黑山鐵礦智能運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)研究

劉云華 曾 莉 趙淑芳 張海梁

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，河北 唐山 063000）

目前黑山鐵礦每天出礦約6 000～7 000 t，占選廠加工能力79%，供礦不足是制約黑山鐵礦生產(chǎn)的主要因素。黑山鐵礦的主要運(yùn)輸方式為機(jī)車軌道運(yùn)輸（-580 m平硐），平硐內(nèi)軌道分布廣泛且交錯(cuò)復(fù)雜，廢棄軌道較多，車輛裝礦運(yùn)輸為單向折返運(yùn)輸，配礦及調(diào)度困難，極易發(fā)生電機(jī)車相撞、追尾等事故，一旦發(fā)生事故會(huì)在長時(shí)間內(nèi)影響整個(gè)平硐的運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)。同時(shí)隨著后期Ⅱ采場(chǎng)轉(zhuǎn)井下，采掘運(yùn)輸任務(wù)也將不斷增加，黑山-580 m平硐運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸機(jī)車的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速調(diào)度也提出了更高的要求。因此針對(duì)黑山鐵礦現(xiàn)有的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一套軌道運(yùn)輸智能調(diào)度系統(tǒng)對(duì)提高機(jī)車運(yùn)輸效率和運(yùn)輸安全是十分必要的。

針對(duì)該礦軌道運(yùn)輸效率偏低、通信不暢以及存在的安全隱患等問題，利用無線通信與人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)以及機(jī)車優(yōu)化調(diào)度算法策略實(shí)現(xiàn)了軌道運(yùn)輸?shù)闹悄苷{(diào)度、監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：基于PLC技術(shù)的底層邏輯控制系統(tǒng)；采用紅綠交通燈及警報(bào)裝置的交通管制系統(tǒng)；基于WiFi無線傳輸技術(shù)的駕駛員指令系統(tǒng)；基于信標(biāo)的車輛定位系統(tǒng)以及運(yùn)量統(tǒng)計(jì)等。

1 系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

黑山鐵礦智能運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)對(duì)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性具有較高要求，同時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該滿足數(shù)據(jù)傳輸帶寬的最低需要，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及數(shù)據(jù)類型采用如圖1的通信網(wǎng)絡(luò)布局。

系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)由3部分組成，其中現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過光纖自愈環(huán)網(wǎng)交換機(jī)組成自愈環(huán)網(wǎng)，視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立千兆光纖網(wǎng)絡(luò)，3個(gè)不同功能與劃分的網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行融合，并最終全部在調(diào)度監(jiān)控中心融入核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫融合纜［1］。

（1）現(xiàn)場(chǎng)控制環(huán)網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及故障自愈，光纖交換機(jī)支持DT-Ring、DTRing+，環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間＜50 ms，具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，采用單模光纖通信。

（2）無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要功能是實(shí)現(xiàn)運(yùn)行機(jī)車與調(diào)度中心的實(shí)時(shí)通信，無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋機(jī)車運(yùn)行的所有路徑，通信網(wǎng)絡(luò)由車載WiFi基站及軌道沿線的WiFi基站組成，軌道沿線WiFi基站之間通過光纖以手拉手的方式進(jìn)行連接，車載WiFi基站通過無線的方式與軌旁基站進(jìn)行連接。

（3）視頻監(jiān)控主要安裝在裝載站、卸載站、調(diào)車場(chǎng)及運(yùn)輸軌道沿線，每個(gè)裝載站安裝1臺(tái)具有云臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)用來檢查裝載區(qū)域軌道情況，為調(diào)度人員、機(jī)車司機(jī)和裝載人員提供實(shí)時(shí)裝載圖像?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的所有攝像機(jī)均通過光纖傳輸至調(diào)度監(jiān)控中心視頻服務(wù)器。

2 系統(tǒng)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

該調(diào)度系統(tǒng)由-580 m平硐調(diào)度中心集中控制。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過基于實(shí)時(shí)精確定位的移動(dòng)閉塞技術(shù)、優(yōu)先權(quán)、信號(hào)燈以及自動(dòng)道岔等手段通過最優(yōu)計(jì)算方法與PLC程序?qū)C(jī)車進(jìn)行調(diào)度控制。其中基于實(shí)時(shí)精確定位的移動(dòng)閉塞技術(shù)，可防止發(fā)生正面沖突和追尾事故，用空間間隔控制方式指揮駕駛員控制列車運(yùn)行；優(yōu)先權(quán)點(diǎn)的設(shè)置可使各個(gè)車輛根據(jù)各個(gè)數(shù)據(jù)片段的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行優(yōu)先權(quán)最大化的啟發(fā)式模擬調(diào)度，選取優(yōu)先權(quán)和最優(yōu)化的調(diào)度模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)間進(jìn)路的最優(yōu)管控，多種手段在保證快速運(yùn)輸安全的前提下，提高黑山鐵礦多列機(jī)車的運(yùn)輸效率最大化［2-4］。

