基于UWB的煤礦膠輪車智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)踐*

牛衛(wèi)國

(山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

0 引 言

無軌膠輪車具有無軌道限制，機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、安全高效、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，是運(yùn)送材料、設(shè)備、人員的一種較先進(jìn)的輔助運(yùn)輸方式。隨著煤礦產(chǎn)量的增長，對(duì)膠輪車的運(yùn)輸能力提出了更高的要求，國內(nèi)大量煤礦井下已經(jīng)有上百輛膠輪車同時(shí)運(yùn)輸，其中內(nèi)蒙、陜北地區(qū)井下輔助運(yùn)輸巷道均為雙向車道，有利于膠輪車靈活駕駛，而山西地區(qū)多數(shù)井下輔運(yùn)巷條件較差或存在單行區(qū)間，如果不對(duì)車輛實(shí)時(shí)位置跟蹤及進(jìn)行合理調(diào)度，容易影響煤礦生產(chǎn)效率，甚至引發(fā)生產(chǎn)事故，因此加強(qiáng)對(duì)井下無軌膠輪車通過信息化手段實(shí)現(xiàn)安全管控十分必要。

1 煤礦井下膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)行業(yè)內(nèi)進(jìn)行調(diào)研，國內(nèi)部分廠家根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求，綜合性或針對(duì)性的解決煤礦井下車輛定位、車輛速度監(jiān)測(cè)、信號(hào)閉鎖問題，基本上可以解決煤礦安全規(guī)程中所要求的內(nèi)容，但無法解決和提高煤礦井下無軌膠輪車的運(yùn)輸效率。

根據(jù)對(duì)國內(nèi)已在使用無軌膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)解決方案進(jìn)行調(diào)研，目前國內(nèi)主要采用的技術(shù)有以下兩種：

(1) 基于RFID區(qū)域定位技術(shù)的礦井交通控制

基于RFID區(qū)域定位技術(shù)的無軌膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)是參考煤礦井下人員定位系統(tǒng)的工作原理，在輔運(yùn)巷道、路口安裝定位讀卡分站和紅綠燈，膠輪車上固定安裝RFID定位卡，通過不同位置的讀卡分站返回的車輛信息判斷車輛所在位置，對(duì)井下紅綠燈進(jìn)行控制，達(dá)到信號(hào)閉鎖和車輛調(diào)控的目的。

但由于RFID定位技術(shù)只是執(zhí)行一個(gè)讀卡信息判斷，無法實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)位置的精準(zhǔn)跟蹤，同時(shí)RFID讀卡分站與車輛卡之間存在一個(gè)讀卡周期的問題，該技術(shù)在煤礦井下實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，車輛到達(dá)區(qū)間閉鎖區(qū)域或路口，由于讀卡周期問題造成對(duì)車輛位置判斷時(shí)間嚴(yán)重滯后，頻繁出現(xiàn)響應(yīng)不及時(shí)的問題，造成紅綠燈信號(hào)切換不及時(shí)，車輛在閉鎖巷道區(qū)間出現(xiàn)了相遇等情況，必須有車輛長距離倒車，造成了大量的時(shí)間和能源的浪費(fèi)。

因此，基于RFID區(qū)域定位技術(shù)的礦井交通控制系統(tǒng)不適用于煤礦井下無軌膠輪車運(yùn)輸管理，無法從技術(shù)方面完美支撐解決煤礦膠輪車運(yùn)輸管控的問題。

(2) 基于RFID區(qū)域定位+PLC控制的礦井交通控制

基于RFID區(qū)域定位技術(shù)+PLC控制技術(shù)一種綜合性的解決方案，在輔運(yùn)巷道安裝定位分站，膠輪車上安裝RFID定位卡，通過讀卡信息在地圖上顯示車輛的行駛位置。同時(shí)在路口及閉鎖區(qū)間出入口安裝紅綠燈、PLC控制器，車輛到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)通過觸發(fā)傳感器，由PLC控制器紅綠燈進(jìn)行狀態(tài)切換，達(dá)到信號(hào)閉鎖和交通管控的目的。

