煤礦無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李寧波

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033100）

1 概 況

無軌膠輪車與有軌運(yùn)輸方式相比較具有很大優(yōu)勢(shì)，在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但煤礦巷道存在路面不平整、視線不好、比較狹窄等不利因素，對(duì)無軌膠輪車的運(yùn)行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如果車輛行駛調(diào)度不當(dāng)，輕則導(dǎo)致車輛在井下發(fā)生碰撞，影響煤礦正常生產(chǎn)，重則引發(fā)嚴(yán)重的煤礦安全生產(chǎn)事故，造成人員傷亡。設(shè)計(jì)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)井下所有無軌膠輪車進(jìn)行安全調(diào)度，是保障車輛行駛安全的有效措施和手段。針對(duì)該問題，結(jié)合木瓜煤礦巷道實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究了無軌膠輪車的調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)踐中取得了良好效果。

2 無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案

設(shè)計(jì)的木瓜煤礦無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體方案如圖1所示。系統(tǒng)整體上由3大部分構(gòu)成，分別為井上調(diào)度中心、井下檢測(cè)基站和通信系統(tǒng)。井下檢測(cè)基站主要由攝像頭、信號(hào)燈、接受節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成，作用是對(duì)井下所有運(yùn)行的無軌膠輪車狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行收集，也收集信號(hào)燈狀態(tài)信息和關(guān)鍵路口的視頻監(jiān)控信息。井上調(diào)度中心主要由服務(wù)器、監(jiān)控大屏、控制器等構(gòu)成，作用是將井下采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和挖掘，判斷無軌膠輪車的具體位置，結(jié)合煤礦巷道實(shí)際情況對(duì)車輛進(jìn)行科學(xué)、安全調(diào)度，避免車輛在巷道中發(fā)生碰撞。通信系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)基站與調(diào)度中心之間的數(shù)據(jù)通信連接。

圖1 無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體方案Fig.1 The overall scheme of trackless rubber-tyred vehicle scheduling system

2.2 定位原理

考慮到無軌膠輪車工作時(shí)處于實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接受節(jié)點(diǎn)之間通訊通過無線方式。發(fā)射節(jié)點(diǎn)安裝在無軌膠輪車身上，每輛車配置一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，且具有唯一的編號(hào)。接受節(jié)點(diǎn)以一定的間距安裝在煤礦巷道中。調(diào)度系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)以一定的頻率將帶編號(hào)和位置的信息向外發(fā)射，附近的接受節(jié)點(diǎn)會(huì)獲取這些信息，并傳輸?shù)秸{(diào)度中心的控制器中進(jìn)行分析，判斷車輛的具體位置。

3 無軌膠輪車的調(diào)度過程分析

井下的定位系統(tǒng)加上接受指令控制的信號(hào)燈共同構(gòu)成了調(diào)度系統(tǒng)。無軌膠輪車調(diào)度過程如圖2所示。在巷道中每間隔一段距離設(shè)置避車硐室，硐室兩側(cè)均布置有信號(hào)燈，2個(gè)硐室之間的區(qū)域稱為行車區(qū)間。當(dāng)車輛行駛至一個(gè)避車硐室時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)判斷前方行車區(qū)間內(nèi)是否有車輛行駛，如果沒有則本車輛可以直接進(jìn)入前方行車區(qū)間；如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)前方行車區(qū)間內(nèi)有車輛行駛且方向與本車輛相反，則本車輛進(jìn)入避車硐室進(jìn)行避讓；如果前方行車區(qū)間內(nèi)有車輛行駛且行駛方向相同，為了與前方車輛保持安全距離，此時(shí)信號(hào)燈亮紅燈，本車輛停車等待前方駛出行車區(qū)間后，信號(hào)燈亮綠燈，本車輛方可駛?cè)肭胺叫熊噮^(qū)間。

圖2 無軌膠輪車調(diào)度過程Fig.2 Scheduling process of trackless rubber-tyred vehicle

另外，在巷道中的一些關(guān)鍵部位，比如坡度較大、急拐彎的地方，設(shè)置防爆高清攝像頭，調(diào)度中心的工作人員可以實(shí)時(shí)觀察關(guān)鍵部位的現(xiàn)場(chǎng)情況。如有特殊情況，調(diào)度人員可以通過語音對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行喊話或者對(duì)這些位置的信號(hào)燈進(jìn)行手動(dòng)控制，保障無軌膠輪車的行車安全。

