井下車輛智能管理系統的應用

牛 高

(中國冶金科工股份有限公司， 北京 100028)

1 需求

1.1 紅綠燈及智能控制

井下計劃安裝紅綠燈12處、共計24組(每組400×800 mm)，其中井口1組、井下有3處每處需安裝3組、有7處每處安裝2組。

該系統基于精確定位系統，實現車輛紅綠燈的智能控制。當車輛到達路口，系統通過軟件采集的車輛卡片與路口控制器的信息，來計算兩者之間的距離，從而判斷哪輛車先到達，實現先到先行，提高路口車輛通行效率。

1.2 聲光報警音箱需求

系統總共設置6處報警箱，實現副井上口500 m巷道內只要有人，就開始播報“正在行人、不準行車”，并閉鎖車輛閘門；當有車輛進入副井上口500 m巷道時，閉鎖行人閘門，并播報“正在行車、不準行人”；當人員與車輛位置一致時，說明人員在乘車。

行車時，各路口報警箱實現播報“正在行車、不準行人”，如有人闖入，則播報“你已闖入禁止區域，請退回安全區”。

1.3 跑車裝置需求

斜井總共安裝4組跑車防護裝置，當定位系統監測到車輛失速時，發出跑車裝置動作指令，對車輛進行捕捉，降低井下車輛人員事故的發生。

2 系統設計

2.1 紅綠燈系統及智能控制

2.1.1 紅綠燈系統概述

系統通過井下LED顯示屏實現井下紅綠燈系統功能，同時結合語音聲光報警器等智能設備可實現信息資源的調度管理,具有逃生救援引導、常規信息發布、安全警示教育、環境安全信息實時顯示、預警預報、調度廣播等功能，可實現“指定時間，指定地點，指定模式發布指定內容”的功能。

方案示意圖如圖1所示。

2.1.2 紅綠燈系統組成

系統主要由系統軟件，數據服務器，應急信息發布設備(包括地面智能信息發布終端，井下應急LED信息牌、井下應急LED指示牌、井下應急聲光報警器等)組成。

2.1.2.1 礦用LED顯示單元

該設備能接收總線命令，根據用戶選擇的顯示方式循環顯示用戶編輯好的文字字符，能作為信號指示器或信息發布使用，可以通過遙控器進行有關設置，具有穩定可靠、使用方便等特點。

圖1 方案示意圖

圖2 系統組成

圖3 礦用LED顯示單元實物

防爆型式：礦用本質安全型，標志為“Ex ib I Mb”

規格：點陣32×32

工作電壓：DC3.3 V

工作電流：≤500 mA

接口：1個輸入顯示接口，1個輸出顯示接口

外形尺寸：194 mm×194 mm×53 mm

重量：0.85 kg

2.1.2.2 礦用電源

電源安裝在巷道基站附近，獨立給基站供電。

礦用澆封兼本安型直流穩壓電源采用高性能集成電路，輸出穩定的直流電壓，電源輸出有過壓、過流、短路等保護，并采用指示燈實時指示出輸入、輸出、電池狀態等，備用電池采用體積小、容量大的磷酸鐵鋰電池，斷掉交流電后仍可持續輸出電壓時間大于2 h。

技術參數如下文所示：

(1)本安輸出性能

本安輸出性能見表1所示。

(2)工作電壓

額定工作電壓：220 VAC

電源箱額定供電電壓波動范圍：90～260 VAC

電源箱額定輸入功率：≤50 W

電源頻率：48～52 Hz

表1 本安輸出性能表

電源電壓失真：總的諧波分量應≤10%

(3)備用電源功能

備用電源為IFR32750- 5Ah型磷酸鐵鋰，電池采用3節串聯，容量為5 AH，采取浮充充電方式。

轉換時間：≤1 s

充電電流：≤500 mA

充電截止電壓：≤10.5 V

放電終止電壓：≤7.6 V

最高充電電壓：10.8 V

備用電池工作時間：≥2 h

2.1.3 紅綠燈智能控制

2.1.3.1 實現原理

基于精確定位的紅綠燈智能控制框圖如圖4所示。

圖4 紅綠燈智能控制原理圖

具體實現：定位將車輛的具體位置發送給控制程序，控制程序接收到車輛位置信息后，計算出與路口的距離，并與其它車輛進行比對，對那一輛車先到達路口進行預測，根據預測結果，提前向紅綠燈系統控制單元發送控制指令。

