礦山井下狹窄巷道行人行車智能管控系統研究與應用

摘" 要：礦山井下狹窄巷道行人行車智能管控裝置，是狹窄巷道兩端出入口頂部安裝的一種行人行車紅綠燈，控制器輸入端連接狹窄巷道的行車地磁傳感器，輸出端則連接行車紅燈與行人綠燈，保證礦山井下單向行車與雙向行人安全，為礦井狹窄巷道交通安全提供重要保障，防止發生礦山井下交通事故。該文基于礦山井下狹窄巷道施工背景，分析行人行車智能管控裝置的設計模式及實際應用，以期能夠為礦井安全施工提供技術保障。

關鍵詞：礦山井下；狹窄巷道；行人行車；智能管控裝置；交通安全

中圖分類號：TD525" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0138-04

Abstract： The intelligent control device for pedestrian driving in narrow tunnels underground is a pedestrian driving traffic light installed at the top of the entrances and exits at both ends of the narrow tunnel. The input end of the controller is connected to the driving geomagnetic sensor of the narrow tunnel， and the output end is connected to the driving red light and pedestrian green light， ensuring the safety of one-way and two-way pedestrians in the mine underground， providing important guarantees for traffic safety in narrow tunnels underground， and preventing traffic accidents in the mine. This article is based on the construction background of narrow tunnels in underground mines， analyzing the design mode and practical application of intelligent pedestrian driving control devices， in order to provide technical support for safe construction of mines.

Keywords： underground mine; narrow roadway; pedestrian driving; intelligent control device; traffic safety

在科技迅猛發展的現階段，智能控制裝置被廣泛用于各個行業中，例如交通控制、冶金鋼鐵以及汽車工業等，目前已升級為工業生產的調度指揮中心。然而，礦山井下350～380m的狹窄巷道、急彎及陡坡等特殊低端，因現有交通控制裝置無法應用，造成礦山井下狹窄巷道的車輛與行人難以同時通行，安全隱患非常大，若車輛進入巷道過程中，巷道兩側預留空間狹窄，導致行人無法避讓，極易發生安全事故[1]。所以，需要研發一種行車時無法通人，而行人時無法行車的智能管控裝置。本文提出井下狹窄巷道行人行車智能管控裝置，為礦井交通技術范疇，是具有較高通行效率、結構簡單以及安全可靠的一種行人行車交通控制裝置。

1" 礦山井下狹窄巷道交通管控背景技術

以往礦井下與封閉巷道交通管控裝置，大多選擇人工控制模式，或者將電子標簽安裝于礦車中，沿線裝置壓力傳感器或者射頻讀卡器等點狀分布的通信基站與位置傳感器，從而實現終端位置的智能化移動檢測，以達到連接通訊目標，對行車安全進行有效控制[2]。然而，人工控制通行效率相對較低，再加上很難消除人為因素對礦山井下交通安全產生的影響。壓力傳感器、射頻傳感器等通信控制，可以有效杜絕人工控制缺陷，但因礦山井下施工環境非常惡劣，而且穩定性不足，實用效率低，存在較大的維護難度。現有技術下的很多礦井主支巷道因各種因素制約，會產生狹窄巷道，而且狹窄巷道地形比較復雜，很容易產生超載、坡陡以及彎急等特殊狀況，會大大加大狹窄巷道中車輛與行人同時通行的難度，一方面通行效率較低，另一方面安全隱患也非常大[3]。車輛進入巷道過程中，巷道兩側預留空間距離十分狹窄，行人通行難度較大，極易引發礦山井下安全事故。隨著科技的發展，在冶金鋼鐵工業、交通控制、汽車工業等許多行業，其智能控制裝置被認為是工業生產的“大腦”和“調度”的核心，占有極其關鍵的地位，尤其是在礦井下的運用日益增多。礦井下的運輸控制裝置對礦井作業工人的人身安全和礦車的正常行駛具有很大的影響。事實表明，安全有效的礦山井下狹窄巷道行人行車智能交通控制裝置，一方面有助于車輛及人員的人身裝備安全，另一方面還能大大提升井下生產和運輸效率，更大程度地減少和避免礦井下發生交通安全事故。

2" 行人行車智能管控裝置

本文提出一種行人行車智能管控裝置，主要目的就是克服礦山井下狹窄巷道行人行車問題，該裝置主要包括殼體，是創設在殼體中的存儲器、微控制器、時鐘、氣壓傳感器、傳感信號接收器、CMOS開關、電源及行車電腦收發器等，主要特征在于，微控制器連接存儲器、時鐘、傳感信號接收器、CMOS開關、電源及行車電腦收發器。其中，CMOS開關連接車輛行車記錄儀，駕駛記錄裝置與 LCD顯示屏和揚聲器相連，駕駛計算機與汽車計算機相連，感知訊號接收裝置與汽車驅動軸系中的霍爾感應器相連，而網絡信號則與伺服器之間的信號經由無線網路相連[4]。為了方便，在汽車進入井下巷后，利用空氣壓力傳感器，霍爾傳感器向單片機傳送汽車的上行線和下行線的信息，來判定汽車的行駛車速是否超出了下行線的限制，如果汽車的車速超出了上下行線的限制，單片機就向行駛記錄裝置發射一個信號，使汽車的行駛車速達到了一定的上限，并將當前的速度、時間存儲到存儲器中，并利用Wi-Fi將存儲的相關數據和參數自動地上傳到服務器，以便監控車輛駕駛員。

