煤礦運輸安全智能監控信息系統的設計

韓雅潔

（霍州煤電集團李雅莊煤礦通風科，山西 霍州 031400）

1 項目概況

李雅莊煤礦井下輔助運輸大多采用人工控制方式，各環節難以實現集中遠程控制與信息融合交換，其復雜的運輸協作關系，導致較多運輸機車追尾、撞頭、側撞等事故的發生。針對該煤礦現有礦井監測系統無法同時傳輸圖像信號、車輛調度控制靠人工、車輛周轉慢、無法監控機車運行環境實現安全預警的問題，設計了一套礦井軌道運輸安全智能監測系統。該系統可對井下車輛實現自動調度功能、機車定位及識別功能、巷道監控視頻智能分析功能、架空人車優化節能與監控功能、交通信號燈顯示控制子系統等功能，實現了在地面對井下和地面軌道運輸、井下架空乘人裝置的智能監控與綜合調度。

2 礦井運輸安全智能監控信息系統的設計

在李雅莊煤礦建立了集視頻監視、視頻聯動、數據保存與分析、信息共享等功能為一體的運輸監控調度中心，主要設備包括18塊窄邊液晶顯示大屏幕、控制計算機、調度臺、供電裝置等。在集控室，通過基于智能監控的軟硬件平臺，對全礦運輸系統（包括軌道和架空乘人裝置）的設備進行實時監控，為全礦井的現代化建設管理提供基礎。運輸監控調度中心在很大程度上降低了調度人員和現場工作人員的勞動強度，提高了工作效率。地面調度人員，能實時瀏覽到運輸系統中關鍵部位的視頻信息，能對井下架空人車進行遠程監控，對井下機車的調度和監測方便快捷，使運輸系統的安全性大大提高。

3 礦井運輸安全智能監控信息系統關鍵技術分析

3.1 礦井軌道機車視頻智能分析系統

開發了基于機器視覺的礦井軌道機車視頻智能分析系統，其通過高清網絡攝像機對機車前行運行環境進行視頻實時采集與障礙物檢測，對機車運行起到智能預警作用。礦井軌道機車智能安全運行監控系統由高清網絡攝像機、無線路由器、視頻分析服務器、機車視頻接收設備、報警裝置等組成。由于軌道交通環境復雜，來往人員比較多，有時雜物出現亂堆亂放的現象，為了保障地面工作人員的安全和軌道機車的正常運行，本項目在機車、軌道沿線道岔、人員來往頻繁處等關鍵位置安裝高清網絡攝像機，從而實現智能監控。

3.2 機車定位與識別系統

研制了由通訊分站、基于ZigBee無線傳輸模塊的機車定位儀以及智能機車定位與識別服務器組成的機車定位與識別系統。

該煤礦現有的礦井機車定位系統，在井下潮濕、煤塵、噪聲、強電磁干擾的惡劣環境下，定位效果不佳，存在安全隱患。基于該問題設計了基于ZigBee無線傳感器網絡技術的新型礦井機車定位系統，包括：（1）定位分站（通信分站），采用 Exit I，KJ399-Q機車定位儀，給調度與管理系統提供定位基礎數據；（2）網絡平臺機車定位信號傳輸平臺；（3）機車定位儀，帶有機車的基本信息；（4）控制主機（服務器），定位信號接收、存儲、處理，實現機車定位，判定機車行駛方向等。

該系統在井下巷道、作業面的軌道上設置定位基站，定位儀安裝在運輸機車上，定位儀實行一車一儀制，每個定位儀對應唯一編號。系統數據庫記錄該定位儀所對應的運輸機車信息，在地面調度室可以通過該系統對機車實施精確定位。系統可對異常信息實現自動報警，并執行相應的安全管理程序。在該機車定位系統的設計中將RSSI、TDOA、AOA與案例推理技術相結合，通過案例推理技術對三種方法的定位結果進行智能處理。

3.3 礦井運輸機車運維管理系統

設計了基于B/S架構的礦井運輸機車運維管理系統，主要包括礦井運輸設備健康狀態估計子系統、機車調度子系統以及交通燈智能管控子系統。

3.3.1 礦井運輸設備健康狀態估計

該項目利用基于非參數的核密度估計和加權最小二乘估計的在線魯棒極限學習機，實現時間序列對礦井機車軸承振動信號24個特征指標的映射，然后通過專家系統查找與運輸機車軸承振動信號特征指標相對應的運輸機車健康狀態。

