礦井無軌膠輪車調度系統設計與應用分析

段昌盛,高祖彥

(恩施職業技術學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)

煤礦工作面中開采獲得的煤炭資源,需要利用運輸工具將其運輸到指定地點。無軌膠輪車以運輸效率高、成本低等優勢在煤礦領域的應用越來越廣泛,已經成為礦井中重要的輔助運輸裝備[1]。但無軌膠輪車實際操作時存在一定的缺陷,比如礦井巷道比較狹窄、光線不好、結構復雜,車輛行駛過程中容易出現交通堵塞問題,嚴重時可能引發交通事故,造成財產損失和人員傷亡[2]。如何保證無軌膠輪車的行駛安全,是使用該類型運輸裝備時需要考慮的重點問題[3]。為了提升無軌膠輪車的運行安全性,成中華[4]以礦用防爆無軌膠輪車為研究對象,設計了安全保護監控系統,可以對車輛運行時的狀態進行監測;韓鵬海[5]研究了煤礦無軌膠輪車的自動監控系統。但是利用監控系統只能對單個設備狀態進行監測,礦井中通常同時存在多輛車輛運行,如何保證車輛之間不發生碰撞,需要通過車輛調度系統實現。使用傳統的視頻監控系統,難以滿足實際使用要求。基于此,有必要結合礦井實際情況設計無軌膠輪車的調度系統,利用系統實時檢測井下所有無軌膠輪車的位置,并對車輛的行駛過程進行調度[6]。不僅能在一定程度上提升車輛的行駛效率,從而提升運輸效率,同時還能保障井下車輛的行駛安全。

1 調度系統的整體方案設計

無軌膠輪車調度系統的整體結構如圖1所示。由圖1可知,整個系統可以分為2大部分,分別為井上部分和井下部分,后者是系統的核心部分。井下部分設置有多個控制分站,在礦井中每間隔一定距離需要設置一個控制分站,控制分站數量視礦井結構及其大小確定。每個控制分站具有相同的硬件設施,控制分站主要包括傳感器、信號燈、移動節點、檢測節點、監測基站、工業攝像頭等部分。利用傳感器可以實時檢測無軌膠輪車的工作狀態,利用檢測節點和移動節點可以獲取無軌膠輪車的位置基礎信息,檢測的信息通過工業網絡上傳至控制分站中。控制分站對車輛的行駛狀態及其位置進行分析,同時根據設置的調度策略,判斷車輛是否可以進入下一個行駛區間,利用信號燈指導車輛行駛。井上部分主要包括主站控制器、工控機、數據存儲器、數據服務器、終端顯示器、監控大屏、打印機等部分。井下所有控制分站均與主站控制器進行連接,主站控制器綜合分析礦井所有車輛信息和礦井結構特點,對井下信號燈進行控制,實現井下車輛的整體調度。利用數據服務器可以對所有車輛的軌跡信息及狀態數據信息進行存儲,并在屏幕上進行顯示,工作人員可以實時了解并掌握井下車輛的狀態信息和行駛軌跡[7]。

圖1 無軌膠輪車調度系統的整體結構框Fig.1 Overall structure block diagram of the trackless rubber-tyred vehicle dispatching system

2 無軌膠輪車定位原理及調度策略

2.1 定位原理

(1)測距原理。根據調度系統的整體方案,無軌膠輪車上設置有移動節點,煤礦巷道上設置有檢測節點。移動節點跟隨無軌膠輪車移動,同時以一定的頻率向外發射無線信號。信號可以被附近的檢測節點接收,接收到的信號強度與移動節點和檢測節點之間的距離存在緊密聯系,距離越近則接收到的信號越強,距離越遠則接收到的信號越弱。根據此特征可以分析無軌膠輪車與檢測節點之間的距離[6]。基于此原理進行測距的方法稱之為RSSI(Received Signal Strength Indicator)測距。移動節點與檢測節點之間距離對信號強度的影響規律公式為:RSSI=-(10nlgd+A)。其中,RSSI為描述信號強度的數值;n和A為與現場環境有關的常數,需要根據現場情況測試后確定其數值;d為2個節點之間的距離。

