基于4G 的礦用特種車輛安全行駛輔助平臺

戴劍波

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦井下特種車輛運輸不僅可以極大地提高礦井的生產能力和運輸效率，還可以大大降低工人的勞動強度，輔助車輛運輸在我國煤礦井下占有的比例逐年擴大。為了減少巷道柴油機車廢氣排放及降低噪音，無軌架線混合動力車井下應用越來越多，而混合動力車與傳統(tǒng)柴油機車不同，在井下需要切換電、油動力，進行脫掛網操作。從煤礦安全生產方面看，車輛增多，維護和保養(yǎng)工作量大，行駛時容易出現(xiàn)相互碰撞、擦碰、會車困難等問題，司機操作不當還會引起人員傷亡等事故，同時，不合理調度車輛就會存在僵尸車，擁堵路段，降低生產效率[1-2]。

為解決目前存在問題，設計的特種車輛安全行駛輔助平臺基于4G 無線通信技術，在信號覆蓋范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等信息與地面調度中心信息互聯(lián)互通，對車輛運行參數(shù)實時監(jiān)控與并存儲，車輛位置信息進行監(jiān)測，車輛運行速度進行預警、地面管理中心與司機音視頻語音通話調度，并在車輛可能發(fā)生潛在危險時及時警示，最大限度爭取應急處置時間，消除事故隱患，提高車輛駕駛的安全性及運輸效率[3]。

1 輔助平臺整體框架

安全行駛輔助平臺均采用符合煤安認證的本質安全設計，澆封兼本安型控制器通過非本質安全CAN 總線方式與機車控制箱CAN 總線進行數(shù)據(jù)交互，模擬視頻信號根據(jù)CAN 總線采集不同指令分別切換在輔助倒車、動力切換脫掛網、行車狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)、視頻通話狀態(tài)，在倒車模式下同時開啟紅外測距探頭用于倒車距離測量及聲音提示；在4G 基站信號覆蓋范圍內，信息終端可以將特種車輛運行狀態(tài)參數(shù)、車輛井下行駛位置信息、視頻信息等處理后通過以太網接口傳輸給4G 網關，4G 網關再通過無線的方式經4G 基站上傳地面調度中心顯示及存儲，通過查詢歷史信息，能夠為事故分析以及責任認定等問題提供有力的論據(jù)，同時，對于車輛的維護和保養(yǎng)具有量化指導意義。輔助平臺整體設計原理框圖如圖1。

2 輔助平臺功能

2.1 視頻信息顯示

傳統(tǒng)特種車輛井下行駛大部分依靠司機經驗判斷車身與障礙物間距，對司機駕駛技術依賴性較高。混合動力車在電動力、油動力間自由切換時，司機進行脫掛網操作都是憑借經驗判斷，需耗費大量時間，具有很大的局限性，不利于煤礦安全信息化、安全高效生產工作開展[4]。

輔助平臺設計4 路視頻信息，針對倒車、行車、脫掛網進行可視化輔助操作，出現(xiàn)異常情況能及時采取相應措施，提高輔助運輸?shù)陌踩芾硭健＼囕v剎車裝置、點火裝置、脫掛網裝置啟用時，控制器通過CAN 接口接收機車控制箱信號并傳給終端，終端根據(jù)接收到的不同信息，分別將視頻切換到倒車視頻、行車視頻、脫掛網視頻模式；緊急情況下，地面調度中心管理人員可以通過音視頻通話與井下車輛司機進行通話，終端液晶屏顯示當前切換視頻信息。同時，終端將視頻信息數(shù)字處理封裝后上傳地面調度中心顯示及存儲。視頻信息顯示控制邏輯原理框圖如圖2。

圖2 視頻信息顯示控制邏輯原理框圖Fig.2 Principle block diagram of video information display control logic

2.2 井下車輛運行參數(shù)安全預警

根據(jù)MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》中4.3.6 中要求，無軌膠輪車應設置自動保護裝置，而現(xiàn)有保護裝置只能本地顯示、本地預警，地面監(jiān)控中心不能對車輛行車狀況、車速、司機操作行為等信息實時監(jiān)測和歷史查詢分析，發(fā)生事故后往往造成責任不明、互相推諉，同時，對于車輛的維護、保養(yǎng)也沒有明確依據(jù)，大多依靠固定周期性檢修[5-6]。

輔助平臺控制器設備可以通過CAN 總線與車輛原有保護裝置進行通信，將保護裝置采集的車輛參數(shù)（如車輛行駛里程、車輛運行速度、瓦斯?jié)舛取⒀a水水位、廢氣水位、排氣溫度、發(fā)動機表面溫度、發(fā)動機轉速、機油壓力、發(fā)動機運行時間及柴油機電噴參數(shù)等）實時本地顯示、監(jiān)測、預警及通過4G無線傳輸平臺上傳地面監(jiān)控中心顯示并存儲。地面監(jiān)控中心可以實時準確了解每臺車輛在井下運行狀態(tài)及司機駕駛行為，通過查閱歷史記錄有針對性的對車輛進行周期性維護和保養(yǎng)，在車輛出現(xiàn)故障后對車輛診斷分析做到有據(jù)可依，實現(xiàn)調度人員更好地、及時地掌握和管理運行車輛。

