基于UWB精確定位的輔助運輸交通燈自動控制系統(tǒng)

包翔宇， 單成偉， 吳巖明

（1. 天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015；2. 中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

煤礦輔助運輸系統(tǒng)是煤礦產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)化作業(yè)的重要組成部分。為了實現(xiàn)井下車輛、人員、物料一體化管控、監(jiān)督與調度，輔助運輸系統(tǒng)不斷向新工藝、新技術靠攏，朝著實現(xiàn)自動化、智能化、信息化的目標持續(xù)發(fā)展[1-3]。將輔助運輸系統(tǒng)構建成為智能輔助運輸一體化管控體系是智能礦山建設的核心范疇，實現(xiàn)礦井車輛網(wǎng)絡化調度管理又是構建智能輔助運輸一體化管控體系的關鍵[4]。為了實現(xiàn)礦井車輛網(wǎng)絡化調度管理，首要任務是在井下運輸作業(yè)過程中充分保證交通運輸?shù)陌踩浴Ｔ诰逻\輸作業(yè)過程中，采用上位機系統(tǒng)對井下運輸進行遠程控制，會造成車輛在路口盲區(qū)候車無序、錯車困難，且易發(fā)生碰撞事故，導致運輸效率低、運輸安全得不到可靠的保障[5]。而保證安全運輸?shù)淖罴咽侄尉褪窃O置井下交通燈就地控制系統(tǒng)，對復雜路段、視野盲區(qū)等區(qū)域進行交通區(qū)域管控[6]。

許多學者對井下交通燈控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式進行了研究。吳畏等[7]采用無線信號飛行時間定位對井下車輛進行實時定位，通過定位位置信息控制交通燈，但該系統(tǒng)功能較為單一，缺少完整的車輛放行機制。郭海軍等[8]采用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術實現(xiàn)井下車輛定位跟蹤，通過定位位置信息控制區(qū)間路段交通燈。該系統(tǒng)著重解決了狹窄巷道區(qū)間內車輛調度問題，但缺少路口控制邏輯，無法滿足井下大流量的多岔路口的管控需求。佘九華等[9]提出采用位置傳感器判斷車輛位置，實現(xiàn)交通燈控制。但受井下其他物體、人員的干擾，傳感器易誤觸發(fā)控制指令，且傳感器設備安裝條件較為苛刻，設備損耗度高、維護困難。且采用傳感器定位的交通燈控制系統(tǒng)與車輛精確定位系統(tǒng)的結合度不高，無法實時監(jiān)控每臺車輛的行駛數(shù)據(jù)和駕駛行為[10-12]。

針對上述問題，本文設計了一種基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）精確定位的輔助運輸交通燈自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過邏輯控制器實時讀取定位基站存儲的車輛數(shù)據(jù)，解析成管控信息，控制交通燈執(zhí)行控制指令，指揮運輸車輛有序通行。邏輯控制器與上位機通過環(huán)網(wǎng)連接，上位機可下發(fā)控制指令遠程變燈，邏輯控制器實時地將井下車輛的行駛數(shù)據(jù)、異常駕駛行為、交通燈狀態(tài)等多種信息上傳至上位機礦井車輛調度系統(tǒng)，真正實現(xiàn)就地控制與遠程輔控相結合。

1 定位基站的技術特征

定位基站采取UWB超寬帶定位技術與車輛定位卡進行數(shù)據(jù)交互，實時讀取2根定位天線關于車輛定位卡的距離信息。定位基站的靜態(tài)定位誤差小于0.3 m，數(shù)據(jù)接收范圍達400 m。在封閉的巷道中，定位基站安裝正負2根全向定位天線（圖1），其中紅色代表正天線，安裝在巷道下行方向，藍色代表負天線，安裝在巷道上行方向。

圖1 定位基站Fig. 1 Positioning base station

定位基站通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）將車輛定位卡的距離信息封包存儲，等待邏輯控制器主動請求定位基站傳輸數(shù)據(jù)報文。每一幀數(shù)據(jù)報文都包含若干條車輛數(shù)據(jù)[13]。每一條車輛數(shù)據(jù)均包含當前車輛卡號、車輛定位卡到一條定位天線的距離值和該定位天線的屬性。