4 調(diào)度系統(tǒng)主要硬件選型

4.1 處理器的選型

處理器是調(diào)度系統(tǒng)的核心，所有的數(shù)據(jù)都需要通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教幚砥髦羞M(jìn)行分析和處理。CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后給出對(duì)應(yīng)的決策，并下達(dá)控制指令對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制。結(jié)合木瓜煤礦實(shí)際情況，選用西門子S7-200控制器，該型號(hào)控制器在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，具有良好的性能和穩(wěn)定性，編程方便、通用性強(qiáng)，且有非常豐富的I/O接口，可以與多種型號(hào)的其他硬件設(shè)施進(jìn)行連接，確保了調(diào)度系統(tǒng)的可拓展性。該型號(hào)的CPU模塊中已經(jīng)集成有以太網(wǎng)和RS485接口，可以實(shí)現(xiàn)多種形式的數(shù)據(jù)通信。

4.2 定位模塊的選型

定位模塊包括發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)基于Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，使用的芯片型號(hào)為CC2530，該芯片中同時(shí)包含有信號(hào)的收發(fā)功能，發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)都可以使用該型號(hào)芯片，提升了整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備的兼容性，規(guī)避了由于硬件之間不兼容導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。CPU信號(hào)為8051，性能滿足實(shí)際需要。CC2530型號(hào)芯片具有良好的抗干擾能力，適合使用在煤礦巷道比較復(fù)雜的工作環(huán)境中，靈敏度高，可以獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果，同時(shí)支持RSSI定位算法，簡(jiǎn)化了整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。無軌膠輪車定位模塊通信如圖3所示。

圖3 無軌膠輪車定位模塊通信Fig.3 Communication of trackless rubber-tyred vehicle positioning module

4.3 交換機(jī)的選型

交換機(jī)是通信系統(tǒng)中的重要構(gòu)成部分，是井上與井下之間的聯(lián)絡(luò)站，井下不同位置的檢測(cè)基站都需要通過工業(yè)以太網(wǎng)的形式與核心交換機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)與地面調(diào)度中心的連接。本系統(tǒng)選用的是KJJ18本質(zhì)安全型交換機(jī)，設(shè)備正常使用環(huán)境溫度0～40℃，濕度需要控制在95%范圍內(nèi)，大氣壓力需要控制在80～100 kPa。KJJ18型號(hào)設(shè)備可以同時(shí)進(jìn)行RS485通信和工業(yè)以太網(wǎng)通信，通信速度可以達(dá)到百兆級(jí)以上，滿足視頻信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

5 調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用分析

將上述的煤礦無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用到木瓜煤礦工程實(shí)踐中，對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間3個(gè)月，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

連續(xù)測(cè)試表明，設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)各項(xiàng)功能均能良好實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。在煤礦中對(duì)調(diào)度系統(tǒng)完成部署工作后，開展了車輛定位精度試驗(yàn)工作，共開展了10次試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。車輛的定位精度控制在0.2～1.0 m，完全能夠滿足煤礦實(shí)際使用需要。調(diào)度系統(tǒng)可以對(duì)礦井中的車輛進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)度，調(diào)度效率有了顯著提升。應(yīng)用該系統(tǒng)后，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的無軌膠輪車碰撞事故，為煤礦安全奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 無軌膠輪車定位精度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement results of trackless rubber-tyred vehicle positioning accuracy test

6 結(jié) 語

以木瓜煤礦無軌膠輪車為研究對(duì)象，對(duì)該礦無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)可以劃分成為3大部分，分別為位于井上部位的調(diào)度中心、位于井下部位的檢測(cè)基站、實(shí)現(xiàn)井上和井下數(shù)據(jù)信息交互的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要原理是通過對(duì)井下車輛的位置及行駛方向進(jìn)行判斷，配合使用巷道中設(shè)置的信號(hào)燈，實(shí)現(xiàn)車輛的調(diào)度。設(shè)計(jì)的無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)在木瓜煤礦中應(yīng)用效果良好，各項(xiàng)功能得以實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)造了良好的安全效益。