該系統(tǒng)主要采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法：該方法在求解問題時(shí)，將整個(gè)運(yùn)輸情況劃分為不同的區(qū)段（如圖2），各個(gè)區(qū)段之間存在相互聯(lián)系，根據(jù)各個(gè)區(qū)段的信息，逐段遞推得到最優(yōu)解，基本原則如下：

（1）當(dāng)穿脈內(nèi)進(jìn)入4輛列車時(shí)，搬岔房內(nèi)信號(hào)燈一直為紅，搬岔房外空車必須進(jìn)行等待。

（2）當(dāng)多列重車同時(shí)運(yùn)出時(shí)，實(shí)時(shí)比對(duì)各機(jī)車到達(dá)公共段交叉點(diǎn)的時(shí)間，用時(shí)最少者先行，后者在優(yōu)先權(quán)極限點(diǎn)停車等待（特殊情況，用時(shí)相等時(shí)，編號(hào)前者先行）；當(dāng)多列空車同時(shí)進(jìn)入時(shí)，依次就近進(jìn)入穿脈，滿足區(qū)間閉塞即可。移動(dòng)閉塞原理是基于區(qū)間閉塞原理發(fā)展起來的一種閉塞技術(shù)，它與固定閉塞技術(shù)相比，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是取消了以信號(hào)機(jī)分隔的固定閉塞區(qū)間。列車間的最小運(yùn)行間隔距離由列車在線路上的實(shí)際運(yùn)行位置和運(yùn)行狀態(tài)確定，所以閉塞區(qū)間隨著列車的行駛，不斷地向前移動(dòng)和調(diào)整，稱為移動(dòng)閉塞。本項(xiàng)目中列車長度為A，根據(jù)項(xiàng)目中空載列車實(shí)際剎車制動(dòng)距離，預(yù)留安全距離60 m，即空車運(yùn)行時(shí)，車頭和車尾分別預(yù)留60 m安全距離，隨著列車移動(dòng)行進(jìn)，閉塞區(qū)間隨列車移動(dòng)。同理，當(dāng)列車為重載時(shí)，車頭和車尾分別預(yù)留70 m安全距離。

（3）因空車進(jìn)入方式為推，重車開出的方式為拉，為統(tǒng)一位置，優(yōu)先權(quán)點(diǎn)計(jì)算全部以車頭信標(biāo)為準(zhǔn)。

（4）重車與空車需要錯(cuò)車時(shí)，通過實(shí)時(shí)對(duì)比計(jì)算，以公共段為基準(zhǔn)，用時(shí)最少者先行（特殊情況，用時(shí)相等，重車先行，重車按照序號(hào)排序）。

由于黑山特殊的運(yùn)輸情況，機(jī)車優(yōu)先權(quán)點(diǎn)的計(jì)算，只涉及到當(dāng)多列機(jī)車同時(shí)通過公共區(qū)段時(shí)，確定哪列機(jī)車先行的問題。所以此時(shí)只需按照公共段③、⑦、⑨進(jìn)行分類即可，具體分析計(jì)算舉例如下：

例如：機(jī)車公共段為⑨時(shí)，如何確定重車優(yōu)先權(quán)和空車優(yōu)先權(quán)。

通過軟件系統(tǒng)計(jì)算空車優(yōu)先權(quán)極限點(diǎn)設(shè)置在距離岔口79 m，重車優(yōu)先權(quán)極限點(diǎn)設(shè)置在距離岔口60 m?？刂埔螅寒?dāng)機(jī)車可以進(jìn)入時(shí)，按照通行時(shí)間最小原則，控制機(jī)車通行；通行時(shí)間最小者先行，后者按照信號(hào)燈指示在等待地點(diǎn)等待；同時(shí)已進(jìn)入車輛數(shù)量達(dá)到4輛后，所有空車一直處于搬岔房等待區(qū)域，停止數(shù)據(jù)比對(duì)［5-7］。

當(dāng)重車與空車同時(shí)經(jīng)過公共段時(shí)，需考慮列車員反應(yīng)時(shí)間、列車減速停車時(shí)間、列車剎車距離等進(jìn)行測(cè)算，通過時(shí)時(shí)比對(duì)兩列車通過公共區(qū)域時(shí)間，通過計(jì)算兩列車分別通過公共段時(shí)間，以通過時(shí)間最短的列車優(yōu)先通行為準(zhǔn)則，另一列列車減速慢行至停車。當(dāng)空車進(jìn)入1#、2#、3#、4#、5#穿脈，按照占位原則，就近進(jìn)入穿脈裝車；重車用時(shí)相等時(shí)，按照序號(hào)前后先行。

該系統(tǒng)確定了礦井機(jī)車優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)，并根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件建立了礦井機(jī)車的運(yùn)輸調(diào)度模型，構(gòu)建了基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的運(yùn)輸調(diào)度求解模型，通過分析結(jié)果表明該算法的機(jī)車運(yùn)輸調(diào)度，能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)車的運(yùn)行。

