煤礦無軌膠輪車調度系統設計與應用研究

王 瑜，康 帆

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

我國整個能源結構體系中，煤炭資源發揮著舉足輕重的作用[1]。根據相關統計數據表明，煤炭資源在整個能源結構體系中所占比例在40%～50%[2]。礦井中開采得到的煤礦物料需通過運輸系統輸送到指定位置，無軌膠輪車是煤礦中比較重要的輔助運輸系統，與有軌運輸系統相比較，其運輸更加靈活，可以充分結合煤礦生產實際情況進行靈活調整[3]。但是當礦井中使用的無軌膠輪車數量達到一定程度時，會顯著增加礦井交通的難度。再加上礦井巷道本身比較狹窄，如果調度不當非常容易發生交通事故[4]。輕則產生交通堵塞，影響煤礦生產過程的連續性，重則產生嚴重的人員傷亡事故。針對該問題，有必要結合礦井實際情況，設計研究無軌膠輪車的調度系統，對礦井中運行的車輛進行有效調度，避免發生交通安全事故[5]。本文主要設計研究了無軌膠輪車的調度系統，并將該系統應用到煤礦生產實踐中，取得了較好的應用效果，值得其他煤礦企業借鑒。

1 調度系統的整體方案設計

設計的煤礦無軌膠輪車調度系統整體方案如圖1所示。考慮到無軌膠輪車工作時始終處于移動狀態，因此需要基于無線通信技術對無軌膠輪車進行定位。具體而言，需要在整個礦井巷道范圍內每間隔一定距離設置檢測節點，在車輛上設置移動節點。移動節點以一定頻率向外發射信號，位于巷道中的檢測節點可以接收信號。根據信號的衰減程度，結合一定算法可以獲得車輛的準確定位。另外，為了對無軌膠輪車運行狀態進行檢測，需要利用傳感器對車輛運行速度和油溫進行檢測，由檢測節點將這些數據信息向外發射。為了保障無軌膠輪車在巷道中的運行效率，需要在關鍵位置安裝信號燈，司機根據信號燈指示行走，遵循紅燈停、綠燈行的原則[6]。控制系統統籌井下所有車輛的運行方向、運行速度等數據信息，對信號燈進行控制，防止車輛在巷道中相遇發生碰撞或者影響交通效率。

圖1 調度系統的整體方案Fig.1 Overall scheme of dispatching system

井下采集得到的所有數據信息通過工業以太網絡傳輸到位井上部分的調度中心，且這些數據信息以可視化方式呈現在監控大屏上，以便工作人員實時掌握井下車輛的狀態信息，必要時可通過人工方式對井下車輛進行調度。所有數據信息都要存儲到服務器中，以便后續進行調取，需要存儲的信息包括車輛運行速度、運行方向、上井和下井時間等。地面調度中心最重要的功能是結合車輛運行速度和位置信息，對井下所有的信號燈進行控制，即控制信號燈的顏色，實現車輛運行的控制。特殊情況下可通過人工方式對井下的無軌膠輪車進行調度，保障井下車輛和人員的安全。

2 巷道中無軌膠輪車的調度策略

2.1 調度基本思路

為了確保無軌膠輪車在煤礦巷道中的行車安全，在巷道中每間隔一定距離設置1個避車室。2個避車室中間的區間稱為行車區間。避車室的作用是確保相向行駛的2輛無軌膠輪車能夠安全會車。每個行車區間內都設置有很多檢測節點，以便掌握該區間內車輛的具體位置。為了避免多車輛同時進入同1個避車區間或者行車區間，信號燈受到調度系統的控制。巷道行車區間的設置如圖2所示。

圖2 巷道行車區間的設置Fig.2 Setting up laneway driving section

2.2 調度基本策略

礦井巷道實際情況非常復雜，但直行窄巷道是比較特殊的情形。以下主要以該情況為例，闡述巷道中無軌膠輪車的調度策略。當無軌膠輪車A即將進入某行車區間時，根據行車區間內的實際情況，可以劃分成為以下4種情形，如圖3所示。