2 控制系統(tǒng)設計

交通燈自動控制系統(tǒng)由定位基站、車輛定位卡、邏輯控制器、交通燈和上位機組成。定位基站獲取車輛定位卡的定位數(shù)據(jù)，邏輯控制器讀取定位基站獲取到的車輛定位數(shù)據(jù)。在上位機上配置路口信息，并下發(fā)給邏輯控制器。邏輯控制器會根據(jù)路口信息和車輛定位卡的定位數(shù)據(jù)求解出當前路口內車輛定位卡的控制參數(shù)。邏輯控制器會根據(jù)各個車輛定位卡的控制參數(shù)執(zhí)行放行控制或區(qū)域管控策略，改變交通燈的信號狀態(tài)并放行車輛。交通燈的信號狀態(tài)和車輛定位卡的位置信息會在上位機的圖形界面中實時顯示。

依據(jù)定位基站的技術特征，設計了交通燈自動控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，確定了定位基站在一些典型路口處的分布要求，規(guī)定了岔口排序的原則和岔口優(yōu)先級。

2.1 控制參數(shù)

車輛控制參數(shù)有位置信息與行駛狀態(tài)2種，二者與車輛卡號綁定并實時更新。

首先，依據(jù)定位基站的安裝位置劃分路口正負區(qū)域（圖2）。以路口中心為基準線，定位基站所在岔口是負區(qū)域，對向岔口是正區(qū)域。車輛在負區(qū)域時，車輛的位置信息為負；車輛在正區(qū)域時，車輛的位置信息為正。在路口中心處，車輛的位置信息為零。車輛由負區(qū)域駛向正區(qū)域時，位置信息不斷增大；車輛由正區(qū)域駛向負區(qū)域時，位置信息不斷減小。

圖2 路口正負區(qū)域Fig. 2 Intersection positive and negative area

2.1.1 位置信息

定位天線與車輛定位卡的距離值為一對特征值。比較定位天線與車輛定位卡距離值的大小，可實時判斷車輛定位卡關于定位基站的方位，并求解出車輛與路口的位置關系St。

由于定位基站的天線排布存在一定自由度，正負天線相對路口的安裝位置有所變化，因此，正負天線和路口的遠近關系會隨天線距車輛定位卡的距離改變。將距離當前路口較近的天線設為近天線，距離當前路口較遠的天線設為遠天線。路口位置信息如圖3所示，其中距離路口較近的天線與車輛定位卡的距離數(shù)據(jù)為近天線距離Sc，距離路口較遠的天線與車輛定位卡的距離數(shù)據(jù)為遠天線距離Sr。2根天線相距5 m安裝，Scr為兩天線距離的一半，即2.5 m。定位基站中心到路口的距離用S0表示。

圖3 路口位置信息Fig. 3 Intersection location information

車輛到路口的位置信息分3種情況，如圖4所示。

圖4 車輛的3種位置區(qū)域Fig. 4 Three location areas of vehicles

（1） 當車輛在定位基站近天線左側位置區(qū)域中，車輛所處的位置存在2種情況：① 近天線到車輛的距離較遠，即Sc＞Sr；② 近天線到車輛的距離較近且遠天線到車輛的距離小于2根天線之間的距離，即Sc＜Sr且Sr＜2Scr。此時車輛到路口的距離等于近天線到路口的距離加上近天線到車輛的距離。位置關系為

（2） 當車輛在定位基站近天線右側、路口中心左側位置區(qū)域中，近天線距離車輛較近且近天線到車輛的距離小于近天線到路口的距離，即Sc＜Sr且S0-Scr＞Sc。此時車輛到路口的距離等于近天線到路口的距離減去近天線到車輛的距離。車輛此時在負區(qū)域內。位置關系為

（3） 當車輛在路口中心右側位置區(qū)域中，近天線距離車輛較近，且近天線到車輛的距離大于近天線到路口的距離，即Sc＜Sr且S0-Scr＜Sc。此時車輛到路口的距離等于近天線到車輛的距離減去近天線到路口的距離。車輛此時在正區(qū)域內。位置關系為

2.1.2 行駛狀態(tài)