以上實(shí)現(xiàn)方式雖然可以解決膠輪車信號(hào)閉鎖的問題，但由于定位技術(shù)是基于RFID，只能實(shí)現(xiàn)車輛大致區(qū)域的定位，無法在GIS地圖上準(zhǔn)確顯示車輛位置，存在大量的信號(hào)盲區(qū)造成無法執(zhí)行精準(zhǔn)的車輛調(diào)度。同時(shí)，單純采用PLC控制技術(shù)進(jìn)行區(qū)間閉鎖，無法做到整體的聯(lián)鎖控制，在不同礦井的適用性非常差，不具備批量推廣的模式。

因此，基于RFID區(qū)域定位+PLC控制的礦井交通控制解決方案，可解決少數(shù)礦井需要行車區(qū)間閉鎖問題，對(duì)于輔運(yùn)壓力較大的礦井，無法解決其運(yùn)輸壓力和提高運(yùn)輸效率問題，但不具有廣泛的推廣價(jià)值。

2 煤礦井下膠輪車運(yùn)輸管理的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》2016版中相關(guān)規(guī)定，國家針對(duì)煤礦井下無軌膠輪車所作出的強(qiáng)制性規(guī)定，包括車輛精確定位、速度監(jiān)測(cè)、交通管控、車輛管理及隨車通信等問題，但規(guī)程中只做出相關(guān)的強(qiáng)制性要求，目的在于提高煤礦井下的行車安全，避免事故的發(fā)生。

隨著煤礦的生產(chǎn)能力逐步提升，膠輪車作為煤礦井下主要的輔助運(yùn)輸手段，在人員、物料、設(shè)備等運(yùn)輸保障方面必須滿足生產(chǎn)能力的需要。

地面建設(shè)的智能物流運(yùn)輸、智能鐵路運(yùn)輸、智能公交及城市交通管控等各系統(tǒng)，結(jié)合GPS/北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、視頻分析技術(shù)及各種通信手段，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸及交通的精準(zhǔn)調(diào)度和管控，將各種運(yùn)輸方式進(jìn)行精準(zhǔn)管控，根據(jù)需要對(duì)車輛調(diào)配、信號(hào)控制，避免大量空車運(yùn)行和物料積壓。煤礦井下膠輪車運(yùn)輸應(yīng)結(jié)合煤礦井下特殊的工作環(huán)境，應(yīng)因地制宜制定煤礦井下綜合高效的運(yùn)輸管理解決方案。

未來煤礦應(yīng)建設(shè)膠輪車智能運(yùn)輸管控系統(tǒng)，通過解決車輛位置精準(zhǔn)定位、行車速度實(shí)時(shí)監(jiān)控、信號(hào)閉鎖智能管控、人車運(yùn)輸精準(zhǔn)調(diào)配、候車等車精準(zhǔn)播報(bào)及車輛檔案電子管理等問題，在滿足井下膠輪車安全行駛的基本前提下，應(yīng)以更高標(biāo)準(zhǔn)提高煤礦井下運(yùn)輸效率為發(fā)展趨勢(shì)，提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

3 UWB技術(shù)解決井下膠輪車運(yùn)輸管理的作用

超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB技術(shù)具有極強(qiáng)的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。

在地面室內(nèi)空曠環(huán)境中，要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，至少利用3臺(tái)定位基站對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，通過計(jì)算后反饋目標(biāo)所在的準(zhǔn)確位置。而煤礦井下屬于狹長巷道環(huán)境，對(duì)目標(biāo)定位無需采用多臺(tái)定位設(shè)備，通過采用UWB超寬帶技術(shù)搭配TOF定位測(cè)距算法，計(jì)算出目標(biāo)距離定位基站的距離，結(jié)合GIS技術(shù)將目標(biāo)精準(zhǔn)顯示GIS地圖中的精準(zhǔn)位置，無需判斷目標(biāo)所在巷道的左右方位，其定位測(cè)距精度可達(dá)1 m。

圖1 TOF測(cè)距原理圖

基于UWB超寬帶技術(shù)搭配TOF定位測(cè)距算法，利用UWB技術(shù)的特性，針對(duì)煤礦井下膠輪車運(yùn)輸管理具有如下作用。

(1) 車輛精準(zhǔn)位置跟蹤 UWB技術(shù)具有極強(qiáng)的穿透能力，非常適用于煤礦井下環(huán)境，搭配TOF定位測(cè)距算法和結(jié)合GIS地圖技術(shù)，可將車輛精準(zhǔn)的顯示到GIS地圖上，實(shí)現(xiàn)車輛的精準(zhǔn)位置實(shí)時(shí)跟蹤。