單片機由STM32F103CBT6型單片機組成，單片機可與時鐘聯結，并經感應訊號接收端與車載驅動軸系的霍爾感應訊號聯結；鐘表使用PCF8563型的鐘表，以及CT357型的感測信號接收機，用于基于所收到的霍爾感應器的轉速信號和所述鐘表所記載的時段，來推算所述時段中的平均值；其計算公式：速度（km/h）=0.003×車輛傳動軸直徑（cm）×π/時間（s）。

單片機經駕駛計算機接收端與車輛計算機相連，可從駕駛計算機中讀出車輛的車速。所述微型控制器被連接到具有AT24C256型的存貯器，并且在運行速率的數值比預定速率的數值大時，所述微型控制器被判定為超速，并且在所述存貯器中存儲目前的時間和超速的數值。單片機由MG4953型CMOS轉換器與駕駛記錄裝置相連，由單片機控制操作駕駛記錄裝置。行車記錄儀與液晶顯示屏、喇叭和微控制器相聯系，微控制器將數據信息傳送到行車記錄儀，行車記錄儀將液晶顯示屏上的數據信息（例如速度信息等）進行傳送，并通過喇叭將聲音信息（例如超速提示音等）傳遞出去。單片機與BMP180型空氣壓力傳感器相連，實現了對空氣壓力的測量。電力供應裝置被用來為設備的整體工作供電。該單片機與一個網絡信號收發器相關聯，而該網絡信號收發器則是利用一種名為ESP-12S的Wi-Fi與該服務器的信號相聯系，在一輛正在運行的汽車，在其進入了一個特定的Wi-Fi的覆蓋區域之后，就可以利用Wi-Fi，把存儲在該區域內的速度和時間等信息，自動地上傳到該區域的服務器上來進行監控，從而避免了手動傳輸等問題[5]，如圖1所示。礦井窄巷中的人行交通智能化控制設備的應用，必須為每個汽車設定一個獨一無二的ID編號，以確保與相應的汽車配套。

本發明具有以下特點：借助空氣壓力傳感器、霍爾傳感器等，可以很容易地向單片機傳送汽車的上下方向的信號，從而在汽車駛入井下巷后，就可以對汽車行駛車速進行判定，并在汽車車速超出上下方向的限速數值時，單片機就會向行駛記錄器傳送訊號，并啟動揚聲器，以提醒汽車超速行駛，并將當前的速度、時間存儲到存儲器中。在車輛進入Wi-Fi覆蓋的區域之后，就可以利用Wi-Fi，將存儲器中存儲的速度、時間等相應數據及參數，自動上傳到服務器，這樣就方便了管理者對司機進行監督，避免了手工傳送等問題，從而提升了安全管理水平，防止道路交通意外，保證生產和運輸安全。

3" 設備功能

礦山井下狹窄巷道智能管控裝置的主要功能在于：①對每個路口的車輛、行人進行識別，并對交通流進行統計，對路口的交通信號燈進行智能化的控制，并使車輛有序行駛，不僅可以提升車輛的行駛效率，還可以減少交通事故的發生。②能夠對車輛進行分類，判斷是重型卡車還是載人卡車，或者是上坡的車輛，從而能夠對重型、載人和下坡的車輛進行優先放行。③辨別有無人通過的十字路口，在發現有人通過的情況下，十字路口的聲光報警裝置會發出聲音，提醒路人及駕駛員注意交通安全。④能夠識別行人和車輛闖紅燈的違規行為，在發生違規行為的時候，通過聲光報警來提示行人和駕駛員違規行為，并將違規信息上傳到地上，可以進行歷史違規行為的查詢。⑤對單車道的車流量進行控制，避免兩輛汽車在車道中會車而引起較大的安全性問題。⑥增加了對汽車超速的捕捉和對地區速度測量的擴充。

4" 礦山井下狹窄巷道行人行車智能管控裝置的設計

礦山井下狹窄巷道智能管控裝置，依照井下路口狀況，具體分為區間測速、巷道岔口以及單行巷道等多種應用場景。礦井狹窄巷道智能管控裝置主要用于智能化管控井下岔口紅綠燈，單行巷道紅綠燈控制主要用于控制出入口紅綠燈，而區間測速則主要用于控制巷道車輛限速。