車輛的行駛狀態(tài)用數(shù)值表征：“9”表示初始狀態(tài)，“0”表示停止狀態(tài)，“1”表示正向行駛狀態(tài)，“2”表示負向行駛狀態(tài)。正負向行駛狀態(tài)如圖5所示。

圖5 正負向行駛狀態(tài)Fig. 5 Positive and negative driving state

邏輯控制器通過比較當前位置信息與上一時刻位置信息，判定車輛當前的行駛狀態(tài)。具體判定流程如圖6所示。

圖6 行駛狀態(tài)判定流程Fig. 6 Determination process of driving state

每個任務周期內，邏輯控制器采集每輛車當前的行駛狀態(tài)屬性，包括車輛當前位置信息、上一時刻位置信息和連續(xù)掃描次數(shù)（表征車輛被連續(xù)判定為有進入停止狀態(tài)趨勢的次數(shù)）。若滿足任一種條件（① 上一時刻位置信息為0；② 上一時刻位置信息在正區(qū)域，當前位置信息在負區(qū)域；③ 上一時刻位置信息在負區(qū)域，當前位置信息在正區(qū)域），則判定車輛進入初始狀態(tài)，更新上一時刻的位置信息，并清零掃描次數(shù)。若當前位置信息減去上一時刻位置信息的差值≤-3 m，則判定車輛為負向行駛狀態(tài)，更新上一時刻的位置信息，并清零掃描次數(shù)。若當前位置信息減去上一時刻位置信息的差值≥3 m，則判定車輛為正向行駛狀態(tài)，更新上一時刻的位置信息，并清零掃描次數(shù)。

若不滿足初始狀態(tài)、負向行駛狀態(tài)和正向行駛狀態(tài)中的一種，則判斷是否有進入停止狀態(tài)的趨勢。若當前位置信息與上一時刻位置信息的差值絕對值＜3 m，表明車輛當前有進入停止狀態(tài)的趨勢。若當前連續(xù)掃描次數(shù)＜100次，則將連續(xù)掃描次數(shù)加1，并跳轉至下一循環(huán)。若當前連續(xù)掃描次數(shù)=100次，則判定車輛進入停止狀態(tài)。此時會獲取最新的行駛狀態(tài)屬性，并再次執(zhí)行條件判斷，直至輸出當前行駛狀態(tài)，結束當前任務周期。

2.2 定位基站的分布要求

使用定位基站獲取路口區(qū)域內的定位卡信息時，需要考慮全向定位天線接收信號的無向性。定位天線接收定位卡信息的無向性使得每一根定位天線都能獲取路口各個方向的定位卡信息。以三岔路口為例（圖7）對定位基站的分布要求進行分析。在圖7（a）中，路口只安裝了1號定位基站。1號定位基站能同時掃描到白色和灰色2個區(qū)域的數(shù)據(jù)，灰色區(qū)域處數(shù)據(jù)滿足正天線距離＜負天線距離。以灰色區(qū)域的2個標記點×為例，2處接收的定位天線的數(shù)據(jù)完全相同，導致1號定位基站無法判定車輛定位卡處于②號岔口還是③號岔口。

圖7 掃描三岔路口Fig. 7 Scan three intersections

為了區(qū)分車輛定位卡在②號岔口還是③號岔口，需在②號岔口增加2號定位基站（圖7（b））。2號定位基站所在的②號岔口為該定位基站在路口內唯一的負區(qū)域。此時路口被有效劃分為4個獨立的區(qū)域：①號岔口對應1號定位基站在該路口唯一的負區(qū)域；②號岔口對應2號定位基站在該路口唯一的負區(qū)域；③號岔口對應1號定位基站在該路口唯一的正區(qū)域；路口中心對應1號定位基站在該路口唯一的零區(qū)域。這樣每個路口區(qū)域才能完全區(qū)分開，邏輯控制器才能執(zhí)行正確的控制邏輯。

以此類推，基站數(shù)量至少應該是岔口數(shù)量減1，單路口最多只有1個基站能同時掃描2個岔口，而其他岔口必須由不同的定位基站單獨掃描。將同時掃描一條直線上一組對向岔口的定位基站稱為共用定位基站。共用定位基站安裝地點所在的岔口是該共用定位基站的負區(qū)域，對向岔口是該共用定位基站的正區(qū)域。其他岔口內的定位基站只掃描自身的負區(qū)域。如果基站數(shù)量和岔口數(shù)量相當，那么所有定位基站都只掃描自身的負區(qū)域。依據(jù)該結論，歸納出井下5種典型路口的定位基站配置，如圖8所示。

