基于精確定位的煤礦車輛智能運輸管理系統研究

摘要：煤礦井下作業對裝備依賴較高，尤其是煤礦運輸管理顯得格外關鍵，與煤礦的生產效益和管理效益息息相關。隨著各類新興技術的持續崛起，煤礦生產與科技融合成為必然趨勢，未來將逐步實現智能化、面向智慧化，更好地服務于煤礦建設生產。基于此，本文側重結合當前智能化發展趨勢，提出一套現代化煤礦井下車輛智能運輸管理系統，通過精確定位技術的支持與保障，旨在實現生產效率及安全性能的提升，在降低生產成本的同時增強競爭優勢。文章從設計思路、設計架構及模塊功能等進行分析，以便為行業的智能化轉型提供有益參考。

關鍵詞：精確定位；煤礦車輛；智能運輸；管理系統

縱觀行業的國內外發展形態，受現代科學技術的持續影響和推動，各類創新的生產理念被廣泛應用，智慧礦山的概念也逐步轉為現實，推動著生產領域的創新和革命。2019年我國頒布煤礦機器人重點研發目錄，在行業內掀起了一股科技創新浪潮，不同種類的智能裝備和系統問世，煤礦車輛智能運輸管理系統便是其中之一。事實上，煤礦井下車輛運輸管理是一項煩瑣的系統工程，尤其是井下物料運輸供應一直處于比較粗獷的管理模式，如何將生產單位所需要的物資及時快捷地送到，又將生產中產生的矸石和廢物及時地運出，在有限的配備條件下最大程度地提升運輸效率，滿足煤炭生產的需要和提高車輛的利用率，往往是每一個煤礦運輸管理者所面臨的問題。因此，在全新的時代背景下應形成科學、合理的運輸管理邏輯，充分發揮煤礦車輛運輸能力，實現生產資源的合理高效調配。

一、煤礦車輛智能運輸管理系統的設計思路

煤礦車輛智能運輸管理系統采用監控系統和局控系統相結合的方式，基于UWB的精確定位技術對運輸車輛、運行路況以及物料狀態全方位的實時監控。同時，借助于道岔轉轍機的改造控制，實現基于“點、面、區”的信集閉控制。硬件上，主要采用精確定位卡、無源車輛位置卡、車載分站以及攝像儀等設備，車載分站可以近距離識別軌道無源位置標簽，通過車載無線AP實時將精確的軌道、位置信息、視頻監控發送軟件服務器，同時無線基站實時將UWB車輛卡精確位置數據傳送至軟件服務器，車載終端可以實時顯示視頻監控信息、告警信息、調度信息。在軟件系統上，一般基于網絡平臺運行，以 Windows Server 操作系統為運行環境，以關系數據庫SQL Server為數據庫支撐，采用基于WEB的B/S架構，工作人員可以在網頁進行遠程瀏覽、控制，軟件客戶端運用圖形界面顯示線路巷道模擬示意圖，實時展示系統各設備運行情況，使調度人員可以直觀地掌握井下電機車運輸情況，手動模式下支持調度員在不違反系統預設邏輯的情況下，手動控制井下系統各設備狀態（紅綠燈、道岔轉轍機）。依靠計算機數據存儲和綜合強大的邏輯運算能力，軟件可以對局部線路、交叉點或采區進行局部控制，以面向區間對象的方式實現區間自動閉鎖邏輯；同時支持調度員在軟件界面給單輛機車賦予一個預設的運輸行程，軟件自動監測和控制該機車行進線路中道岔轉轍機處于暢通狀態，從而達到保障運輸安全、提高運輸效率和減人增效的目的。

二、煤礦車輛智能運輸管理系統的架構及數據流處理

（一）系統的總體架構

系統主要由數據服務器、監控終端、精確定位卡、紅綠燈、電機車軌道位置卡、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，其架構如圖1所示。

整體而言，利用車輛智能運輸管理結構設計，能夠對井下運輸車輛進行科學、合理的管理，實現對運行情況的實時監測和運行軌跡跟蹤，規范運輸流程，減少司機、調度員的工作強度，加強運輸環節中各個生產要素的緊密聯系，降低運輸過程中的安全風險，杜絕災害事故的發生，大幅度的提升效率，是煤礦井下電機車運輸管理系統建設的主要方向和目標。

（二）系統數據流處理

煤礦車輛智能運輸管理系統是以集散式工控網絡為核心，包括計算機及配套軟件，井下現場巷道安裝的無線基站、道岔轉轍機監控設備、精確定位卡、車載分站以及攝像儀等設備。車載視頻既可以在終端上顯示運行前方和后方的視頻信息，也通過車載無線AP實時將視頻信息發送軟件服務器中心，同時支持接收數據中心發出的控制指令和調度信息。定位無線基站與精確定位卡實時進行數據交互，將車輛、車皮以及車皮上的物料信息實時發送給無線基站，移動的語音通信可以通過基站內發送的無線AP信號進行不同區域、人員的調度通信。

PC軟件客戶端從服務器調取數據和指令，運用圖形界面顯示線路巷道模擬示意圖，實時展示系統各設備運行情況，使調度人員可以直觀地掌握井下電機車的運輸情況，同時調度人員可手動控制井下系統各設備狀態（紅綠燈、道岔轉轍機）；軟件可以對局部線路、交叉點或采區進行局部控制，以實現區間自動閉鎖邏輯；同時支持調度員在軟件界面給單輛電機車賦予一個預設的運輸行程，軟件自動監測和控制該機車行進線路中道岔轉轍機處于暢通狀態，同時可以在PC客戶端上查詢、申請、審批等操作，監控整個物料的運輸流程狀態。APP客戶端也可以查詢車輛的實時信息，可以進行查詢、監控、卸車等操作，APP客戶端可以通過無線AP網絡訪問數據服務器中心，同時也可與PC客戶端進行物料運輸數據分項交互，具體流程如圖2所示。