4.1" 礦井狹窄巷道岔口紅綠燈管控

裝置分井上、井下2個大模塊，其中，井上模塊主要用于錄像、報警、數據記錄與顯示，并在需要時實現對井下交通信號燈的遙控操作。礦井下段是十字路口信號燈的中心，其能與上面段單獨工作，并能對十字路口的車流進行實時監測，從而實現對十字路口信號燈的自動控制。在需要的時候，還可以對交通信號燈進行手工的控制。在每一個十字路口，都會有2個安全攝像頭，1個交通信號燈，1個聲音報警。在十字路口的旁邊有攝影機，可以記錄來往的汽車以及穿過十字路口的情況，而另外一個攝像頭，則是距離十字路口最遠的地方，正好可以看到那幾輛車的行駛軌跡。

4.2" 區間測速

在要求限速的道路上，在起點各設置一臺本圖像處理（智能抓拍）攝影機，對經過的車輛展開拍攝，利用計算和測量的經過起點的時間，來判定該車輛是否超速，并對超速車輛進行警告和記錄。現場安裝了聲光報警及LED屏幕，提示駕駛員。

4.3" 裝置度量優點

利用視頻智能識別分析、智能識別和追蹤技術，智能控制井下膠輪車通行的交通信號燈，從而可以高效地完成對每個交通路口車輛、行人的識別和管理，智能管理交通信號燈路口秩序通行，這既可以提升裝置的運轉效率，又可以避免出現安全隱患。利用通訊協定，向管理伺服器提供交通信號燈的實時狀況，由AI管理服務器對交通信號燈的交通訊號進行分析，并經由該通訊協定向隔離與安全一體化接入網關發送交通信號燈的訊號；同時，按照預先設定好的每一個子程序，精確地輸出交通信號燈及聲光報警信號，從而確保礦井下的交通工具的高效運行及人身的安全。能夠辨別出哪些車是重型卡車，哪些是爬山車。該裝置能夠對有無人通過的十字路口進行判斷，在發現有人通過的情況下，十字路口的聲光報警裝置還能發出聲音，提醒行人及駕駛員注意交通安全。能夠識別行人和車輛違章闖紅燈的行為，在發生違章的時候，會第一時間使用十字路口的聲光報警裝置來提示行人和司機違章行為，并把違章信息上傳到地面。使用管理軟件對違規情況進行彈窗口展示，還可以對違規情況進行查詢。

5" 行人行車智能管控裝置的應用方式

該微處理器U2的30管腳和31管腳連接到該駕駛計算機的接收端，該微處理器U2用來讀取該駕駛計算機上的該旋轉速度和該速度信息。存儲部分使用了AT24C256單片機U5，其5管腳和6管腳分別連接到單片機的21管腳和22管腳上。在所算出的速率值比所述預定速率值大時，判定為超速，并在所述存儲器中寫入所述當前時刻和所述超速信息以進行存儲。CMOS切換電路 J的MG4953的晶片U6的第2和4管腳連接到單片機U2的42和43管腳，第7管腳連接到駕駛記錄器的電源切換控制上，如圖2所示。所述的網絡收發機使用了一個Wi-Fi網絡通訊器U3，該U3是ESP-12S型，該U3具有一個1管腳，一個21管腳和一個22管腳，以及一個11管腳和一個單片機U2；12個管腳，13個管腳連在一起，在行駛中的汽車進入特定的Wi-Fi覆蓋區域時，Wi-Fi會自動把存儲的速度和時間等信息通過Wi-Fi上傳到服務器監控，省去了手動傳送等繁瑣的工作。氣壓傳感器使用的是一種型號為BMP180的氣壓傳感器，其與微處理器的45管腳、46管腳相連接，氣壓傳感器每隔1 s就會對當前的大氣壓強進行采集，如果氣壓值逐漸升高，那么就會判定車輛處于下坡狀態。如果壓力值逐步降低，就可以判定汽車是在上坡行駛。根據上下行車狀況，比較目前行車速度有無超出設定限速，井下巷道一般采用20 km/h的下行限速，30 km/h的上行限速，確保井下巷道行車安全。時鐘電路使用的是PCF8563的時鐘芯片U4，其中的5管腳、6管腳與微控制器的27管腳、28管腳相連接，其被用來采集時鐘的運行信號，并用來提供整個設備的工作用電。

6" 效益分析

礦井下狹窄巷道智能監控設備的主要功能是依靠相機監測及智能化的分析計算，成本低、安裝方便及工作穩定。該設備不但對交通信號燈進行了智能化改造，還大大提高了地下交通監控設備的性能。改善礦井下的運輸安全，提升礦井運輸的效率。使礦井的勞動強度大幅度下降，從而使礦井的運力得到了極大的提升。

7" 結束語

總而言之，礦洞里都是坑洞，光線很弱，遇到人和車，根本找不到躲避的地方。而且礦工們在和其他車輛擦肩而過時，幾乎沒有閃避的余地，因此必須將其他車輛分開。在礦山，“車不能人”的智能監視器，可以對礦山狹窄巷道的路面進行實時監控，如果有一輛礦車和一輛礦車在同一個十字路口，監視器會第一時間向行人示警，提醒其避開，并提醒駕駛員小心開車，以免傷害到其他人。

參考文獻：

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