圖8 典型路口定位基站配置Fig. 8 Positioning base station configurations of typical regular intersections

2.3 區(qū)域控制門限

各個具體路口對控制區(qū)域的大小有不同的要求，對車輛出入路口時交通燈放行和解除放行的門限距離要求也各不相同，因此需要設置具體的區(qū)域控制門限，實現(xiàn)交通燈自動控制系統(tǒng)對區(qū)域控制門限的靈活配置。交通燈自動控制系統(tǒng)設置了入列門限、閉鎖門限和解鎖門限3個控制門限。當車輛進入路口，距離路口＜入列門限，則認為該車輛已經(jīng)由當前岔口駛向路口。當車輛繼續(xù)行駛，距離路口＜閉鎖門限，則認為該車輛已經(jīng)向路口中心靠近，此時需要控制交通燈發(fā)出指令，放行當前岔口車輛。當車輛駛出路口，超出解鎖門限，車輛觸發(fā)解鎖邏輯，視為該車輛已駛離路口。設置控制門限時，入列門限、閉鎖門限和解鎖門限的值應依次減小。以三岔口為例，控制門限設置如圖9所示。

圖9 控制門限Fig. 9 Control threshold

2.4 岔口排序與優(yōu)先級

在交通燈自動控制系統(tǒng)中，單個邏輯控制器控制單個路口。因為單個路口包含若干個岔口，所以需要對每個岔口進行排序，定義每個岔口在邏輯控制器中的序號，從而控制相應序號的交通燈。岔口的排序規(guī)則如圖10所示。若當前路口的定位基站數(shù)量等于岔口數(shù)量（圖10（a）），則以主巷道下行方向所在的岔口為①號岔口，順時針方向遞增，定義其他岔口的序號。若當前路口的定位基站數(shù)量等于岔口數(shù)量減1（圖10（b）），存在共用定位基站。則將共用定位基站安裝位置所在的那條岔口作為①號岔口，順時針方向遞增，定義其他岔口的序號。

圖10 岔口排序Fig. 10 Sorting of forks

岔口放行規(guī)則：每個岔口都設置一個入列車輛列表。如果當前岔口的入列車輛列表為空，代表該岔口內沒有車等待放行。如果當前岔口內有車輛進入時，會依據(jù)先后順序將車輛卡號排入對應岔口的入列車輛列表中。任意岔口的入列車輛列表非空時，說明該岔口內車輛需要放行。此時邏輯控制器會對需要放行的有入列車輛的岔口進行排序，得到一個待放行的岔口序號的列表。得到該列表后，會立即放行當前排在第1位的岔口。

為規(guī)定岔口的優(yōu)先放行次序、實現(xiàn)多個岔口同時放行，控制系統(tǒng)引入了岔口優(yōu)先級。A為最高優(yōu)先級，用戶需逐級定義各岔口優(yōu)先級，允許多個岔口優(yōu)先級相同。其中首優(yōu)先級表示當前正在放行的優(yōu)先級，活躍優(yōu)先級表示當前正在參與優(yōu)先級排序的優(yōu)先級，不活躍優(yōu)先級表示當前優(yōu)先級循環(huán)內已經(jīng)放行過的優(yōu)先級，且當前優(yōu)先級循環(huán)內不再參與優(yōu)先級排序。當岔口存在優(yōu)先級時，岔口優(yōu)先級排序規(guī)則如下：將活躍優(yōu)先級進行排序，選有入列車輛的最高優(yōu)先級作為首優(yōu)先級執(zhí)行放行，放行結束后，該優(yōu)先級轉為不活躍優(yōu)先級。如果當前活躍優(yōu)先級數(shù)量為零或除了不活躍優(yōu)先級外的所有優(yōu)先級均沒有入列車輛，那么當前優(yōu)先級排序循環(huán)結束。此時將所有優(yōu)先級全部轉為活躍狀態(tài)并重新排序，選出新的首優(yōu)先級執(zhí)行放行。一個典型的五岔口排序循環(huán)如圖11所示，所有優(yōu)先級由小到大排序，實線框代表活躍優(yōu)先級，點線框代表首優(yōu)先級，虛線框代表非活躍優(yōu)先級。