(2)定位原理。利用1個檢測節點只能測量其與移動節點之間的距離,無法確定其方位,要想精確定位無軌膠輪車的坐標,至少需要3個檢測節點的數據[7]。本研究基于三角質心定位原理確定無軌膠輪車的位置,三角質心定位原理如圖2所示。圖2中,A、B、C分別為檢測節點的位置,d1、d2、d3分別為3個檢測節點與無軌膠輪車之間的距離,3個圓圈分別為針對單個檢測節點而言,無軌膠輪車可能的位置。理論上,3個圓應該交匯于一點,該點就是無軌膠輪車的準確位置。實際上,受測量精度影響,3個圓圈難以交匯于一點,會形成如圖2所示的局面,即3個圓有一個疊加區域LMN。本研究將三角形LMN的質心作為無軌膠輪車的實際位置。雖然會存在一定的誤差,但誤差相對較小,可以滿足實際使用需要。

圖2 三角質心定位原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of triangular centroid positioning

(3)定位程序。無軌膠輪車的主要定位程序如圖3所示。此程序由控制分站控制器執行。程序開始運行后,首先查詢是否有檢測節點上傳數據,如果有檢測節點上傳數據,判斷是否有3個及以上檢測節點上傳數據。若有3個及以上節點數據,則選擇3個RSSI值最大的數據進行分析。根據獲得的RSSI值對照數據庫,將其轉換成為距離信息,根據檢測節點編號獲得其位置坐標。基于三角質心定位原理對無軌膠輪車的位置坐標進行計算,獲得車輛位置信息,自此整個過程結束。

圖3 無軌膠輪車的主要定位程序Fig.3 Main positioning procedures for trackless rubber-tired vehicles

2.2 調度策略

(1)信號燈及檢測節點布置。無軌膠輪車在礦井中運行時,可能遇到的情況可以分為3種類型[8]:①直行寬巷道;②直行窄巷道;③三岔巷道。其中,第3種情況比較復雜,本文以三岔巷道為例介紹信號燈及檢測節點的布置情況。三岔路口信號燈及檢測節點布置情況如圖4所示。三岔巷道每個方向都可能有車輛行駛,且為雙向行駛,所以需要在每個岔路口設置信號燈和避車室,信號燈能夠指示車輛的行駛方向,向上、向左和向右箭頭分別為直行、左拐和右拐。信號燈1設置在避車室右側,作用是指示對向來車的前行和左拐;信號燈2設置在避車室左側,作用是指示對向來車的直行和右拐;信號燈3設置在避車室右側,作用是對岔道方向行駛車輛進行控制,指示其左拐和右拐。檢測節點設置方面,在3個避車室的兩邊分別設置有檢測節點,其他節點按照間隔50 m的方案進行設置。

圖4 三岔路口信號燈及檢測節點布置情況Fig.4 Layout of signal lights and detection nodes at trident intersections

(2)車輛調度策略。為保證行車安全,系統將無軌膠輪車行駛路線劃分成為不同的區間,每個區間長度為200 m,要求每個區間內只能允許1輛車進入。車輛調度就是控制車輛是否需要停車等待或者進入避車室[9]。對每個行車區間進行編號,且明確所處的環境,比如直行寬巷道、直行窄巷道、三岔巷道。系統運行時,根據車輛定位提取對應行車區間編號,并明確巷道類型,進而調取對應的車輛調度程序,對附近的車輛進行調度控制。同樣地,以三岔巷道的車輛調度基本過程為例進行介紹。考慮到三岔巷道部位行駛車輛較多且方向不確定,是事故高發點,為確保三岔巷道區域的安全,設計的系統只允許1輛車同時經過三岔巷道口,將三岔口單獨設置1個行車區間。若三岔巷道沒有車輛行駛,所有方向的信號燈全部為綠色,任何方向來車都能夠正常通過。當有車輛正在通過三岔巷道口時,3個信號燈全部變成紅色,禁止其他車輛駛入。三岔巷道車輛調度基本流程如圖5所示。由圖5可知,系統工作時,首先判斷此行車區間內是否有其他車輛,若有車輛就進入避車室等待。若區間內沒有車輛則還要判斷是否多向來車,若有多向來車,需分析車輛優先級,優先級較高的車輛優先通過路口,優先級較低的車輛進入避車室等待。

