯口裝一組信號燈，以次干道所有來車讓主干首家來車的原則。采用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。沃爾沃運礦大車行駛前方至少間隔兩個避讓硐室顯示前方有車信號。當井下發生緊急情況時，地面監控中心可對各個點交通信號燈進行手動控制。有效地解決井下無軌交通運輸指揮問題。

4.2 控制方法

當車輛進入巷道某監控區域時，車輛車載終端加入監控區域內的RFID(ZigBee路由器)無線網絡，車載終端發射的無線信號被網絡監控節點接收并得到該信號的信號強度值通過計算處理得到該車輛的代碼、運行速度和運行線路方向以及位置信息。另外當車輛經過該區域內的某一位置RFID(ZigBee路由器)接收裝置時，車輛RFID發射裝置發射的包含車輛代碼的調制信號被接收裝置接收到，從而通過兩種不同技術讀卡獲取車輛識別和車輛更精確位置信息。車輛的運行速度、運行方向通過兩個讀卡器之間接收信號時間差和信號強弱經計算處理進行準確判斷。假定車輛運行由A到B為下行，由B到A為上行，若車輛運行先接收到A的信號，然后再接收到B信號，判斷車輛運行為下行方向。反之為上行方向。紅綠燈控制信號，根據接收到車輛運行信息，提前兩個避讓硐室發出信號指示，確保車輛有足夠的空間和時間進入避讓硐室。大大提高了系統穩定性。在閉鎖區間和避讓區間段讀卡器沒有讀到上行車輛，信號燈將放行井口車下行。如果下行車在閉鎖區間之間，信號燈為紅燈時，下行車進避讓硐室，等到上行車通過避讓區間段時，下行車在繼續下行。當下行車輛進入避讓道，下一個讀卡器超過3分鐘沒有監測到車輛下行，就認為車輛停在避讓道，將繼續根據巷道狀況放行下行車輛。其它同類區段的控制方法同上。紅燈亮表示對面有車過來，應進入避讓硐室避讓。綠燈亮表示斜坡道內無車，可通行。

5 系統特點

(1)多技術融合應用。

系統將RFID射頻識別技術，Zigbee無線網技術，微處理控制技術，CAN總線通信技術以及計算機管理技術等進行融合在系統中，以實現各自的相應功能和系統整體功能[1]。

(2)實時性。

系統突出實時功能，實時顯示當前車輛行駛狀態;顯示斜坡道內各區段當前車輛狀態;實時了解某指定車輛的當前及歷史數據;通過讀卡器實時了解該區段通過的車輛數量、時間等當前及歷史數據;及時顯示故障報警，并保留歷史趨勢，方便備查。

(3)信號燈控制功能。

系統具備信號燈自動控制、人工干預等功能。地面調度可以根據車輛通行實際情況適時予以人工干預，以達到系統的聯動控制、調度指揮和信號的監控監測。正常情況信號燈根據車輛運行實測數據按一定的算法，自動進行車輛調度。信號燈之間構成了一個有線和無線的閉環控制系統，其邏輯信號燈的變位、互鎖、閉鎖實時動態性能，目標跟蹤性能、定位性能好[6]。

(4)“集散式”控制。

分散控制集中管理，斜坡道內每個監測分站對車輛運行識別、信號控制，各控制段直接形成閉環自動控制回路，實現對交通信號的分散式控制，這樣一旦主線中斷或某一讀卡器故障時，不影響區間內信號自動控制或其他讀卡器正常工作，體現了系統的安全性。集中管理，井下或地面控制室設置上位機，通過軟件管理對車輛的有關運行信息進行集中管理和顯示。系統通過自檢，區間段讀卡器發生故障，可按故障圖標形式在監視器上指示發生故障的設備和地點，從而及時發現并排除網絡設備故障，保障系統正常工作。

(5)實時動態控制策略。

地面上交通信號控制系統采用的是被動式控制策略，它是按照事先設定的時間間隔來切換信號燈。系統根據斜坡道或巷道內是否有車來切換信號燈，不僅提高了車輛的運行效率，而且保證了車輛的運行安全。

6 總結

永平銅礦井下生產輔助斜坡道道路交通信號控制系統，自動控制紅綠燈的開放和車輛跟蹤，對井下斜坡道車輛實現實時監控，定位指揮以及車輛的運行管理，對車輛操作人員嚴格按照正常有序的行車規則，嚴格控制井下車輛運行速度都起到了有效的管理和控制。為井下安全生產提供了可靠的保證措施，為排除車輛超速運行，堵車等問題帶來的安全隱患起到了重要作用。有效地解決了車輛井下運行管理，提高了井下運輸效率。

[1]安徽鼎信科技發展公司.斜坡道路無軌信號監控系統簡介.2011，12.

[2]許榮斌，吳建國.CAN技術在礦井斜坡道交通信號監控系統中的應用[J].工業控制計算機，2010(4):101－103.

[3]舒丹.交通信號控制及指揮系統在礦山井下斜坡道的應用[J].采礦技術，2010(4):121－123.

[4]射頻識別技術.維基百科，2010.

[5]吳東方，武俊峰.井下斜坡道交通控制系統開發與應用[J].安陽工程學院學報，2012(6):60－62.

[6]王剛，舒丹.礦山井下斜坡道交通信號控制及指揮系統的研究及應用[J].中國高效采礦技術與裝配論壇論文集，2012:51－53.