基于精確定位的煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)研究

摘要：煤礦井下作業(yè)對(duì)裝備依賴較高，尤其是煤礦運(yùn)輸管理顯得格外關(guān)鍵，與煤礦的生產(chǎn)效益和管理效益息息相關(guān)。隨著各類新興技術(shù)的持續(xù)崛起，煤礦生產(chǎn)與科技融合成為必然趨勢(shì)，未來(lái)將逐步實(shí)現(xiàn)智能化、面向智慧化，更好地服務(wù)于煤礦建設(shè)生產(chǎn)。基于此，本文側(cè)重結(jié)合當(dāng)前智能化發(fā)展趨勢(shì)，提出一套現(xiàn)代化煤礦井下車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)，通過(guò)精確定位技術(shù)的支持與保障，旨在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率及安全性能的提升，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。文章從設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)架構(gòu)及模塊功能等進(jìn)行分析，以便為行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型提供有益參考。

關(guān)鍵詞：精確定位；煤礦車輛；智能運(yùn)輸；管理系統(tǒng)

縱觀行業(yè)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展形態(tài)，受現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)影響和推動(dòng)，各類創(chuàng)新的生產(chǎn)理念被廣泛應(yīng)用，智慧礦山的概念也逐步轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)，推動(dòng)著生產(chǎn)領(lǐng)域的創(chuàng)新和革命。2019年我國(guó)頒布煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄，在行業(yè)內(nèi)掀起了一股科技創(chuàng)新浪潮，不同種類的智能裝備和系統(tǒng)問(wèn)世，煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)便是其中之一。事實(shí)上，煤礦井下車輛運(yùn)輸管理是一項(xiàng)煩瑣的系統(tǒng)工程，尤其是井下物料運(yùn)輸供應(yīng)一直處于比較粗獷的管理模式，如何將生產(chǎn)單位所需要的物資及時(shí)快捷地送到，又將生產(chǎn)中產(chǎn)生的矸石和廢物及時(shí)地運(yùn)出，在有限的配備條件下最大程度地提升運(yùn)輸效率，滿足煤炭生產(chǎn)的需要和提高車輛的利用率，往往是每一個(gè)煤礦運(yùn)輸管理者所面臨的問(wèn)題。因此，在全新的時(shí)代背景下應(yīng)形成科學(xué)、合理的運(yùn)輸管理邏輯，充分發(fā)揮煤礦車輛運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源的合理高效調(diào)配。

一、煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)采用監(jiān)控系統(tǒng)和局控系統(tǒng)相結(jié)合的方式，基于UWB的精確定位技術(shù)對(duì)運(yùn)輸車輛、運(yùn)行路況以及物料狀態(tài)全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，借助于道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的改造控制，實(shí)現(xiàn)基于“點(diǎn)、面、區(qū)”的信集閉控制。硬件上，主要采用精確定位卡、無(wú)源車輛位置卡、車載分站以及攝像儀等設(shè)備，車載分站可以近距離識(shí)別軌道無(wú)源位置標(biāo)簽，通過(guò)車載無(wú)線AP實(shí)時(shí)將精確的軌道、位置信息、視頻監(jiān)控發(fā)送軟件服務(wù)器，同時(shí)無(wú)線基站實(shí)時(shí)將UWB車輛卡精確位置數(shù)據(jù)傳送至軟件服務(wù)器，車載終端可以實(shí)時(shí)顯示視頻監(jiān)控信息、告警信息、調(diào)度信息。在軟件系統(tǒng)上，一般基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)運(yùn)行，以 Windows Server 操作系統(tǒng)為運(yùn)行環(huán)境，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，采用基于WEB的B/S架構(gòu)，工作人員可以在網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽、控制，軟件客戶端運(yùn)用圖形界面顯示線路巷道模擬示意圖，實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行情況，使調(diào)度人員可以直觀地掌握井下電機(jī)車運(yùn)輸情況，手動(dòng)模式下支持調(diào)度員在不違反系統(tǒng)預(yù)設(shè)邏輯的情況下，手動(dòng)控制井下系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)（紅綠燈、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)）。依靠計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和綜合強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，軟件可以對(duì)局部線路、交叉點(diǎn)或采區(qū)進(jìn)行局部控制，以面向區(qū)間對(duì)象的方式實(shí)現(xiàn)區(qū)間自動(dòng)閉鎖邏輯；同時(shí)支持調(diào)度員在軟件界面給單輛機(jī)車賦予一個(gè)預(yù)設(shè)的運(yùn)輸行程，軟件自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制該機(jī)車行進(jìn)線路中道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處于暢通狀態(tài)，從而達(dá)到保障運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率和減人增效的目的。