圖5 三岔巷道車輛調度基本流程Fig.5 Basic flow chart of vehicle dispatching in trident roadways

3 主要設備選型設計

由于煤礦井下環境非常復雜,特別容易出現突發情況,所以在選擇調度系統的硬件裝置時,必須考慮這些情況,確保裝置在特殊情況下能夠保持穩定工作[10]。另外,礦井瓦斯濃度較高,選擇的裝置必須具備防爆功能。以下對系統主要硬件裝置的選型進行介紹。

3.1 井下控制分站處理器

對于無軌膠輪車調度系統而言,井下控制分站處理器是整個系統的核心硬件,其性能好壞直接決定了調度系統的綜合性能。控制分站處理器的作用是接收傳感器的數據信息,分析判斷車輛位置、行駛方向及其行駛狀態等。還需要與主站控制器進行連接,接受后者的指令,對分站內的信號燈進行控制[11-14]。當前階段,工業領域使用的控制器主要分為2種類型,分別為PLC和單片機。在綜合考慮礦井工作環境及設備性能的基礎上,本系統選用的是PLC控制器,此類型控制器具有更好的穩定性,具體型號為西門子的S7-200型PLC控制器。S7-200型PLC控制器在工業領域具有很好的通用性,編程比較便捷,能夠適應不同的工況環境且穩定性良好。擁有較多的I/O接口,能同時與多個硬件裝置進行連接,并對多路信息進行處理,提升信息處理速度,保證控制器性能。CPU模塊上擁有工業以太網以及RS-485串口通信接口,可通過多種網絡形式實現數據交互。具備信號板拓展功能,可以結合實際情況添加通信模塊,進一步豐富通信功能。

3.2 車輛定位模塊

無軌膠輪車定位模塊主要包含2種硬件裝置,分別為檢測節點和移動節點。檢測節點安裝在煤礦巷道上,除關鍵位置必須設置檢測節點外,相鄰檢測節點之間的距離設置為50 m。移動節點安裝在無軌膠輪車上,隨車輛一起運動,其位置坐標與無軌膠輪車相同。移動節點工作時會不斷地向周圍發射信號,包括溫度、行駛速度、ID編號等。巷道上的檢測節點可以接收信號,并分析信號強度值,即RSSI值。檢測節點將接收到的信號數據及其RSSI值上傳至控制分站的PLC控制器中。系統中檢測節點與移動節點之間基于ZigBee無線傳輸技術進行數據傳輸,選用的定位模塊核心板塊芯片為CC2530。此型號芯片內置了RF收發器,具備信號發射和接收功能。CPU型號為增強型8051 CPU,SMAR的大小為8 KB。已有的應用實踐表明,CC2530芯片具有很好的抗干擾能力,靈敏度較高,運行時功耗較低,RF無線收發器的工作頻率為2.4 GHz。

無軌膠輪車定位模塊通信過程如圖6所示。

圖6 無軌膠輪車定位模塊通信過程示意Fig.6 Schematic diagram of communication process for positioning module of trackless rubber-tired vehicles

車載發射裝置和檢測節點接收裝置中使用的芯片全部為CC2530,兩者之間基于ZigBee協議進行數據的無線傳輸。每個移動節點和檢測節點均設置有唯一的ID編號,通過移動節點ID編號可確定與之配套的無軌膠輪車。檢測節點與控制分站之間基于RS-485總線進行數據傳輸,將接收到的信號及信號強度值上傳至控制分站中進行分析,以確定移動節點的坐標位置。