(2) 車輛實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè) UWB技術(shù)的工作頻段為3.25 GHz～6.75 GHz，由于其頻寬一般超過500 MHz，可以獲得亞納米級(jí)的精確時(shí)間，利用其高精度的信號(hào)反饋時(shí)間，通過相應(yīng)的計(jì)算公式可得到車輛實(shí)時(shí)速度，從而實(shí)現(xiàn)車輛速度監(jiān)測(cè)。

(3) 信號(hào)閉鎖執(zhí)行依據(jù) 由于利用UWB技術(shù)可獲得車輛在井下行駛過程中的精準(zhǔn)位置，在煤礦井下路口、閉鎖區(qū)間可利用其精準(zhǔn)的位置，對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。而且在對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)位置跟蹤時(shí)，UWB信號(hào)以高頻率進(jìn)行信號(hào)交互，不存在響應(yīng)不及時(shí)的問題，能夠完美提供信號(hào)閉鎖需要的執(zhí)行依據(jù)。

4 煤礦膠輪車智能運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合應(yīng)用及效果

4.1 煤礦膠輪車智能運(yùn)輸系統(tǒng)的架構(gòu)

煤礦膠輪車智能運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理是在需要覆蓋的區(qū)域內(nèi)安裝UWB定位分站，兩個(gè)站之間距離可達(dá)600 m(空曠無遮擋)；每輛膠輪車配備UWB車輛定位卡，在區(qū)間閉鎖出入口及路口安裝紅綠燈，同時(shí)輔助于軟件開發(fā)技術(shù)、GIS地圖技術(shù)及控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)車輛的精確定位、管理、控制功能。

圖2 系統(tǒng)組成架構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由管理服務(wù)器、定位基站、車輛標(biāo)識(shí)卡、紅綠燈、LED顯示屏、隔爆電源、智能道閘、膠輪車智能運(yùn)輸管理軟件及配套線纜輔材等組成。

管理服務(wù)器：安裝服務(wù)器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及膠輪車智能運(yùn)輸管理軟件，通過采集井下每輛膠輪車的位置信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的井下車輛行駛規(guī)則，自動(dòng)對(duì)井下紅綠燈進(jìn)行智能管控，同時(shí)具有車輛日常管理功能。

定位基站：以600 m左右距離安裝在井下輔運(yùn)大巷中，通過光纜進(jìn)行級(jí)聯(lián)傳輸，與車輛安裝的車輛標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，采集車輛精準(zhǔn)位置信息，并傳輸?shù)降孛娣?wù)器。

車輛標(biāo)識(shí)卡：每輛膠輪車需要安裝車輛標(biāo)識(shí)卡，通過UWB信號(hào)與定位基站進(jìn)行信號(hào)交換，為定位基站提供位置數(shù)據(jù)。

紅綠燈：安裝在煤礦井下十字、丁字路口及閉鎖區(qū)間出入口，連接到定位基站，根據(jù)系統(tǒng)下達(dá)的控制指令對(duì)狀態(tài)進(jìn)行切換，為膠輪車司機(jī)提供通行指令。

LED顯示屏：具有文字顯示和聲音播報(bào)功能，安裝在井下固定候車硐室，參考地面智慧公交到站提醒功能，為井下候車人員提供車輛到站提醒信息。

智能道閘：根據(jù)系統(tǒng)中記錄的車輛檔案信息、檢驗(yàn)期限、通行許可等作為判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)入井車輛的合法管控，避免違規(guī)車輛下井。

4.2 煤礦膠輪車智能運(yùn)輸系統(tǒng)的功能

利用UWB精準(zhǔn)定位技術(shù)解決煤礦井下無軌膠輪車運(yùn)輸管理問題，相比較利用其它技術(shù)的解決方案，具有如下功能及優(yōu)勢(shì)。

(1) 靈活的智能交通管控 由于UWB具有高精度定位技術(shù)，在煤礦井下能夠執(zhí)行“一路綠燈”行駛規(guī)則，車輛在十字、丁字路口及閉鎖區(qū)間行駛時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)其他車輛行駛位置作為判斷依據(jù)靈活控制紅綠燈狀態(tài)，減少車輛行駛過程中等待時(shí)間，提高井下的運(yùn)輸效率。