3 系統(tǒng)模型搭建與驗(yàn)證

針對(duì)具有優(yōu)先權(quán)的重、空車排隊(duì)，錯(cuò)車等情況以及自動(dòng)運(yùn)行程序，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了物理模型的搭建如圖3。

底層控制：在該系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)軌道、信息采集、信息傳輸以及交通控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)依靠于現(xiàn)場(chǎng)控制LAN網(wǎng)和無線環(huán)網(wǎng)WLAN網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。主控制系統(tǒng)采用PLC控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)道岔、軌道交通信號(hào)控制、車輛自動(dòng)啟停、車輛位置輔助定位以及報(bào)警等控制。車載設(shè)備包括通信設(shè)備箱、車載電源系統(tǒng)、信標(biāo)識(shí)別器、觸摸顯示屏、車載攝像機(jī)及傳感器等。其中通信設(shè)備箱內(nèi)設(shè)WiFi基站及交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)車載觸摸顯示屏、攝像機(jī)與上位機(jī)的無線通信。信標(biāo)識(shí)別器負(fù)責(zé)讀取軌旁定位信標(biāo)，并將信標(biāo)信息傳輸給PLC；傳感器主要采集機(jī)車運(yùn)行的速度、電氣參數(shù)等數(shù)據(jù)。利用PM Designer完成了機(jī)載觸摸屏的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，通過監(jiān)控界面讓司機(jī)實(shí)時(shí)了解自己機(jī)車和其他機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)、位置等。同時(shí)根據(jù)軌道運(yùn)輸智能監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)功能的要求，完成基于西門子STEP7 V13編程軟件的PLC控制程序設(shè)計(jì)，部分控制系統(tǒng)I/O分配如表1。

現(xiàn)場(chǎng)控制分站（如圖4）連接，控制主站與車載顯示設(shè)備連接。主站與地面調(diào)度室監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET通訊，主站與控制分站采用PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，可實(shí)現(xiàn)可靠且安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸［8-10］。

行車管理系統(tǒng)：行車管理系統(tǒng)由-580 m調(diào)度中心內(nèi)專職調(diào)度員來進(jìn)行管理，調(diào)度員根據(jù)配礦信息、車輛運(yùn)行情況等，負(fù)責(zé)全部運(yùn)輸訂單的下達(dá)、分配裝載站以及管理運(yùn)輸系統(tǒng)的維護(hù)指令等。行車管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，利用WINCC完成了用戶登錄界面、機(jī)車監(jiān)控顯示界面、機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢界面等的設(shè)計(jì)。

作為列車中央控制中心，可根據(jù)來自各車載信息的請(qǐng)求進(jìn)行搜索，為某車輛計(jì)算出車輛行駛通行的具體時(shí)間、錯(cuò)車信息等，向司機(jī)通報(bào)關(guān)于所請(qǐng)求開車、路徑狀態(tài)的信息。如果滿足開車條件，行車系統(tǒng)將鎖定路徑，或者激活區(qū)域，在給定的前進(jìn)路徑范圍內(nèi)進(jìn)行授權(quán)。行車管理系統(tǒng)的主要功能：①接收和處理來自于車載信息或者交通控制模塊的信息；②執(zhí)行安全相關(guān)功能（例如：為了車輛移動(dòng)而鎖定和解鎖進(jìn)路及調(diào)車區(qū)域）；③控制和監(jiān)控對(duì)象控制器；④向車載信息終端傳輸各個(gè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)；⑤編寫指令，例如交通信號(hào)燈控制指令、岔軌的控制等；⑥在發(fā)生異常情況時(shí)，生成警報(bào)信息，并傳輸至各個(gè)車載觸摸屏并顯示。

4 結(jié) 論

通過該系統(tǒng)物理模型的實(shí)際運(yùn)行，證明此項(xiàng)研究對(duì)于軌道運(yùn)輸效率的提高有著重要意義。目前黑山鐵礦每天出礦約6 000～7 000 t，每班出礦約30列車左右，占選廠加工能力的79%；通過模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行計(jì)算，每班實(shí)際出礦列車數(shù)量可實(shí)現(xiàn)38列，運(yùn)輸效率可提高26.7%左右，完全滿足了選廠的加工能力。此系統(tǒng)不僅能夠提高黑山鐵礦井下運(yùn)輸效率、保障運(yùn)輸安全，且能向其他采用軌道運(yùn)輸?shù)牡叵碌V拓展，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，未來也將逐漸成為井下運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)礦山智能化建設(shè)具有重要意義。

目前，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的物理模擬運(yùn)行和實(shí)際運(yùn)行還存在著一定差距，有待于項(xiàng)目具體實(shí)施后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)一步模擬，發(fā)現(xiàn)問題并持續(xù)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)井下礦山有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性與效率最大化。