礦用電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)技術(shù)研究

梅 東

（平煤股份八礦 河南 平頂山 467012）

1 基本概況

井下運(yùn)輸大巷是礦井運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，大巷運(yùn)輸安全是煤礦安全生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)。 八礦井下運(yùn)輸大巷全長為19400米，分為東、西兩翼運(yùn)輸大巷。 東翼主要包括丁一、己三、己三擴(kuò)大采區(qū)；西翼主要包括戊二、戊一、己二、戊四、己四下延采區(qū)。 除戊二、丁一采區(qū)由膠帶機(jī)輸送原煤以外，其他采區(qū)出煤系統(tǒng)都依賴電機(jī)車往返式輸送。

目前，八礦大巷運(yùn)輸主要依賴于泄露電纜語音通訊系統(tǒng)和KJ15A 礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。泄露電纜語音通訊系統(tǒng)是由地面敷設(shè)一根泄露電纜， 在井下沿運(yùn)輸大巷分為東西兩段，組成專用語音通訊線路。 KJ15A 礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)是2003 年由合肥工大負(fù)責(zé)調(diào)試安裝， 它是集散式工業(yè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以二級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，該系統(tǒng)由地面敷設(shè)一根四芯通信電纜，用于掛接井下分站，每根最多可以掛接16臺(tái)分站，目前八礦井下分為三個(gè)區(qū)域，共計(jì)安裝分站20 臺(tái)。

2 現(xiàn)狀分析

近年來，隨著煤炭市場的持續(xù)高漲，井下大巷運(yùn)輸越來越繁重，通常采取增加運(yùn)輸車輛和車次的方式，但是井下礦車的滯留、損壞礦車數(shù)量的不確定等因素，直接導(dǎo)致礦車?yán)寐实?，運(yùn)輸原煤量下降；或者采用提高車速等措施來應(yīng)對(duì)，但是，也帶來了許多不利因素和安全隱患。 最嚴(yán)重的是因?yàn)殡姍C(jī)車司機(jī)注意力不集中，反應(yīng)遲鈍，觀察判斷失誤或疲勞瞌睡，不負(fù)責(zé)任以及道岔錯(cuò)位、誤打道岔等原因，大巷軌道運(yùn)輸電機(jī)車迎面相撞和追尾事故時(shí)有發(fā)生，特別是迎面相撞事故由于極大的動(dòng)力和慣性，造成的后果非常嚴(yán)重，可能會(huì)損毀軌道、路基、車輛和運(yùn)送的設(shè)備，甚至造成冒頂、塌方、火災(zāi)等事故，若運(yùn)送人員的車輛相撞后果更為嚴(yán)重，將造成大量人員受傷。

3 總體設(shè)計(jì)與研究

3.1 總體設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)由地面中心站、無線射頻卡、防爆兼本安電源、傳輸電纜、防追尾聲光報(bào)警器、測(cè)速傳感器、超聲波傳感器、電壓電流互感器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)等組成。

地面中心站主要由系統(tǒng)主機(jī)、UPS 電源、 監(jiān)視器或大屏幕、數(shù)據(jù)服務(wù)器等構(gòu)成。 系統(tǒng)主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、記錄、顯示及打印，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)、功能進(jìn)行設(shè)置；系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備份結(jié)構(gòu)、配置UPS 電源，從而實(shí)現(xiàn)不間斷工作，監(jiān)視器或大屏幕用于顯示網(wǎng)絡(luò)攝像儀接收到的圖像，數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)視頻和數(shù)據(jù)。 同時(shí)，系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)功能，在調(diào)度室、總工程師室、礦領(lǐng)導(dǎo)辦公室等地的客戶端計(jì)算機(jī)可通過局域網(wǎng)接入系統(tǒng)查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，檢索、打印歷史數(shù)據(jù)；同時(shí)，系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)信息傳送到上一級(jí)管理機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)井下部分主要包括、防爆兼本安電源、傳輸電纜、防追尾聲光報(bào)警器、測(cè)速傳感器、超聲波傳感器、電壓電流互感器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。 防追尾聲光報(bào)警器安裝在機(jī)車控制室，當(dāng)遇到紅燈、與其他機(jī)車過近、速度過快時(shí)，報(bào)警器能發(fā)出報(bào)警并采取相應(yīng)的制動(dòng)措施； 無線射頻卡負(fù)責(zé)接受井下人員，礦車的數(shù)據(jù)交換、協(xié)議轉(zhuǎn)換；測(cè)速傳感器、超聲波傳感器、電壓電流互感器具體安裝位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況決定。 系統(tǒng)工作過程中，無線射頻卡將接收到的車輛標(biāo)識(shí)卡ID 號(hào)碼、機(jī)車防追尾報(bào)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)工業(yè)環(huán)網(wǎng)上傳至調(diào)度室地面中心站，數(shù)據(jù)服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)信息寫入統(tǒng)一SQL 數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，為管理人員查詢與管理提供服務(wù)。