二、煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)的架構(gòu)及數(shù)據(jù)流處理

（一）系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控終端、精確定位卡、紅綠燈、電機(jī)車軌道位置卡、礦用車載分站、礦用本安顯示屏、礦用本安型攝像儀及線纜等組成，其架構(gòu)如圖1所示。

整體而言，利用車輛智能運(yùn)輸管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)逻\(yùn)輸車輛進(jìn)行科學(xué)、合理的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行軌跡跟蹤，規(guī)范運(yùn)輸流程，減少司機(jī)、調(diào)度員的工作強(qiáng)度，加強(qiáng)運(yùn)輸環(huán)節(jié)中各個(gè)生產(chǎn)要素的緊密聯(lián)系，降低運(yùn)輸過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，杜絕災(zāi)害事故的發(fā)生，大幅度的提升效率，是煤礦井下電機(jī)車運(yùn)輸管理系統(tǒng)建設(shè)的主要方向和目標(biāo)。

（二）系統(tǒng)數(shù)據(jù)流處理

煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)是以集散式工控網(wǎng)絡(luò)為核心，包括計(jì)算機(jī)及配套軟件，井下現(xiàn)場(chǎng)巷道安裝的無(wú)線基站、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)控設(shè)備、精確定位卡、車載分站以及攝像儀等設(shè)備。車載視頻既可以在終端上顯示運(yùn)行前方和后方的視頻信息，也通過(guò)車載無(wú)線AP實(shí)時(shí)將視頻信息發(fā)送軟件服務(wù)器中心，同時(shí)支持接收數(shù)據(jù)中心發(fā)出的控制指令和調(diào)度信息。定位無(wú)線基站與精確定位卡實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將車輛、車皮以及車皮上的物料信息實(shí)時(shí)發(fā)送給無(wú)線基站，移動(dòng)的語(yǔ)音通信可以通過(guò)基站內(nèi)發(fā)送的無(wú)線AP信號(hào)進(jìn)行不同區(qū)域、人員的調(diào)度通信。

PC軟件客戶端從服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)和指令，運(yùn)用圖形界面顯示線路巷道模擬示意圖，實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行情況，使調(diào)度人員可以直觀地掌握井下電機(jī)車的運(yùn)輸情況，同時(shí)調(diào)度人員可手動(dòng)控制井下系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)（紅綠燈、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)）；軟件可以對(duì)局部線路、交叉點(diǎn)或采區(qū)進(jìn)行局部控制，以實(shí)現(xiàn)區(qū)間自動(dòng)閉鎖邏輯；同時(shí)支持調(diào)度員在軟件界面給單輛電機(jī)車賦予一個(gè)預(yù)設(shè)的運(yùn)輸行程，軟件自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制該機(jī)車行進(jìn)線路中道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處于暢通狀態(tài)，同時(shí)可以在PC客戶端上查詢、申請(qǐng)、審批等操作，監(jiān)控整個(gè)物料的運(yùn)輸流程狀態(tài)。APP客戶端也可以查詢車輛的實(shí)時(shí)信息，可以進(jìn)行查詢、監(jiān)控、卸車等操作，APP客戶端可以通過(guò)無(wú)線AP網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)器中心，同時(shí)也可與PC客戶端進(jìn)行物料運(yùn)輸數(shù)據(jù)分項(xiàng)交互，具體流程如圖2所示。