鑒于車輛的速度、定位誤差及反應時間，建議再車輛距離路口100米左右時發出紅綠燈控制指令。

2.1.3.2 硬件介紹

數據傳輸模塊技術參數

工作電壓：DC18V

輸入接口：RS485，2路

輸出接口：RJ45，1路

輸出標準：10Base-T/100Base-T

距離：RS485端1 200 m

2.2 聲光報警器及智能控制

2.2.1 概述

聲光報警器用于井下聲光及語音播報，報警器不僅可以實現固定語音播報，如井下“行人不行車、行車不行人”語音播報；而且可以靈活設置播報內容。

2.2.2 硬件介紹

聲光報警器用于井下聲光及語音播報，報警器不僅可以實現固定語音播報，如井下“行人不行車、行車不行人”語音。

礦用聲光報警器: 采用語音合成技術，報警語音內容靈活可變，能接收上位機下發的指令，文稿廣播內容自動語音廣播，播報多樣化、個性化的大容量內存，可存儲內置語音信息；采用注塑成型工藝，外觀精致、結構緊固，安裝方便，可適合于吊掛或吸附使用;具備紅、綠、黃三色光報警，有閃爍、旋轉、跳躍等多種光展示形式;具有2路開關量信號輸入和1路RS485通訊接口，可控制聲光報警。

圖5 礦用聲光報警器實物

防爆型式：礦用本質安全型，標志為“Ex ib I Mb”

工作電壓：DC18 V

工作電流：≤200 mA

供電電壓范圍：9 V～24 V

接口：2路開關量輸入信號，1路RS485通訊信號

光信號可見距離：不小于20 m(黑暗中)

聲信號音響響度：不小于85 dB

外形尺寸：150 mm×166 mm×248.5 mm

重量：0.5 kg

2.2.3 智能控制

基于精確定位的聲光報警箱智能控制框圖如圖6所示。

圖6 聲光報警箱智能控制框圖

具體實現：定位系統將人員及車輛的具體位置發送給控制程序，控制程序接收到人員、車輛位置信息后，分析出當前巷道人員及車輛的分布情況，當巷道內有人時，向聲光報警音箱發出“正在行人、不準行車”；反之在發出“正在行車、不準行人”；同時對非常闖入情況進行分析并發出聲光報警提示。

聲光報警箱采用485接口，通過綜合分站接入，分析控制程序可向聲光報警箱發出指令，并控制聲光報警箱播放哪種語音(或直接向聲光報警器發送文字信息進行播報)。

2.3 跑車裝置及智能控制

2.3.1 跑車裝置概述

礦山斜井運輸巷道具有一定的坡度，無軌膠輪車下行如出現車輛失控、超速、剎車失靈等突發情況，極容易造成重大安全事故，本套系統防護裝置具有控制、實時顯示、測速、阻擋失控車輛等功能，保證運輸安全。

礦用無軌膠輪車跑車防護裝置主要用于煤礦副斜井內，具有監控膠輪車上下運行狀態及井口井底車場車輛等待情況，并通過圣光報警裝置提醒上下行車輛及副斜井施工或工作人員注意避讓行駛車輛。通過雷達測速監控車輛行駛時速，如超過規定時速，自動啟動倒車硐室內阻車裝置，實現被動阻車，車輛失控時，駕駛人員可通過按動車載急停按鈕實現主動阻擋超速失控車輛，有效的防止發生安全事故。

(1)聲光報警

當膠輪車由井口下行中，車上的發射器發射無線“運行信號”，井底接收控制器收到信號輸出開關，井底報警器發出聲光信號；當膠輪車由井底上行中，同理井口報警器發出聲光信號。提醒上下行車輛相互避讓；

(2)圖像顯示

攝像儀攝取的圖像，處理后經電光轉換，光纖傳輸，光電轉換輸入顯示器的液晶屏，實現井口、井底車場車輛實時監控顯示。

(3)測速

采用某公司的車輛定位服務，給出超速信號，實現阻車器動作阻車。

(4)阻車

①當下行膠輪車失控或者超速(大于雷達測速器設定值)，雷達捕捉的信號輸入相關接收控制器，控制器輸出開關，啟動電動執行器動作，阻車器移動至擋車位實現阻擋車輛行進。

②膠輪車司機按下車上發射器控制按鈕，連續發射無線“阻車信號”，相關接收控制器收到信號，輸出開關，執行器動作，實現阻擋車輛行進。

2.3.2 跑車裝置實施方案

經測量，從井口至井底平巷總長度為2 500 m，根據礦方場地環境，我方給出如下安裝施工方案；

(1)阻車器安裝在倒車硐室內，倒車硐室分別在559、854、1 154、1 450、1 750 m處，選取其中4個。

副斜井傾斜角坡度6°，總長度為2 500 m，巷道寬度5 m，高度4.1 m。

(2)副斜井內有風壓管道，此次方案采取氣動執行器作為執行機構，主電源為交流127 V。

(3)井口井底分別安裝聲光報警器，車輛上行時，井口報警器綠燈轉紅燈，語音提示：“正在上行，不準下行”，反之同理，車輛離開井口或井底區域，報警自動解除，顯示為綠色燈光。