1）設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想：本設(shè)計(jì)方案力求在現(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)、信集閉系統(tǒng)條件下，將礦機(jī)車的監(jiān)測(cè)、防相撞、防闖紅燈、防追尾、防倒車誤行、防超速脫軌等功能融合進(jìn)來，形成一個(gè)礦井大巷軌道運(yùn)輸安全綜合保障系統(tǒng)，達(dá)到資源共享的目的。 使八礦大巷軌道運(yùn)輸?shù)陌踩岣咭粋€(gè)層次，能有效防止一些事故的發(fā)生，以及事故發(fā)生后能及時(shí)得到當(dāng)時(shí)的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，對(duì)找出事故原因及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)提供數(shù)據(jù)支持。

2）設(shè)計(jì)的目的：針對(duì)八礦大巷軌道機(jī)車、礦車數(shù)量多，流量大，人員相對(duì)密集和乘車點(diǎn)分散等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出礦井大巷軌道運(yùn)輸安全綜合保障系統(tǒng)，保障大巷軌道運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

3）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：

（1）簡便性，在不需要鋪設(shè)大量的線纜的情況下，保證數(shù)據(jù)的有效傳輸；

（2）靈活性和適應(yīng)性，外界的環(huán)境和需求是在不斷的變化的，系統(tǒng)要能盡快適應(yīng)這種改變，而不需要重新在開發(fā)；

（3）一致性和完整性，一致性是指系統(tǒng)中信息編碼、采集、信息通信具備一致的標(biāo)準(zhǔn)；完整性是指系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的整體而存在，系統(tǒng)功能盡量完整；

（4）可靠性，保證系統(tǒng)硬件軟件的正常運(yùn)行；

（5）經(jīng)濟(jì)性，最大限度的節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)的開支。 將能利用的資源都盡量用上，組織協(xié)調(diào)好各個(gè)部門的職責(zé)，共同配合完成。

3.2 實(shí)現(xiàn)功能

1）防闖紅燈

與信集閉系統(tǒng)相結(jié)合， 當(dāng)紅燈閉鎖時(shí)可以輸出報(bào)警，在司機(jī)強(qiáng)行闖紅燈時(shí)控制機(jī)車斷電停車， 實(shí)現(xiàn)防闖紅燈功能。采用紅綠燈檢測(cè)傳感器作為防闖紅燈的信號(hào)采集部分，數(shù)據(jù)處理的核心采用嵌入式ARM7 處理器，采用數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊與信集閉系統(tǒng)分站通信。 當(dāng)機(jī)車接近紅燈位置時(shí)信集閉系統(tǒng)分站發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊接收，接收后的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)ARM7 處理器數(shù)據(jù)運(yùn)算處理得出的結(jié)果與紅綠燈傳感器采集的紅綠燈信號(hào)比較。 如果是可以允許機(jī)車通過的綠燈信號(hào)，輸出控制信號(hào)為低電平信號(hào)。 如果是禁止機(jī)車通過的紅燈信號(hào)，輸出控制信號(hào)為高電平，輸出的高電平控制信號(hào)再控制開關(guān)量或者電壓、電流器件使機(jī)車斷電剎車。

2）防追尾、防相撞

用嵌入式ARM7 通過射頻通訊模塊對(duì)周邊機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的、快速的檢測(cè)，在距離判別后進(jìn)行輸出報(bào)警，從而為機(jī)車的安全運(yùn)行提供了安全保障。 報(bào)警器單車時(shí)，可以顯示本車的車號(hào)。 當(dāng)機(jī)車在同一巷道中有其他車輛靠近時(shí)，循環(huán)顯示其它車輛的車號(hào)，報(bào)警器紅燈閃爍,并自動(dòng)發(fā)出“機(jī)車靠近，注意安全”的語音提示；當(dāng)同軌道的兩輛機(jī)車靠近時(shí)射頻模塊在發(fā)射信號(hào)的同時(shí)也接收到一組信號(hào)數(shù)據(jù)。 處理器將這組數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理后輸出兩路控制信號(hào)，一路控制語音電路發(fā)出報(bào)警提示，另一路經(jīng)光耦隔離后輸出隨電機(jī)車速度快慢變化的頻率信號(hào)來控制電機(jī)車變頻器。 當(dāng)同軌道的機(jī)車靠近后迫使電機(jī)車減速防止電機(jī)車追尾。 行駛在兩條軌道上的電機(jī)車、 電機(jī)車上的防追尾信號(hào)通訊頻率是不一樣的，是不報(bào)警的。 當(dāng)行駛在兩條軌道上的電機(jī)車轉(zhuǎn)向同一條軌道的道岔位置時(shí)、電機(jī)車防追尾信號(hào)的光電傳感器被安裝在道岔位置的發(fā)射器觸發(fā)。 光電傳感器接收的的信號(hào)經(jīng)濾波、隔離、整形后送給ARM7 處理器。 處理器處理后輸出一路控制信號(hào)、 控制射頻模塊改變成同一軌道上的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙軌機(jī)車在單軌上的防追尾、防相撞功能。 達(dá)到人車安全的目的。