三、煤礦車輛智能運輸管理系統模塊設計

（一）主運輸調度中心設計

系統中的主運輸中心，一般需要配置1臺數據服務器，2臺客戶端電腦，用于遠程查看和監控電車的運輸的工作狀態，實現全礦動態模擬顯示，便于主運輸調度人員實時查看和管理。

（二）無線基站設計

煤礦車輛智能運輸管理系統中，無線基站具有重要的數據連接功能，處于承上啟下的重要數據通信端。主運輸調度中心需要實時交互車輛運行數據，以及車載攝像頭視頻數據和智能傳感器數據的交互，必須依賴于高效的無線通信方式，保證能夠對車輛實現精確定位。目前，由于在煤礦井下作業中，運輸車輛與膠輪車運輸軌跡基本相同，可以采用融合基站實施部署，利用原有基站的WIFI無線信號和UWB精確定位信號，即可實現井下車輛的運輸管理。如此一來，既可以實現信號傳輸的整合，也能夠有效降低建設成本。

（三）精確定位設計

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

車輛和車皮采用基于UWB技術的精確定位卡，考慮到車皮運輸特殊性采用特殊材料、更低功耗的設計，減少運輸使用過程中外力對于車皮定位卡的損耗，UWB精確定位卡與無線基站實時進行數據交互，將位置信息和物料信息實時反饋給地面。無源軌道位置卡主要安裝在道岔口以及重要的運行區間，與車載分站進行信息交互，用于識別車輛和車皮的運行軌道和方向。

（四）視頻監控設計

在運輸車輛上可安裝礦用本安型攝像儀，用來監控電機車前后方運行狀態，攝像儀通過電機車蓄電池供電，支持視頻本地存儲和調度室遠程在線查看，同時司機可利用駕駛室內車載顯示屏，查看運行前方路況和后方物料狀態信息，高清數字攝像儀通常采用特殊工藝，基于本安化的設計（如圖4），充分考慮運動防震和無縫漫游問題，攝像儀就近接入車載分站，通過車載分站上的AP模塊完成數據傳輸。

（五）道岔控制設計

在道岔控制設計中采用道岔裝置（氣動、電動混用），司控道閘裝置可具備遠程的應用條件，針對每副道岔就近配置一臺道岔控制器，采集道岔的各種控制信號，通過基站與系統進行控制信號和狀態的交互。道岔故障后，調度員可在第一時間獲取報警信息，道岔本身具備開關到位的就地提示，可提醒司機安全運行。

（六）信集閉設計

在關鍵位置安裝紅綠燈，并通過軌道運輸子系統實施狀態控制（如圖5），根據生產需要設置閉鎖區間，結合道岔控制和UWB精確定位來實現區間聯鎖、敵對進路閉鎖、信號機和電動轉轍機聯鎖等“信、集、閉”的全部功能，可以按當班調度員指定的運行計劃，自動地指揮機車安全運行，也可以由調度員視機車運行情況隨時分區段和進路調度車輛。

（七）安全告警設計

聯巷口設置礦用本安型顯示屏，當車輛行進到聯巷后50m處，對應聯巷口通過本安顯示屏，顯示“正在行車，禁止行人”和語音提醒。在駕駛室內安裝防碰撞告警裝置，通過軟件檢測電機車運行速度和位置，同一軌道上的電機車距離小于100m，聯動進行車載終端文字報警。

（八）物料運輸設計

物料運輸一般根據需求實施差異設計，膠輪車的物料運輸相對于電機車較為簡單，可借助于原有膠輪車運輸管理系統軟件中的運輸派單功能，將物料使用信息與車輛派單信息綁定在一起，實現物料運輸流程的監控。物料運輸管理系統界面如圖6所示。

因考慮電機車的物料運輸管理，且電機車的物料運輸管理需要單獨的系統軟件和數據庫，因此需要針對物料運輸流程實施設計。具體而言，通過物料運輸軟件實現車皮的申請（申請時根據物料的名稱、數量、目的地和要求到貨時間）、審批（根據審批申請按地點或者時間生成一張計劃表）、自動生成運輸計劃表、裝車管理（根據計劃表裝車，同時錄入車輛編號）、井口異常狀態檢查（裝車是否規范）、運輸過程監控（知道車皮在哪）、運輸到貨簽收（車輛定位到達地點后系統自動卸貨）、生成部分報表，具體管理流程設計如圖7所示。

四、結束語

綜上所述，隨著社會經濟及科技的持續發展，煤礦產業應致力于技術轉型升級，以實用、可靠、先進、經濟、安全為指導思想，正視煤礦井下車輛運輸的重要價值，建設一套先進的智能運輸管理系統，利用技術平臺所展現的管理優勢，全面提升煤礦的生產效率和安全性，尤其在精確定位技術的支撐下，實現對煤礦車輛與物料的實時、精準監控，保證各類資源的合理高效利用，全方位挖掘車輛運輸的潛力，為智慧煤礦的轉型提供信息支撐。

作者單位：郭玉龍 李榮孝 吳晶星 陜西正通煤業有限責任公司

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

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

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。