三、煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

（一）主運(yùn)輸調(diào)度中心設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的主運(yùn)輸中心，一般需要配置1臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，2臺(tái)客戶端電腦，用于遠(yuǎn)程查看和監(jiān)控電車的運(yùn)輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)全礦動(dòng)態(tài)模擬顯示，便于主運(yùn)輸調(diào)度人員實(shí)時(shí)查看和管理。

（二）無(wú)線基站設(shè)計(jì)

煤礦車輛智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)中，無(wú)線基站具有重要的數(shù)據(jù)連接功能，處于承上啟下的重要數(shù)據(jù)通信端。主運(yùn)輸調(diào)度中心需要實(shí)時(shí)交互車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及車載攝像頭視頻數(shù)據(jù)和智能傳感器數(shù)據(jù)的交互，必須依賴于高效的無(wú)線通信方式，保證能夠?qū)囕v實(shí)現(xiàn)精確定位。目前，由于在煤礦井下作業(yè)中，運(yùn)輸車輛與膠輪車運(yùn)輸軌跡基本相同，可以采用融合基站實(shí)施部署，利用原有基站的WIFI無(wú)線信號(hào)和UWB精確定位信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)井下車輛的運(yùn)輸管理。如此一來(lái)，既可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)恼希材軌蛴行Ы档徒ㄔO(shè)成本。

（三）精確定位設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛智能運(yùn)輸管理需求，系統(tǒng)可配置兩種不同的定位卡，一種是基于UWB技術(shù)的有源精確定位卡，另一種是采用軌道安裝的無(wú)源位置卡。基于精確定位下的智能輔助運(yùn)輸系統(tǒng)界面如圖3所示。

車輛和車皮采用基于UWB技術(shù)的精確定位卡，考慮到車皮運(yùn)輸特殊性采用特殊材料、更低功耗的設(shè)計(jì)，減少運(yùn)輸使用過(guò)程中外力對(duì)于車皮定位卡的損耗，UWB精確定位卡與無(wú)線基站實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將位置信息和物料信息實(shí)時(shí)反饋給地面。無(wú)源軌道位置卡主要安裝在道岔口以及重要的運(yùn)行區(qū)間，與車載分站進(jìn)行信息交互，用于識(shí)別車輛和車皮的運(yùn)行軌道和方向。

（四）視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

在運(yùn)輸車輛上可安裝礦用本安型攝像儀，用來(lái)監(jiān)控電機(jī)車前后方運(yùn)行狀態(tài)，攝像儀通過(guò)電機(jī)車蓄電池供電，支持視頻本地存儲(chǔ)和調(diào)度室遠(yuǎn)程在線查看，同時(shí)司機(jī)可利用駕駛室內(nèi)車載顯示屏，查看運(yùn)行前方路況和后方物料狀態(tài)信息，高清數(shù)字?jǐn)z像儀通常采用特殊工藝，基于本安化的設(shè)計(jì)（如圖4），充分考慮運(yùn)動(dòng)防震和無(wú)縫漫游問(wèn)題，攝像儀就近接入車載分站，通過(guò)車載分站上的AP模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。

（五）道岔控制設(shè)計(jì)

在道岔控制設(shè)計(jì)中采用道岔裝置（氣動(dòng)、電動(dòng)混用），司控道閘裝置可具備遠(yuǎn)程的應(yīng)用條件，針對(duì)每副道岔就近配置一臺(tái)道岔控制器，采集道岔的各種控制信號(hào)，通過(guò)基站與系統(tǒng)進(jìn)行控制信號(hào)和狀態(tài)的交互。道岔故障后，調(diào)度員可在第一時(shí)間獲取報(bào)警信息，道岔本身具備開(kāi)關(guān)到位的就地提示，可提醒司機(jī)安全運(yùn)行。

（六）信集閉設(shè)計(jì)