3.3 車輛信息監測模塊

由于礦井環境比較特殊,為了保證無軌膠輪車在井下的行駛安全,需要對車輛行駛狀態信息進行實時監測,需要監測的數據主要包括油溫、油壓、車速以及環境瓦斯濃度。一旦上述關鍵指標參數超過了系統設定的安全閾值,系統會立即向外發出報警信息,提醒司機及監控人員及時進行處理,避免小問題引發嚴重的安全生產事故。系統中使用的監測模塊型號為YE0.3/24柴油機車保護監控儀。此型號設備滿足相關標準要求,可以對無軌膠輪車運行過程中的關鍵參數進行采集并存儲。該儀器正常工作時的電流和電壓分別為300 mA和DC 15～30 V,環境溫度宜在-20～80 ℃,可以測量的轉速范圍、溫度范圍、甲烷濃度范圍、車速范圍分別為0～5 000 r/min、0～160 ℃、0～4%、0～150 km/s。

3.4 交換機

交換機的作用是實現井上和井下的網絡連接,提升長距離網絡傳輸的穩定性。本文中使用的交換機型號為KJJ18,屬于礦用本質安全型裝置,可以在環境復雜的礦井下穩定工作。交換機共有10路接口,其中千兆以太網光纖接口數量為4路,百兆以太網光纖接口數量為4路,RS-485總線通信接口數量為1路。

3.5 控制主站

控制主站需要與井下所有的控制分站進行連接,并接受分站上傳的數據信息。在對所有信息進行綜合分析處理的基礎上,下達指令對井下的信號燈進行控制,確保無軌膠輪車的安全運行。系統中使用的主站控制器型號為610-H/L,此型號控制器不僅擁有豐富的I/O接口,方便與其他硬件裝置進行連接拓展功能,也具有豐富的通信接口,可以進行工業以太網、RS-485、RS-232等多種形式的通信。數據處理速度也較快,能滿足本系統的使用要求。

4 調度系統的應用分析

為了對無軌膠輪車調度系統的可靠性進行分析,根據上文的設計方案,將其應用到煤礦工程實踐中,并對系統的各項性能進行了綜合測試,重點對車輛的定位精度進行了分析。為了驗證系統的定位精度,測試時開展了10次實驗工作,統計了10次實驗的定位精度,無軌膠輪車定位誤差的實驗結果統計情況如圖7所示。由圖7可知,在10次實驗工作中,定位誤差分布在0.32 ～ 0.98 m。雖然車輛定位存在一定的誤差,但是該誤差相對較小,不會影響車輛調度,完全能滿足本系統的實際使用要求。

圖7 無軌膠輪車定位誤差實驗結果Fig.7 Experimental results of the positioning error of the trackless rubber-tired vehicles

完成調度系統的現場測試工作以后正式投入應用,目前系統在工程中的應用時間有6個月左右。通過對系統的實踐應用情況進行統計分析,發現達到了預期效果。系統可以對無軌膠輪車進行精確定位,并結合礦井結構特點對信號燈進行控制,實現車輛的有效調度。設置在井上的監控大屏可以實時顯示井下無軌膠輪車的行駛軌跡,所有信息存儲在數據服務器中,隨時根據需要調取查詢。實踐操作中,若駕駛人員不按照信號燈指示行駛,系統可以利用喇叭對其進行提示,并記錄在案,可以作為工作人員考核的重要依據。總之,設計的調度系統在煤礦中的應用能顯著提升無軌膠輪車行駛安全,在系統使用的6個月內,煤礦中沒有出現無軌膠輪車碰撞事故,保證了煤礦的安全生產。

5 結論

以煤礦領域使用的無軌膠輪車為研究對象,結合礦井實際設計了車輛的調度系統,將其部署到實踐中,達到了預期效果。

(1)系統整體分為2部分,即井上和井下部分,井下部分由多個控制分站構成,作用是對車輛行駛數據信息進行采集并判斷車輛位置,井上部分作用是對車輛進行監控并控制信號燈。

(2)基于三角質心定位原理確定車輛位置坐標,在此基礎上利用信號燈對礦井中所有的無軌膠輪車進行調度。

(3)通過現場測驗發現車輛定位精度可以控制在1 m內,在系統使用的6個月內,礦井沒有出現車輛碰撞安全事故,驗證了系統的有效性。