礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 斌

（晉能控股集團(tuán)陽泉煤炭事業(yè)部陽泉新瑞昌機(jī)械有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦用無軌膠輪車是煤礦重要的輔助運(yùn)輸裝備，具有調(diào)度靈活、運(yùn)輸成本低、維修方便的特點(diǎn)。隨著煤礦井下無軌膠輪車投入運(yùn)行數(shù)量的不斷增加，由膠輪車引發(fā)的井下安全事故不斷增多，特別是在巷道狹窄、光線昏暗、轉(zhuǎn)彎處、三岔口、斜坡等關(guān)鍵點(diǎn)處容易發(fā)生擁堵，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)井下安全交通事故。為提升煤礦井下無軌膠輪車運(yùn)行效率，保障無軌膠輪車安全、穩(wěn)定運(yùn)行，亟需設(shè)計(jì)并開發(fā)一套礦用無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)能夠使膠輪車運(yùn)輸靈活，按照信號(hào)燈統(tǒng)一行使，關(guān)鍵點(diǎn)合理調(diào)度，防止出現(xiàn)擁堵和安全事故；合理分配膠輪車資源，在地面及時(shí)掌握井下膠輪車運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到降本增效的目的。國(guó)外學(xué)者對(duì)礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的研究較早，如20 世紀(jì)70 年代德國(guó)Blumenthaler 煤礦將膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)投入使用，并實(shí)現(xiàn)了車輛自主調(diào)度。美國(guó)JOY 研發(fā)的車輛調(diào)度系統(tǒng)可記錄膠輪車上下井時(shí)間及行駛軌跡，當(dāng)膠輪車偏離預(yù)定軌跡后，調(diào)度系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，極大地提高了膠輪車運(yùn)行的安全性[2-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于單板機(jī)、多機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信控制器、WinCC 等設(shè)計(jì)了膠輪車調(diào)度系統(tǒng)，但還存在膠輪車數(shù)據(jù)不完整、運(yùn)行效率不高、調(diào)度策略不合理、安全事故頻發(fā)等問題[5-6]。本文針對(duì)現(xiàn)有膠輪車調(diào)度系統(tǒng)存在問題，設(shè)計(jì)基于無線傳輸?shù)牡V用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)膠輪車的監(jiān)控、定位和自動(dòng)控制。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，其由地面、井下兩部分系統(tǒng)組成，地面系統(tǒng)的主站控制器為控制核心，負(fù)責(zé)接收井下膠輪車運(yùn)行時(shí)的全部信息，并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)終端顯示及大屏顯示；同時(shí)，將地面控制指令經(jīng)核心交換機(jī)后下發(fā)至各控制分站。井下系統(tǒng)由核心交換機(jī)、1～n 號(hào)交換機(jī)、1～n 號(hào)控制分站及井下膠輪車組成。可將1 號(hào)控制分站及在該分站無線覆蓋范圍內(nèi)的膠輪車看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)內(nèi)布置攝像儀、語音報(bào)警、信號(hào)燈、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)等設(shè)備，獲取該節(jié)點(diǎn)內(nèi)膠輪車視頻信息并上傳至對(duì)應(yīng)的交換機(jī)；控制分站根據(jù)路況、運(yùn)行優(yōu)先級(jí)控制信號(hào)燈，使得該節(jié)點(diǎn)內(nèi)的膠輪車有序運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障或者行進(jìn)過程中需要語音提示時(shí)，觸發(fā)語音報(bào)警[7]。在膠輪車車身安裝車速、油溫、油壓、位移等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膠輪車運(yùn)行狀態(tài)；安裝的未知節(jié)點(diǎn)周期性地向無線基站發(fā)送車輛信息；安裝的車輛信息監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)各傳感器數(shù)據(jù)是否在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，當(dāng)超出閾值時(shí)，發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。

圖1 礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的核心硬件主要包括主站控制器、交換機(jī)、車輛監(jiān)測(cè)儀、未知節(jié)點(diǎn)、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)及分站控制器等。主站控制器選用研華610-H/L，該設(shè)備數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高，可在煤礦井下惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。該設(shè)備支持TCP/IP、CAN、RS485 等通信方式，有豐富的I/O 接口，可滿足礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)要求。交換機(jī)選用本質(zhì)安全型KJJ18 核心交換機(jī)，支持TCP/IP、CAN、RS485 通信，可提供4 路千兆TCP/IP 接口、1 路RS485 接口、1 路CAN 總線通信接口，符合IEEE802.3 協(xié)議，支持令牌網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)。車輛信息監(jiān)測(cè)儀選用YE0.3/24 保護(hù)監(jiān)測(cè)儀，可監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)速范圍為0～5 000 r/min，溫度檢測(cè)范圍為0～160 ℃，瓦斯檢測(cè)范圍為0.00～4.00%，車速監(jiān)測(cè)范圍為0～150 km/h；該模塊的供電電壓為DC24V[8-9]。未知節(jié)點(diǎn)及檢測(cè)節(jié)點(diǎn)選用TC3390+RSSI 模塊，該模塊核心芯片采用TC3390，支持Wi-Fi 無線通信，具有功耗低、靈敏度好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[10]。該模塊支持RSSI 定位算法，其中未知節(jié)點(diǎn)安裝在膠輪車車體，周期性地向無線基站發(fā)送車輛信息；檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝于巷道煤壁固定未知，接收車載監(jiān)測(cè)儀發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給井下分站控制器。分站控制器需完成膠輪車定位并與主站完成信息交互及控制信號(hào)燈，選用西門子S7-200SMART PLC 控制器，該控制器支持RS485、CAN 總線通信，可同時(shí)處理多路信息并完成數(shù)據(jù)交互，可根據(jù)功能要求擴(kuò)展數(shù)字量、模擬量及通信接口模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 安全行車規(guī)則