(4)井口井底安裝攝像儀，實時傳輸視頻信號，便于主控室值班人員實時監控車場。

(5)測速采用車輛定位系統。車輛定位系統基于ZigBee、WIFI技術，整個系統包括定位服務器、車輛定位卡、綜合基站，利用井下網絡傳輸系統進行組網，系統采用有線、無線等多種組網方式，即控制了成本，又提供安裝實施的靈活性。

跑車裝置連接原理如圖7所示：

圖7 裝置連接圖

2.3.3 智能控制

基于精確定位的跑車防護裝置智能控制框圖如圖8所示。

圖8 跑車防護裝置智能控制框圖

定位系統將車輛速度發送給控制程序，控制程序接收到速度數據進行分析，當車速超過設置的值時，分析程序向跑車裝置發送動作指令。

跑車裝置動作指令原由激光雷達輸出的模擬信號控制(高低電平信號)，因此需綜合分站需通過一個信號輸出裝置(如斷電器)向跑車裝置輸出信號，使其動作。

2.3.4 硬件介紹

2.3.4.1 綜合分站監測模塊(接斷電器)技術參數

工作電壓：DC18V

傳輸方式：CAN

輸入接口：CAN，5路

輸出接口：RJ45，1路

輸出標準：10Base-T/100Base-T

2.3.4.2 信號輸出裝置技術參數

工作電壓：DC18V

傳輸方式：CAN

輸出接口：CAN，1路

輸出接口：高低電平信號(待定)

2.4 門禁道閘系統

2.4.1 系統概述

門禁道閘系統實現車輛出入井的控制，井口考勤基站對車卡進行識別，并實現向門禁控制器發送指令自動開閘；如系統判斷井下巷道有人時，可控制不開閘，并向井口聲光報警器發送播報“井下有行人、禁止進入”的指令；行人通過后系統向門禁控制器發送開閘指令，放行車輛。

2.4.2 硬件介紹

2.4.2.1 聲光報警器

介紹詳見2.2.2。

2.4.2.2 生物考勤基站

(1)設備描述

基站安裝在井口，用于自動識別井口定位終端，并上報于定位系統的服務器上，其具有大規模可靠識別定位卡的特點，單站并發識別數量可達200張以上，可穩定識別最大位移速度60 km/h的應目標。需配備板狀天線，提高識別率。

(2)設備特點：識別卡的狀態，包含未帶卡、故障卡、低電卡；識別多張卡；使用距離：500～2 000 mm(具體可通過軟件配置)。

(3)技術參數

生物考勤基站的技術參數如表2所示。

表2 設備參數表

2.4.2.3 門禁控制器

(1)基本功能

采用高速32位400 MHz高速CPU，配合32 MBits RAM，256 MBits Flash；嵌入式linux操作系統；控制四門單向或雙門雙向進出；支持最多30 000個持卡人及100 000條脫機事件記錄；可靈活設置多個時間組、門狀態、節假日和不同用戶的各種開門權限；支持多種Weigand卡格式，支持密碼鍵盤，兼容各種卡片。

圖9 門禁控制器實物

(2)技術參數

門禁控制器的技術參數如表3所示。

表3 門禁控制器技術參數表

2.4.2.4 道閘

(1)特點

支持手動制動起落桿；電機風扇冷卻裝置；機械防砸功能，當閘桿受阻，自動起桿；兼容其他設備RS485通信模塊，可接收來自不同終端的開關信號。

(2)技術參數

道閘的技術參數如表4所示。

3 結語

本文闡述了為實現礦山井下工程的運輸管理智能化，所采用的紅綠燈系統和跑車防護系統，該系統基于定位系統，實現定位、紅綠燈、跑車防護三個系統的智能聯動，進一步保障井下交通安全，提高生產效率。

圖10 道閘實物

名稱參數工作電壓AC220V±10%;電機功率80W;起落桿速度1.5S、3S、6S(可調三種)工作溫度-20～75℃工作濕度≤90%閘桿形態八角桿配置接口車輛檢測器、遙控器、壓力電波、手動開關通信方式RS485防護等級IP54遙控距離≤30m

本次研究成果具有技術先進性，良好的經濟性，而且系統模塊化的框架能很好適應各類客戶的信息化礦山建設。具有很好的礦山行業推廣價值。