在關(guān)鍵位置安裝紅綠燈，并通過(guò)軌道運(yùn)輸子系統(tǒng)實(shí)施狀態(tài)控制（如圖5），根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)置閉鎖區(qū)間，結(jié)合道岔控制和UWB精確定位來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)間聯(lián)鎖、敵對(duì)進(jìn)路閉鎖、信號(hào)機(jī)和電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)聯(lián)鎖等“信、集、閉”的全部功能，可以按當(dāng)班調(diào)度員指定的運(yùn)行計(jì)劃，自動(dòng)地指揮機(jī)車安全運(yùn)行，也可以由調(diào)度員視機(jī)車運(yùn)行情況隨時(shí)分區(qū)段和進(jìn)路調(diào)度車輛。

（七）安全告警設(shè)計(jì)

聯(lián)巷口設(shè)置礦用本安型顯示屏，當(dāng)車輛行進(jìn)到聯(lián)巷后50m處，對(duì)應(yīng)聯(lián)巷口通過(guò)本安顯示屏，顯示“正在行車，禁止行人”和語(yǔ)音提醒。在駕駛室內(nèi)安裝防碰撞告警裝置，通過(guò)軟件檢測(cè)電機(jī)車運(yùn)行速度和位置，同一軌道上的電機(jī)車距離小于100m，聯(lián)動(dòng)進(jìn)行車載終端文字報(bào)警。

（八）物料運(yùn)輸設(shè)計(jì)

物料運(yùn)輸一般根據(jù)需求實(shí)施差異設(shè)計(jì)，膠輪車的物料運(yùn)輸相對(duì)于電機(jī)車較為簡(jiǎn)單，可借助于原有膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)軟件中的運(yùn)輸派單功能，將物料使用信息與車輛派單信息綁定在一起，實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸流程的監(jiān)控。物料運(yùn)輸管理系統(tǒng)界面如圖6所示。

因考慮電機(jī)車的物料運(yùn)輸管理，且電機(jī)車的物料運(yùn)輸管理需要單獨(dú)的系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，因此需要針對(duì)物料運(yùn)輸流程實(shí)施設(shè)計(jì)。具體而言，通過(guò)物料運(yùn)輸軟件實(shí)現(xiàn)車皮的申請(qǐng)（申請(qǐng)時(shí)根據(jù)物料的名稱、數(shù)量、目的地和要求到貨時(shí)間）、審批（根據(jù)審批申請(qǐng)按地點(diǎn)或者時(shí)間生成一張計(jì)劃表）、自動(dòng)生成運(yùn)輸計(jì)劃表、裝車管理（根據(jù)計(jì)劃表裝車，同時(shí)錄入車輛編號(hào)）、井口異常狀態(tài)檢查（裝車是否規(guī)范）、運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控（知道車皮在哪）、運(yùn)輸?shù)截浐炇眨ㄜ囕v定位到達(dá)地點(diǎn)后系統(tǒng)自動(dòng)卸貨）、生成部分報(bào)表，具體管理流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科技的持續(xù)發(fā)展，煤礦產(chǎn)業(yè)應(yīng)致力于技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、安全為指導(dǎo)思想，正視煤礦井下車輛運(yùn)輸?shù)闹匾獌r(jià)值，建設(shè)一套先進(jìn)的智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)，利用技術(shù)平臺(tái)所展現(xiàn)的管理優(yōu)勢(shì)，全面提升煤礦的生產(chǎn)效率和安全性，尤其在精確定位技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦車輛與物料的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)控，保證各類資源的合理高效利用，全方位挖掘車輛運(yùn)輸?shù)臐摿Γ瑸橹腔勖旱V的轉(zhuǎn)型提供信息支撐。

作者單位：郭玉龍 李榮孝 吳晶星 陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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郭玉龍（1988.10-），男，漢族，陜西咸陽(yáng)，本科，工程師，研究方向：機(jī)電工程；

李榮孝（1987.11-），男，漢族，陜西咸陽(yáng)，本科，助理工程師，研究方向：機(jī)電信息；

吳晶星（1985.12.08-），男，漢族，陜西寶雞，本科，工程師，研究方向：煤礦信息化系統(tǒng)。