地下礦斜坡道運輸自動化管控系統研究

李朝金

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 井下斜坡運輸系統的發展趨勢及意義

井下斜坡道是用于通行無軌設備、運輸礦石和無軌設備出入井下的傾斜通道。在金屬礦及其他礦山的生產開采中占有舉足輕重的地位。斜坡道內一般為單行道，相隔一定距離設錯車道，但在實際生產運行過程中，由于車輛之間未設即時通訊，經常發生車輛在單行道會車的情況，且礦山井下道路濕滑、路面狹窄、路況復雜，無論是上坡車還是下坡車讓路，都需要倒車，不僅直接影響車輛的運行效率，而且也存在著較大的安全隱患。調度人員難以及時掌控井下車輛運行狀態，無法實現對井下車輛的監控與調配。因此，開發斜坡道運輸車輛的智能化管理系統對車輛進行實時監測和定位調度指揮，防止車輛相互堵塞，保證車輛在斜坡道中的正常安全運行具有現實意義。

1.1 井下斜坡運輸現狀

隨著國內對礦井生產安全問題的重視日益提升，以及監管力度的增強，礦井下主巷道運輸的自動化程度逐漸提高，大大改善了井下運輸安全狀況。對金屬礦山斜坡道內的運輸安全進行自動化監控也逐漸被提上日程，但由于井下斜坡道環境的特殊性，以及斜坡道單向運行的特點，如果不對斜坡道上的車輛進行監管，造成車輛碰撞或追尾事故的可能性極大，存在很大的安全隱患，嚴重地影響了生產和工作效率。為實現斜坡道車輛的安全穩定運行，開發一種斜坡道智能化管理系統尤為重要。

1.2 系統技術現狀分析

根據井下斜坡道作業環境和車輛運行特點，本系統利用在上、下斜坡道路口埋設地感線圈的方法準確檢測斜坡道口有無車輛通過和車輛行駛方向，確保斜坡道內單一方向行車，無阻塞退讓情況發生，提高運行效率，減少安全隱患；利用車輛安裝的RFID卡和監測分站讀卡器實現對車輛信息自動識別；利用CAN總線技術，將斜坡道路口監測分站監測的地感線圈與RFID卡的數據上傳到地面上位機，實現上位機與各監測分站之間進行網絡通訊，上位機處理數據后，控制上、下斜坡道路口交通信號燈轉換，實現斜坡道口出入車輛方向的指揮，同時識別進出斜坡道車輛信息；利用上位機管理軟件實現對斜坡道上通過車輛的基本信息、運行時間、軌跡及信號燈狀態進行遠程自動顯示，并具有數據存儲及查詢功能。

2 斜坡道運輸智能化管理系統的組成與基本原理

地下礦斜坡道智能化管理系統主要由上、下斜坡道路口設置的地感線圈及其環路控制器（HRB）、RFID無線射頻卡、上下斜坡道路口處監測分站、CAN總線（或者光纖網絡）、上位機監控系統、上下斜坡道路口交通信號指示燈等幾大單元所組成。系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 斜坡道智能化管理系統拓撲結構Fig.1 Topological structure of ramp intelligent management system

在金屬礦山井下的上、下斜坡道路口設置交通信號指示燈，并埋設地感線圈，充分利用地感線圈自動調諧、高靈敏度、反應時間短的特點，精確感應車輛的進入并通過繼電器輸出開關量指示信號，同時斜坡道行駛車輛安裝RFID卡，以一定的頻率發射射頻信號，并被上下斜坡道口處監測分站內讀卡器接收。各個分站之間通過CAN總線通信，當傳輸距離較短時，直接利用CAN總線，經過網絡轉換端口將信息上傳到上位機處理，當傳輸距離較遠時，采用光纖經光纖收發器實現數據傳輸。上位機進行數據處理后，輸出上、下斜坡道路口交通信號指示燈的驅動信號，指示車輛行駛方向，封鎖對面車輛，保證斜坡道上車輛單向運行暢通。同時通過三維顯示界面準確顯示斜坡道上有無車輛、車輛通行方向、通行時間以及車輛基本信息，利用強大的數據庫管理功能，實現數據的存儲及打印輸出，實現了對地下礦斜坡道運輸的智能化管理，確保其運行的安全性與暢通性，提高了生產運輸效率。

3 采用地感線圈實現上、下斜坡道路口車輛監測

3.1 地感線圈的基本原理

地感線圈是兩通道的智能環路感應器，用于檢測線圈上方車輛有無金屬物體，集成先進的微處理器技術，主要適用于智能停車場、機動車測速以及信號控制系統等。線圈引線連接到HRB。當車輛通過感應線圈時，導線圈的電感量發生變化，HRB內部的智能控制器通過運算判斷車輛的進入和行駛方向，繼電器通過輸出開關量用以指示信號。