(1)行車區間內無車，如圖3(a)所示。如果行車區間內無車輛行駛，則兩端的信號燈2和3全部亮綠燈，2個方向行駛的車輛全部可以直接通過該行車區間。一旦A車進入該行車區間后，兩端信號燈立即變成紅色，其他車輛不得駛入。但經過延時ΔT后，A車已經行駛一段距離，后側的信號燈2變成綠色，車輛可以跟隨A車駛入該區間。

(2)行車區間雙向來車，如圖3(b)所示。當兩輛無軌膠輪車A、B同時駛入某行車區間兩側時，調度系統判斷兩輛車的優先級別。如果A車優先級更高，則信號燈2變綠，A車進入行車區間，信號燈3變紅，B車進入避車室等待。

圖3 狹窄巷道中會車的幾種情形Fig.3 Several situations of meeting cars in narrow roadways

(3)行車區間內有同向行駛的車，如圖3(c)所示。如果遇到行車區間前方存在行駛方向相同的車輛，后方車輛原則上可以直接駛入，但考慮到行車安全，要求兩輛車之間保持一定的安全距離，這就涉及到行車區間的容量大小問題。調度系統如果判斷該行車區間內的車輛數量未達到最大容量，則在保障前后車輛安全距離的情況下，信號燈2變綠，A車駛入行車區間。相反地，如果調度系統判斷行車區間內車輛數量已經達到了飽和狀態，則信號燈2變紅，A車進入避車室等待。

(4)行車區間內有反向行駛的車，如圖3(d)所示。信號燈2變紅，A車直接進入避車室，等待B車通過行車區間后，信號燈2變綠，A車從避車室駛出進入行車區間。

巷道中無軌膠輪車的調度流程如圖4所示。

圖4 巷道中無軌膠輪車的調度流程Fig.4 Dispatching flow chart of trackless rubber-tyred vehicles in roadways

由圖4可知，當無軌膠輪車駛入某行車區間前，調度系統會進行一系列的分析、判斷。比如需要分析行車距離內是否有車輛行駛，如果有車輛還要判斷車輛行駛方向、行車區間最大容量、前后車輛之間的安全距離等。只有各方面條件均達到行車安全的情況下，車輛才能夠駛入行車區間，否則進入避車室等待。

3 主要硬件選型及軟件設計

3.1 主要硬件選型設計

由于無軌膠輪車調度系統是一個非常復雜的系統，中間涉及很多硬件設施，本文主要對一些關鍵和重要的硬件進行介紹。

(1)主站控制器選型。主站控制器位于礦井地面，作用是對井下所有采集得到的數據信息進行綜合分析和處理，根據系統內置的算法給出對應的控制策略，并下達控制指令實現井下無軌膠輪車的安全調度。結合實際情況，選用610-H/L型控制器[7]。此型號控制器具有非常豐富的I/O接口，可以與多種其他類型的硬件設施實現連接。數據交換方式也比較豐富，同時支持RS485、RS232和工業以太網的通信模式，完全可以滿足調度系統的實際使用需要。

(2)井下分站控制器選型。井下分站控制器的作用是根據檢測節點采集得到的信息，對井下車輛位置進行分析判斷，同時還要與主站控制器進行聯系，實現數據信息的交互，如根據主站控制器指令對信號燈進行控制等。選用S7-200型PLC控制器[8]。該型號控制器具有優越的性能，在工業領域有廣泛應用，具有很強的運行穩定性，可以適應復雜的工作環境。I/O接口豐富，可以同時處理不同的任務。分站控制器供電模塊原理如圖5所示。

圖5 分站控制器供電模塊原理Fig.5 Schematic diagram of substation controller power supply module