3.3.2 機車調度

礦井運輸機車調度問題主要是在一定目標和滿足所有的需求的情況下找到一組最優的車輛分配方案。在煤礦生產過程中，受市場影響其優化目標有時發生變化，一般情況下以費用極小為優化目標，但當訂單較任務緊迫時，一般采用時間最少的優化目標。為實現不同優化任務，項目研究了具有一定普遍適用性的基于Lagrange近似次梯度優化算法。其思路是將礦井運輸機車調度問題提煉為一般的科學問題進行研究，從而在優化目標和運輸時間限制、運輸數量要求、運輸能力限制各類約束條件變化時，仍然能夠很好地合理安排運輸機車。局部調車功能：機車在全線自動化道岔控制的基礎上增加局部調車功能，司機可先通過機車載無線基站給調度中心發出請求，在安全的情況下，調度中心可對局部道岔權限開放，實現局部軌道道岔有司機用車載無線基站對道岔進行司控，調車軌道線路兩端頭進路口實現信號閉鎖，井底調車場調車完畢后機車司機通過車載無線WiFi基站給地面調度中心發出調車完畢的請求信息，調度中心可把原先軌道線路進口閉鎖信息解除。

3.3.3 交通燈智能管控系統

所研制的交通燈智能管控采用如下設計邏輯：（1）信號燈控制邏輯的設置要能確保敵對進路之間的閉鎖。在同一時間，兩個敵對進路不能同時開放信號（敵對進路為兩條不能同時開放的道路，即一條路上有車前進，則另一條路必須閉鎖）。（2）在岔口處實現信號燈互鎖功能，不能同時開放岔口處信號燈狀態，防止撞車。（3）通過手動設置來設置信號燈閉鎖，可以實現緊急情況下，手動指定區間的封鎖區間占用。（4）應在同一復用區段鎖死區段兩端信號，防止出現雙向單行道路會車現象。（5）信號燈邏輯可通過軟件根據現場的具體情況進行二次修正，方便升級改進。本系統可根據各類礦山（煤礦山、非煤礦山）、各種車輛（有軌膠輪車、無軌膠輪車）以及井下道路特點（有無避車道）和車輛管理模式（上行或下行、同向或雙向復用等），建立合適的交通信號控制模型和控制邏輯，滿足不同礦山和管理者的需求。

3.4 架空乘人裝置的優化節能和智能監控信息系統

研制了根據乘坐人員數量和上車時間的井下架空乘人裝置的優化節能和智能監控信息系統，實現了井下架空乘人裝置的智能啟停控制研制的架空乘人裝置電控系統，由防爆PLC控制柜、本安操作箱、遠程I/O分站、語音報警器、各種保護等組成。其中PLC控制柜和本安操作箱安裝在猴車機頭，PLC控制箱是集控系統的大腦，用于處理本安操作箱按鈕信號和讀取各遠程I/O分站采集的數據。本安操作箱上配備高分辨率觸摸屏，用于模擬顯示猴車運行情況和顯示系統信息（包括運行時間、在線人數、運行速度、保護信息等）。遠程I/O分站分別固定在猴車沿線，用于采集各甩道開、停車信號和各種保護裝置信號。PLC控制箱與遠程分站間采用Profibus總線通信。井下防爆PLC控制箱通過光纜與礦1000M環網相連。

系統實現的主要功能包括：（1）控制功能。系統擁有自動連續運行、遠程集控、就地近控、檢修方式、就地純手控制五種控制模式。（2）顯示功能。能夠通過地面計算機顯示架空乘人裝置的運行狀態（動態畫面）、系統運行主要參數（包括電機電流、運行速度、運行時間等）以及保護傳感器動作的位置和故障信息。（3）語音及報警。沿途設置語言報警裝置，開車前有預警，下人點設置警示信號，通話裝置能夠與地面集控室通話。（4）保護功能。在機頭、機尾或中途大變坡點設置脫繩保護；在上人地點設置人員上車確認開關；下人地點設乘員越位報警，其后設置緊急越位開關，越位開關動作后系統能自動停車；設置減速機變速箱或液壓站溫度監測功能；設置鋼絲繩過速和欠速保護；設置液壓系統油溫保護、油位保護和油壓保護等；設置尾輪重錘張緊裝置限位（包括上、下限位）保護；設置拉線急停保護裝置。（5）系統閉鎖。按下初始啟動按鈕后系統發出啟動預報警信號，報警完畢才能啟動制動油泵，解除安全制動后啟動電機，乘人裝置投入運行；所有初始啟動按鈕間具備閉鎖功能；任何一處的安全保護裝置動作后，必須靠復位才能使系統重新進入啟動程序。

4 結論

礦井運輸實現安全智能監控，不僅能對井下架空人車進行遠程監控，根據坐乘人員數量和上車時間，進行優化節能控制，而且能夠實現井下運輸的視頻監視、智能監控及優化調度，達到井下巷道無人值守，少人巡檢，減輕工人勞動強度，改善工人工作環境，對于提高整個煤礦輔助運輸的自動化水平和科學管理水平具有重要意義。