2.3 井下車輛實時精確定位

煤礦井下環(huán)境復雜，光照不足，粉塵多，車輛行駛速度過快或保持安全距離過小都容易引發(fā)安全事故，同時，車輛在井下隨意停放，會造成道路擁塞，降低運輸效率，嚴重時會發(fā)生交通事故。輔助平臺配置有精確定位車輛標識卡，與車輛之間通信，實現(xiàn)前后方車輛安全間距測量，根據(jù)不同的安全間距對駕駛人員發(fā)出預警，防止車輛發(fā)生碰撞；與巷道兩壁精確定位讀卡器之間通信，實現(xiàn)上位機顯示車輛在井下實時精確位置信息，合理進行運輸調度[7-9]。

為防止井下車輛相互碰撞，車輛標識卡之間可以相互通信，能夠實時測量車輛前、后方安全間距，根據(jù)MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》中4.1.5 中要求，結合地面交通安全法規(guī)定，井下車輛安全間距設置為50、80、100、120 m 4 個不同等級，當車輛之間安全間距低于50 m時，信息終端會通過喇叭發(fā)聲提示司機，安全間距高于100 m 時判定為正常間距，在50 m 與100 m之間，信息終端會結合檢測到的車輛行駛速度判定是否屬于正常間距，從而觸發(fā)喇叭發(fā)聲預警。車輛標識卡與巷道兩壁讀卡器之間通信，實現(xiàn)車輛井下實時位置信息采集，從而確定車輛在井下具體位置。車輛安全間距信息和位置信息均通過4G 網關發(fā)送給4G 基站，然后通過井下環(huán)網傳輸?shù)降孛嬲{度中心，地面調度中心可以通過軟件隨時掌握井下每臺車輛位置信息和前后車輛間距，同時，對于亂停車輛、僵尸車等可以進行實時調度處理。

2.4 井下音頻和視頻語音調度

煤礦井下車輛調度手段簡單，信息化程度較低，無序運行，常因機車管理審批流程復雜導致車輛空閑，或當井下運行車輛發(fā)生設備故障、意外突發(fā)事件時，不能及時與地面調度中心傳達信息，從而延誤問題處理時間，地面調度管理人員也難以及時掌握井下機車的動態(tài)及作業(yè)情況，這些都會降低井下的運輸效率，影響生產工作的正常開展[10]。

輔助平臺利用4G 無線通信高帶寬傳輸特性，設計音、視頻通話功能，車輛司機能夠與地面調度中心實現(xiàn)無線音、視頻通話聯(lián)絡，通過語音通話可以使司機和車輛運輸管理部門及地面調度中心保持實時通訊，對運輸任務進行確認，對車輛、物資進行有效的調度，真正做到在車輛上實現(xiàn)人機交互，司機與調度人員及時溝通、輔助安全駕駛、促進運輸效率的提升。視頻通話攝像儀還可以用于常態(tài)下管理人員對司機駕駛行為的監(jiān)督，及時給予提醒并糾正，將井下運輸事故的發(fā)生防范于未然，提升井下運輸系統(tǒng)的安全性能。

3 輔助平臺軟件

車輛安全行駛輔助平臺軟件集成了視頻信息管理單元、車輛運行參數(shù)管理單元、車輛位置信息管理單元、音視頻通話管理單元4 部分，通過工業(yè)以太環(huán)網（地面和井下）和4G 無線通信網絡進行通訊。整個平臺采用統(tǒng)一的架構和標準設計，并為各種業(yè)務應用和第三方提供統(tǒng)一的接口，軟件設計總體框架結構如圖3。

輔助平臺軟件在設計上劃分為終端數(shù)據(jù)采集及驅動子程序、數(shù)據(jù)解析及傳輸子程序、業(yè)務應用服務子程序3 個部分。終端數(shù)據(jù)采集及驅動子程序主要是實現(xiàn)硬件層數(shù)據(jù)采集及信號轉換并進行邏輯分析處理，包括車輛位置信息及安全間距測量分析、音視頻數(shù)據(jù)采集轉換、多路視頻信號切換控制、4G 網關透傳機制邏輯控制、車輛運行參數(shù)解析及部分數(shù)據(jù)本地顯示；數(shù)據(jù)解析及傳輸子程序主要是實現(xiàn)將終端采集的數(shù)據(jù)按照標準協(xié)議進行封裝及傳輸；業(yè)務應用服務子程序主要是將不同種業(yè)務對象實例化，實現(xiàn)行車、脫掛網、倒車、司機駕駛行為等視頻信息實時顯示及存儲，車輛運行參數(shù)實時顯示、統(tǒng)計、存儲及歷史數(shù)據(jù)查詢，車輛井下實時位置、運行速度信息顯示，安全間距大小及車輛超速運行報警，管理人員與井下作業(yè)司機音視頻通話操作界面等功能的可視化展現(xiàn)。

4 結 語

設計了基于4G 的礦用特種車輛安全行駛輔助平臺,介紹了輔助平臺的設計原理和功能。目前，特種車輛安全行駛輔助平臺系列產品已經取得煤礦本質安全認證，在中煤科工集團太原研究院生產的部分支架搬運車、防爆運料車、防爆無軌膠輪車、防爆運人車上安裝，并在內蒙古補連塔煤礦進行工業(yè)性試驗，借助礦方已建4G 無線通信傳輸網絡，整個平臺功能能夠完全展示。平臺通過對車輛輔助倒車及預警、車輛狀態(tài)參數(shù)顯示及預警、井下車輛位置顯示及車間距測量預警、車輛超速運行及預警、車輛行駛多角度輔助視頻顯示等有機結合，具有直觀性、有效性、實用性。