(3)車輛定位模塊選型。主要包含車載節點和檢測節點。檢測節點安裝在礦井巷道不同位置，車載節點安裝在無軌膠輪車上。由于車輛工作時始終處于移動狀態，因此車載節點和檢測節點之間需要通過無線傳輸技術實現數據傳輸。本調度系統采用的是ZigBee無線傳輸技術[9]，節點模塊使用的芯片為CC2530型，該芯片具備有RF收發器，不僅可以發送信號，還可以接收信號。以CC2530芯片為核心，再配合使用其他相關硬件設施共同構成了檢測節點和車載節點。每個節點都有固定的ID編號，特別是車載節點編號與對應的無軌膠輪車相匹配。車載節點向外發送數據信息時同時會發送對應的ID編號。檢測節點獲得數據信息后，通過分析ID編號即可判斷數據屬于哪輛無軌膠輪車。檢測節點通過RS485總線通信模式實現與井下分站之間的聯系，將采集到的數據信息傳輸到分站中進行分析。車輛定位模塊內部及其與分站之間的通信模式如圖6所示。

圖6 定位模塊內部及其與分站之間的通信Fig.6 Communication between positioning module and substation

(4)車輛信息檢測模塊。煤礦井下工作環境復雜，為了保障井下無軌膠輪車運行過程的安全性，需要對車輛相關信息進行實時檢測，其中最重要的檢測數據包括油溫和行進速度。如果檢測發現超過了安全數值，調度系統會立即發出警報以提示駕駛員。系統選用柴油機保護檢測模塊(YE0.3-24)[10]。該設備可以在-20～80 ℃正常工作，工作時的電壓和電流分別為DC 15～30 V、300 mA。溫度監測范圍和車速檢測范圍分別為0～160 ℃和0～150 km/h。

3.2 調度系統軟件設計

圖7 井下分站軟件基本組成Fig.7 Basic composition of underground station software

車載節點搭設在無軌膠輪車上，首先需要利用各種傳感器采集車輛運行狀態數據信息，包括油溫和運行速度等，然后利用發射節點將包括車輛編號ID在內的車輛基本信息通過無線網絡傳輸到檢測節點。檢測節點接收到相關信號后，聯通信號的衰減值一同發送到分站，通過分站傳輸到控制器中進行處理。分站控制器獲得數據信息后，基于內置算法對車輛位置進行計算，同時判斷車輛的行駛方向、相關行車區間的容量是否超標等，另外，還需要根據主站的綜合判斷結果對行車區間兩側的信號燈進行控制，并將結果反饋到地面主站。

(2)地面主站軟件設計。井下分站和地面主站之間通過工業以太網實現數據信息交互。地面主站獲得數據信息后，首先要對數據進行存儲，還要對數據進行顯示，便于工作人員可以實時掌握井下車輛基本情況。更重要的是數據信息進行處理分析，判斷井下無軌膠輪車的運行狀態并下達控制指令。實現車輛調度的效果。主要包含以下3個方面軟件程序：①通信程序。井下分站和地面主站之間的距離較長，如何實現數據信息的安全可靠交互是關鍵問題，是保障調度系統運行的基礎，軟件程序就發揮著重要作用。通信程序工作時，在地面主站分別按照井下分站的網絡地址進行檢測，查看網絡是否正常連接。如果檢查發現網絡連接存在異常，會在監控大屏上顯示故障問題。②車輛信息處理程序。作用是對井下所有車輛數據信息進行分析處理，判斷車輛的行駛速度、具體位置等，并結合每個行車區間情況對井下所有信號燈進行控制，達到車輛調度的目的，所有車輛信息以及信號燈控制情況在監控大屏上進行顯示。為了保障井下所有無軌膠輪車的數據都可以被采集到，需要分析井下車輛的數量是否與實際情況相匹配。③人工干預程序。正常情況下調度系統可以實現自動化運行，但在特殊情況下需要通過人工干預。其一，為了滿足局部區域的個性化生產要求，需要對相關區域車輛調度進行干預；第二，當井下出現交通事故時需要對相關區域信號燈進行人為控制，保障井下安全。如果需要人工干預時，可以直接在地面主站監控大屏上進行操作。