礦用無軌膠輪車行駛于寬巷道中時(shí)，需遵循“紅燈停、綠燈行”規(guī)則靠右行駛，不得停車、不得掉頭，跟車距離需保持在50 m 以上，載物車速不超過40 km/h，載人車速不超過30 km/h，上下坡車速不超過15 km/h，起步或者倒車時(shí)需鳴笛示意，經(jīng)過拐彎、上下坡時(shí)需鳴笛通過。礦用無軌膠輪車行駛于窄巷道時(shí)，還需特別遵循靠中間行駛的原則，載物車速不超過30 km/h，載人車速不超過20 km/h，上下坡車速不超過10 km/h；區(qū)間內(nèi)嚴(yán)格限制車輛數(shù)目；不允許在該區(qū)間內(nèi)倒車、調(diào)頭。礦用無軌膠輪車行駛于三岔巷道中時(shí)，還需特別遵循該區(qū)段最多只允許一輛車行駛的原則，需根據(jù)下一巷道結(jié)構(gòu)調(diào)整行車狀態(tài)，嚴(yán)格按照信號(hào)指示燈行駛，必要時(shí)駛?cè)氡苘囀覂?nèi)。

3.2 車輛行駛方向判定

膠輪車行駛的巷道內(nèi)安裝有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，車輛經(jīng)過時(shí)，會(huì)被多個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到，定義信號(hào)強(qiáng)度分別為RSSIn1、RSSIn2、RSSInm，篩選出信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義為RSSIn1、RSSIn2，則表明車輛在該兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)區(qū)間內(nèi)。定義信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)為1，信號(hào)強(qiáng)度弱為-1，則當(dāng)RSSIn1=-1 且RSSIn2=1 時(shí)，車輛向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)n2方向行駛；當(dāng)且時(shí)，車輛停止；當(dāng)且時(shí)，車輛停止；當(dāng)且時(shí)，車輛向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)n1方向行駛。

3.3 車輛進(jìn)出區(qū)間判定

車輛進(jìn)出區(qū)間判定的目的是確認(rèn)當(dāng)前時(shí)刻在本區(qū)間內(nèi)膠輪車的數(shù)量，定義檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信號(hào)最強(qiáng)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為Xi、Yj，其中X、Y 表示區(qū)間名稱，i、j 表示車輛在該區(qū)間內(nèi)的編號(hào)。定義R 為判斷條件，則R=X-Y，當(dāng)R=0 時(shí)，則表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一行車區(qū)間，膠輪車在該區(qū)間內(nèi)；當(dāng)R≠0 時(shí)，則表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不在同一行車區(qū)間，膠輪車處于避車區(qū)間。

3.4 車輛調(diào)度策略

礦用膠輪車調(diào)度策略即控制車輛的行駛或者停車，需在安全行車的前提下，綜合考慮巷道類型、區(qū)間內(nèi)車輛的數(shù)量、行駛方向等。調(diào)度整體流程如圖2所示，依次步驟為：提取行車區(qū)間編號(hào)、根據(jù)編號(hào)判斷區(qū)間巷道類型、調(diào)用相應(yīng)巷道類型的控制程序、得出車輛控制流程。

圖2 礦用膠輪車調(diào)度整體流程

礦用膠輪車調(diào)度策略分為直線寬巷道、直線窄巷道、三岔巷道三種情形。定義膠輪車最長(zhǎng)車身長(zhǎng)度為lmax，兩車之間的安全距離為ds，則一輛膠輪車在巷道內(nèi)的總長(zhǎng)lmaxs可表示為lmaxs=lmax+ds。定義車輛行駛的巷道總長(zhǎng)為L(zhǎng)，則該區(qū)間巷道最大可容納的膠輪車數(shù)量nmax可表示為nmax=L/lmaxs。實(shí)際調(diào)度過程中，控制策略需根據(jù)車輛進(jìn)入或者駛出該區(qū)間的特征，分析在該區(qū)間內(nèi)可容納的車輛數(shù)目Q 進(jìn)行車輛調(diào)度，定義Q=nmax-n。當(dāng)Q＞0 時(shí)，表示該區(qū)間可駛?cè)胄碌能囕v，信號(hào)燈為綠；當(dāng)Q=0 時(shí)，表示該區(qū)間車輛數(shù)據(jù)達(dá)到最大，不可駛?cè)?，信?hào)燈為紅。定義車輛之間的安全距離為dS，實(shí)際距離為d，則車距條件S 可表示為S=d-dS。當(dāng)S＞0 時(shí)，表示實(shí)際運(yùn)行車輛距離大于安全距離；當(dāng)S＜0 時(shí)，表示實(shí)際運(yùn)行車輛距離小于安全距離，應(yīng)減速慢行。針對(duì)直線窄巷道、三岔巷道車輛調(diào)度控制流程如下頁圖3、圖4 所示。

圖3 直線窄巷道調(diào)度控制

圖4 三岔巷道調(diào)度控制

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)，有效解決了煤礦輔助運(yùn)輸運(yùn)行效率低下、故障較高的問題，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、高效，顯著提升了煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的管理水平。