3.2 地感線圈在井下斜坡道車輛監測中的應用

本系統設計的利用地感線圈實現礦山上、下斜坡道路口車輛運行監控系統示意如圖2所示。

圖2 斜坡道路口車輛運行監測示意Fig.2 Schematic diagram of vehicle operation monitoring at ramp intersection

如圖2所示，當車輛一旦到達地感線圈有效范圍內，相應的地感線圈的電感量發生變化，HRB內部的智能控制器通過運算判斷車輛的進入和行駛方向，繼電器通過輸出開關量用以指示信號。以井下斜坡道上行口有車輛進入為例，首先地感線圈A1電感量發生變化，相應的繼電器A1閉合，隨著車輛的進入，地感線圈B1電感量變化，繼電器B1閉合，相應的上行口有車輛駛出時，繼電器B1先于繼電器A1閉合，并將繼電器輸出的開關量指示信號傳到監測分站，由開關的先后閉合順序判斷車輛在斜坡道的行駛方向。上、下斜坡道路口處監測分站監測到該開關量指示信號通過CAN總線上傳到地面上位機，上位機進行數據處理后控制上、下斜坡道口指示燈，在有車輛駛入口指示燈綠燈亮，對面入口紅燈亮，禁止車輛進入，由指示燈的顏色可以控制車輛的運行方向，保證斜坡道單向順暢運行。

本系統無論中段上口或下口地感線圈先檢測到由車輛進入引起的電感變化則先通行，保證了道路的暢通，綜合利用了地感線圈自動調諧、高靈敏度、反應快的特點，保證了井下斜坡道上、下車輛運行的精確監測與管理，能夠控制斜坡道交通的有序運行，避免車輛堵塞、追尾以及撞車事故發生。

4 采用RFID實現斜坡道行駛車輛信息識別

RFID技術，主要由讀寫器、電子標簽和數據管理系統3部分組成。電子標簽由標簽芯片（包括射頻收發模塊、控制模塊等）、收發天線和調制電路等構成，具有智能讀寫以及通信加密等功能，讀寫器由控制模塊、無線收發模塊和接口電路組成，用于接收電子標簽發回的無線電射頻信號，經處理后，獲取標簽的數據信息，以完成自動識別的目的。射頻識別設備采用2.4 GHz超高頻頻段，具有通訊速率高，抗干擾能力強、保密性好、多標簽、距離傳輸遠等傳統“傳感裝置”不可比擬的技術優勢。RFID實現車輛信息識別原理如圖3所示 。

圖3 RFID實現車輛信息識別原理Fig.3 Schematic diagram of vehicle information identification based on RFID

本系統設計中，將進出斜坡道口車輛全部編號，記錄相關信息，每輛車配備RFID卡一個，帶有車輛標識卡的車輛行駛入斜坡道，以一定頻率發送無線射頻信號，利用上位機內的數據庫識別車輛信息，并將車輛的有關信息（ID信息和運行時間等）經過上位機監測管理軟件處理后顯示，使得外界工作人員不用下井就能掌控斜坡道上行駛車輛信息，以便進行更好的監控與調度，提高車輛運輸效率的同時保證了作業安全。

5 CAN總線的應用

CAN 總線技術作為一種新型的總線式串行通訊網絡，具備可靠性極高、設計靈活以及價格低廉等卓越的性能和優勢。地下礦斜坡道智能化管理系統采用CAN總線技術實現斜坡道口各個監測分站監測數據信息向上位機監控系統的傳輸。當斜坡道內車輛較多時，多個監測分站同時向總線傳送數據，低優先級的節點將自動中止發送數據，而優先級高的節點可繼續傳輸數據，從而有效防止總線抵觸。因此，系統各節點往上位機傳送數據可直接采用即時傳送方式，保證系統具有良好的實時性。當需要遠距離傳輸數據時，可以利用CAN總線和光纖相結合的方案，保證數據傳輸的穩定可靠。

6 上位機監控的實現

本系統在井上設置上位機監控系統，以顯示井下斜坡道路口車輛運行信息，界面設計示意如圖4所示。

圖4 上位機三維監控界面設計示意Fig.4 Schematic diagram of 3D monitoring interface design of upper computer

如圖4所示，斜坡道三維監測界面，能夠形象的反映斜坡道內車輛運行情況、身份信息及通行時間，通過指示燈顯示上下斜坡道路口進出車輛的運行狀況以及系統故障警報信息。井上人員可以及時掌控井下車輛的信息，有效防止了車輛相互堵塞及事故的發生，實現對井下車輛的監控與調配。

7 總結與展望

地下礦斜坡道運輸智能化管理系統，實現了斜坡道內車輛的有序行駛，能夠自動識別斜坡道上行駛車輛的信息，實現對車輛的監控與調度，提高斜坡道運輸效率，有效保證了井下作業的安全。系統中的地感線圈、監測分站、RFID識別卡等設備完全適應金屬礦山井下潮濕、粉塵大的特殊環境，長期運行穩定可靠，可以適應不同環境的井下斜坡道。