(2) 貼心的智能到站提醒 在候車硐室安裝多媒體顯示屏，利用UWB精準(zhǔn)定位技術(shù)確定到達(dá)車輛的行駛位置，通過文字和聲音告知車輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。同時(shí)利用視頻監(jiān)控技術(shù)監(jiān)測(cè)候車硐室人員數(shù)量，及時(shí)調(diào)配足夠車輛實(shí)現(xiàn)人員運(yùn)輸?shù)闹悄苷{(diào)配。

(3) 精準(zhǔn)的智能車輛調(diào)控 利用UWB精準(zhǔn)定位技術(shù)和GIS地圖顯示技術(shù)，可實(shí)時(shí)跟蹤和顯示每輛車的準(zhǔn)確位置，根據(jù)煤礦井下人員、物料、設(shè)備運(yùn)輸需求，精準(zhǔn)調(diào)配車輛解決運(yùn)輸需求，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)輸智能調(diào)控。

(4) 安全的智能管理預(yù)警 基于UWB精準(zhǔn)定位技術(shù)可對(duì)井下行駛車輛速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免車輛超速行駛從而引發(fā)安全事故，軟件中對(duì)超速行駛車輛進(jìn)行告警和記錄，利用通信工具提醒司機(jī)按規(guī)定駕駛，同時(shí)對(duì)違規(guī)行為監(jiān)督和管控。

圖3 系統(tǒng)軟件顯示示意圖

4.3 煤礦膠輪車智能運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用效果

(1) 提高運(yùn)輸效率 系統(tǒng)通過應(yīng)用合理的交通信號(hào)管控、候車人員監(jiān)控、專用通信手段及車輛位置信息，根據(jù)車輛位置信息、候車人員數(shù)量及物資運(yùn)輸需求，實(shí)現(xiàn)了車輛合理調(diào)配；同時(shí)利用合理的交通信號(hào)管控，減少車輛行駛等待時(shí)間，綜合提高膠輪車30%運(yùn)輸效率，達(dá)到了提高運(yùn)輸效率的目的。

(2) 提高行車安全 井下膠輪車主要存在超速、撞車、撞人、追尾及“頂?！钡葷撛诎踩鹿?，通過對(duì)車輛行駛速度監(jiān)測(cè)報(bào)警，同時(shí)根據(jù)車輛實(shí)時(shí)位置信息進(jìn)行安全交通管控，能夠有效避免以上行車安全事故的發(fā)生，使其具備了煤礦膠輪車運(yùn)輸?shù)陌踩夹g(shù)保障。

(3) 規(guī)范車輛管理 將傳統(tǒng)人工進(jìn)行車輛管理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮踊瘷n案管理，能夠?qū)囕v檔案、司機(jī)信息、檢修情況、行駛里程、車輛派單等進(jìn)行電子化、網(wǎng)絡(luò)化管理，并能夠自動(dòng)生成決策所需各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，達(dá)到了規(guī)范化車輛管理要求。

5 結(jié) 語

基于UWB精準(zhǔn)定位技術(shù)解決煤礦井下無軌膠輪車運(yùn)輸管理，相比較其他定位技術(shù)更具有準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)地面定位技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星定位技術(shù)適用于室外環(huán)境，室內(nèi)定位或地下定位的主流技術(shù)是基于UWB技術(shù)。由于UWB技術(shù)具有定位精度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，非常適用于煤礦井下膠輪車精準(zhǔn)定位，以及利用其定位精度延伸解決車輛運(yùn)輸管理的其他問題。

現(xiàn)階段煤礦膠輪車運(yùn)輸管理是以“車輛管理”為核心，通過對(duì)車輛管控來提高安全和運(yùn)輸效率，隨著煤礦移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能移動(dòng)終端的應(yīng)用，智能礦山車輛運(yùn)輸管理將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴叭?、料”為管理核心，?shí)現(xiàn)煤礦井下“滴滴打車”、“滴滴快運(yùn)”、“車載導(dǎo)航”，為煤礦膠輪車運(yùn)輸提供更加有效的技術(shù)支撐和安全保障，加快煤礦智能化建設(shè)，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。