3）防超速脫軌

報(bào)警器采用高性能霍爾傳感器可對(duì)機(jī)車的運(yùn)行速度進(jìn)行連續(xù)快速的檢測(cè)，速度超過設(shè)定值時(shí)，控制輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)警且輸出點(diǎn)控制機(jī)車調(diào)速器以達(dá)到降低車速。 當(dāng)機(jī)車?yán)^續(xù)靠近行駛至危險(xiǎn)距離時(shí)報(bào)警器可自動(dòng)觸發(fā)，報(bào)警器有多組報(bào)警觸點(diǎn)輸出，外加一機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)用以控制帶動(dòng)氣剎制動(dòng)閥拉臂動(dòng)作，使制動(dòng)閥上、下兩腔的進(jìn)氣口分別與本腔的出氣口相通，使儲(chǔ)氣筒前、后腔的空氣分別通過制動(dòng)閥的上、下腔進(jìn)入后、前制動(dòng)氣室，從而促進(jìn)制動(dòng)器進(jìn)入工作，此可做為電機(jī)車氣剎控制，控制機(jī)車在危險(xiǎn)距離實(shí)施剎車的目的。

電機(jī)車行駛時(shí)安裝在電機(jī)車輪上的高強(qiáng)磁鐵不斷掃過霍爾傳感器。 霍爾傳感器接收的脈沖信號(hào)經(jīng)濾波、隔離、整形后送給ARM7 處理器。 處理器計(jì)算處理后輸出一路頻率信號(hào)和多路報(bào)警電壓信號(hào)，報(bào)警信號(hào)可接繼電器蜂鳴器，頻率信號(hào)可控制電機(jī)車調(diào)速。

4）防倒車誤行

采用溫濕度傳感器補(bǔ)償?shù)母呔瘸暡y(cè)距傳感器，距離可調(diào),可同步顯示周邊物體距離，讓機(jī)車司機(jī)可放心安全倒車。 防追尾報(bào)警器防撞功能顯示器裝在機(jī)車司機(jī)可看到的位置，探頭安裝在機(jī)車尾部及周圍，當(dāng)機(jī)車一進(jìn)入倒車狀態(tài)，防追尾報(bào)警器自動(dòng)觸發(fā)，防撞功能模塊開始工作，機(jī)車周圍各探頭以45 度角輻射，上下左右搜尋目標(biāo)，同時(shí)模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)處理返回的信號(hào)，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，以數(shù)字形式顯示在防追尾報(bào)警器防撞功能顯示器上，它不停地提醒司機(jī)車距后面物體還有多少距離，到危險(xiǎn)距離時(shí)，蜂鳴器就開始鳴叫，讓司機(jī)停車。

5）機(jī)車定位及軌跡跟蹤

能夠?qū)聶C(jī)車的分布情況、分布區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全礦井井下機(jī)車總數(shù)、各個(gè)工作地點(diǎn)機(jī)車總數(shù)、其他區(qū)域機(jī)車總數(shù)；

能夠?qū)聶C(jī)車行進(jìn)路線進(jìn)行跟蹤記錄，生成歷史行進(jìn)軌跡。

6）機(jī)車統(tǒng)計(jì)

能夠精確統(tǒng)計(jì)機(jī)車運(yùn)行過程中的車速、車號(hào)、司機(jī)姓名、運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流等數(shù)據(jù)，并可按各種條件生成多種靈活的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。 同時(shí)，將依據(jù)系統(tǒng)報(bào)警信息，生成闖紅燈和機(jī)車違章報(bào)表，使管理人員對(duì)井下車輛的運(yùn)行情況有更全面的了解，通過管理頁面還可以直觀的看到車輛運(yùn)行狀態(tài)，是否違章行車等信息。

4 結(jié)論

隨著井下機(jī)械化不斷的提高， 巷道的延伸越來越長，不可避免的要鋪設(shè)軌道來運(yùn)輸人力、物力，對(duì)礦機(jī)車的運(yùn)輸安全保障提出了更高的要求。 根據(jù)目前八礦大巷軌道運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀、 運(yùn)輸危險(xiǎn)地段和人員相對(duì)密集的乘車點(diǎn)分散的特點(diǎn)，對(duì)礦井大巷運(yùn)輸安全進(jìn)行研究，以確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率，給八礦帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。 因此本項(xiàng)目的各項(xiàng)研究預(yù)期成果在目前和未來具有廣闊的市場前景。

礦機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)技術(shù)研究借助人員定位無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車定位、計(jì)數(shù)、軌跡追蹤等管理功能；將數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為管理者提供全面服務(wù)。 同時(shí)，防護(hù)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有信集閉系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充，真正實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化，極大地提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和智能化水平，使礦井大巷軌道運(yùn)輸獲得更安全的保證。