4 調度系統的應用

將設計的煤礦無軌膠輪車調度系統應用到煤礦生產工程實踐中，對其各項功能進行了實踐測試，發現調度系統整體運行良好，各項功能均達到了預期效果。

(1)對井下所有的無軌膠輪車位置進行了準確定位。為了測量無軌膠輪車的定位精度，在完成調度系統的部署工作后，開展了實驗工作。調度系統定位精度實驗統計結果如圖8所示。

圖8 調度系統定位精度實驗統計結果Fig.8 Statistical results of positioning accuracy experiment of dispatch system

由圖8可知，此次共開展了10次定位誤差的實驗工作，發現定位誤差控制在了0.2～1.0 m，完全滿足了調度系統實際的使用需要。基于精確的井下車輛定位結果，調度系統可以對所有的車輛進行安全調度。在整個測試期間，發現調度系統能夠正確地控制巷道中的信號燈，車輛根據信號燈行駛或者避讓，沒有發生車輛堵塞或者井下交通安全事故，驗證了系統運行的可靠性。

(2)車輛行駛軌跡記錄和安全隱患報警。由于調度系統可以對井下所有車輛的位置進行獲取，可以實時掌握井下所有車輛的行駛軌跡。一旦井下發生安全事故，可以給后續應急救援工作帶來方便。另外車輛中安裝了速度傳感器和油溫傳感器。如果車輛運行速度超過了設定值，調度系統會發出安全警告，提示駕駛人員降低行車速度，保障行車安全。油溫傳感器可對車輛中使用的各種潤滑油等的溫度進行監測，如果發現溫度超過了設定值也會發出警報，提示駕駛人員停車檢查。

(3)闖紅燈記錄。在巷道的一些重要節點位置安裝高清攝像頭，如果無軌膠輪車行駛過程中無視信號燈隨意行駛，攝像頭可以進行取證并傳輸到系統中。系統檢測發現車輛存在闖紅燈行為時，對駕駛人員發出安全警告。

2015年12月21日，稽查科接到線索，得知某舊式居民小區有制假窩點，人員和房屋結構復雜。考慮到女性執法人員不易引起犯罪嫌疑人警惕，黃梅參與了此次蹲守、伏擊行動，負責外圍觀察和發起行動信號。當該居民房門打開的一瞬間，蹲守的執法人員立即進入，迅速控制一名嫌疑人和現場，并以該窩點為伏擊圈，張網以待。經過數十小時的蹲守，一一抓獲了其他3名犯罪嫌疑人。嫌疑人企圖用金錢收買辦案人員，被辦案組嚴詞拒絕。據悉，該案查獲“痛風膠囊”“骨康蝮蛇木瓜膠囊”等成品藥18425盒；查獲了半成品、包裝材料及制假設備，案值50余萬元。由黃梅承辦的該案被移送司法部門，法院對4名罪犯進行了判決。

綜上所述，通過對調度系統的應用測試，發現調度系統各項功能均達到了預期效果，可以安全可靠地對井下所有的無軌膠輪車進行調度。上述措施有效保障了井下的行車安全，為煤礦企業創造了良好的經濟效益和安全效益。

5 結論

主要以煤礦中使用的無軌膠輪車為研究對象，設計了車輛調度系統，并將其應用到煤礦生產實踐中，取得了較好的效果。

(1)設計的調度系統共劃分為地面主站和井下分站部分。分站作用是對區域內的車輛位置及行駛方向等信息進行采集，所有分站的數據全部通過工業以太網傳輸到地面主站中進行綜合分析，并下達調度指令，控制各行車區間的信號燈。

(2)地面主站和井下分站采用的控制器型號分別為610-H/L和PLC-200，均具有良好的性能，完全能夠滿足調度系統的實際使用需要。車載節點和檢測節點之間通過ZigBee無線技術實現數據信息的傳輸。

(3)將設計的調度系統應用到實踐中，對其定位精度開展了實驗工作，發現均控制在了1 m范圍以內。同時對其他各項功能進行測試發現均達到了預期效果，系統整體運行穩定，創造了良好的經濟效益和安全效益。

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