圖11 五岔口優(yōu)先級排序循環(huán)Fig. 11 Five fork prioritization cycle

3 軟件功能與通信模塊

3.1 控制模式

控制系統(tǒng)包括自動控制、手動控制和定時切換3種控制模式，只有當所有配置在路口的定位基站與邏輯控制器的通信正常時才能啟用自動控制，定時切換和手動控制隨時可以啟用。

3.1.1 定時切換

定時切換的輪流放行時間不小于30 s，切換順序由岔口序號/優(yōu)先級的排序決定，相同優(yōu)先級的岔口應同時放行。除了當前正在放行的岔口序號/優(yōu)先級，其他岔口禁行。到達最大放行時間，切換下一個岔口序號/優(yōu)先級放行。

3.1.2 手動控制

當交通燈自動控制系統(tǒng)處于自動控制或定時切換時，在上位機上直接修改交通燈的指示狀態(tài)，交通燈自動控制系統(tǒng)立即進入手動控制狀態(tài)。若取消交通燈的手動控制狀態(tài)，則交通燈自動控制系統(tǒng)立即恢復自動控制或定時切換。如果手動控制執(zhí)行的指令是放行路口內某一岔口，則該路口內其他岔口會自動禁行，避免多路口同時放行。

3.1.3 自動控制

系統(tǒng)默認為自動控制模式，規(guī)定通行時間不小于30 s。路口控制區(qū)間內無車，所有岔口交通燈亮綠燈；路口控制區(qū)間內有車，則執(zhí)行自動控制的放行邏輯判斷。放行邏輯判斷順序為入列判斷、掉線判斷、優(yōu)先放行、超時放行、出列判斷、闖紅燈判斷、列表更新、狀態(tài)發(fā)布。

（1） 入列判斷。根據(jù)車輛位置信息和行駛狀態(tài)，及路口控制門限，判斷當前岔口中入列、閉鎖的車輛，更新入列車輛列表，并對岔口序號/優(yōu)先級進行排序。

（2） 掉線判斷。對當前正在放行的車輛啟動掉線計時器。如果正在放行的車輛超過15 s無定位卡數(shù)據(jù)，則判定為掉線。如果重新獲取到車輛定位卡的數(shù)據(jù)，則解除掉線狀態(tài)，掉線計時器重新計時。如果放行車輛掉線超過10 s未恢復，將掉線車輛從入列車輛列表中移除。

（3） 優(yōu)先放行。一個岔口放行時間超過30 s，開始判定優(yōu)先放行。當入列車輛達到一定數(shù)量，立即優(yōu)先放行該岔口序號/優(yōu)先級。同時有多個岔口序號/優(yōu)先級滿足優(yōu)先放行條件時，選取入列車輛最多的岔口序號/優(yōu)先級放行。每個岔口序號/優(yōu)先級最多可以連續(xù)執(zhí)行2次優(yōu)先放行。如果下次循環(huán)依然是該岔口序號/優(yōu)先級滿足優(yōu)先放行條件，則直接跳過優(yōu)先放行判斷，進入超時放行判斷。

（4） 超時放行。滿足超時放行的條件：① 正在放行的岔口內的所有車輛均為停止狀態(tài)，且超過了最大停止時間。② 正在放行的岔口達到了最大放行時間，放行仍未結束且未觸發(fā)優(yōu)先放行。滿足以上任意一個條件，立即結束當前岔口序號/優(yōu)先級的放行，巡檢下一個需要放行的岔口序號/優(yōu)先級。如果僅有一個岔口序號/優(yōu)先級有車，則繼續(xù)放行該岔口序號/優(yōu)先級；如果存在2個及以上的岔口序號/優(yōu)先級有車，則放行排在次位的岔口序號/優(yōu)先級。一旦執(zhí)行超時放行判斷，正在放行的路口的時間歸零并重新計時。

（5） 出列判斷。獲取各岔口序號/優(yōu)先級的車輛信息，將車輛列表中大于出列門限且正在遠離路口的車輛記為出列狀態(tài)。

（6） 闖紅燈判斷。車輛入列岔口為綠燈放行狀態(tài)，則記錄車輛在各自入列岔口內最小位置信息。當車輛離開入列岔口，停止更新最小位置信息。車輛入列岔口為紅燈狀態(tài)，則更新車輛在入列岔口內的實時位置信息。當車輛離開入列岔口，停止更新實時位置信息。由綠燈切換為紅燈的岔口，若在此入列車輛的最后位置信息已經(jīng)小于20 m，則視為未闖紅燈，否則以紅燈等待狀態(tài)進行判定。所有當前為紅燈等待狀態(tài)的車輛，如果車輛距離路口5 m以內或已經(jīng)進入其他岔口，則認為該車輛已經(jīng)闖紅燈。闖紅燈列表遵循先入先出原則。上位機讀取闖紅燈信息后，闖紅燈列表立即清空。

（7） 列表更新。首先，更新各個岔口的入列車輛列表，將出列狀態(tài)的車輛清除，重新排序其他在列車輛。然后，更新岔口序號/優(yōu)先級列表，將車輛數(shù)為零的岔口序號/優(yōu)先級清除，重新排序其他岔口序號/優(yōu)先級。最后，更新當前正在放行的岔口序號/優(yōu)先級。

（8） 狀態(tài)發(fā)布。路口信號設備包括交通燈和路口聲光報警器，最大數(shù)量均設為3，用于控制規(guī)定數(shù)量的交通燈和報警器切換狀態(tài)。正在放行的岔口序號/優(yōu)先級亮綠燈，其他亮紅燈。

3.1.4 區(qū)間控制

自動控制存在單路口控制和區(qū)間控制2種控制邏輯。單路口控制時，當前路口的邏輯控制器與其他路口的邏輯控制器不關聯(lián)。若相鄰路口的2個岔口之間配置成關聯(lián)岔口，則需要判定是否滿足區(qū)間控制邏輯。在區(qū)間控制的控制邏輯中，2個關聯(lián)岔口之間是一段控制區(qū)間。相鄰岔口的控制區(qū)間如圖12所示。路口1的岔口③與路口2的岔口①相互關聯(lián)，中間陰影部分為控制區(qū)間。

圖12 相鄰岔口的控制區(qū)間Fig. 12 Control section of adjacent fork

區(qū)間控制的控制策略包含敵對閉鎖和區(qū)間閉鎖2種策略，分別對應敵對閉鎖區(qū)域和區(qū)間閉鎖區(qū)域2種控制區(qū)間。當邏輯控制器執(zhí)行完單路口控制邏輯后，需要判斷是否觸發(fā)區(qū)間控制策略，并優(yōu)先執(zhí)行區(qū)間控制的控制指令。

（1） 敵對閉鎖區(qū)域。如果某段巷道在同一時刻只允許單向通行，此時有車輛從一側路口駛入該段巷道，則巷道另一側路口需開啟敵對閉鎖，避免對向會車。敵對閉鎖控制邏輯如圖13所示。狀態(tài)1：車輛駛入左側①號岔路口的“閉鎖門限”時，左側①號岔口綠燈通行，左側②號、③號岔口紅燈禁行；右側岔口全部綠燈通行。狀態(tài)2：車輛駛出左側③號岔口的“解鎖門限”時，觸發(fā)敵對閉鎖邏輯，右側②號、③號岔口紅燈禁行，其他岔口綠燈通行。狀態(tài)3：車輛駛出右側路口，結束右側路口的敵對閉鎖。

圖13 敵對閉鎖控制邏輯Fig. 13 Hostile lock control logic

（2） 區(qū)間閉鎖區(qū)域。如果某段巷道易發(fā)生擁堵，則開啟區(qū)間閉鎖，限制該段巷道內同一時刻的車輛數(shù)。區(qū)間閉鎖控制邏輯如圖14所示。狀態(tài)1：車輛同時從左側①號、③號岔口接近區(qū)間閉鎖區(qū)域，且尚未進入兩側路口的閉鎖區(qū)間時，2個路口全部為綠燈通行狀態(tài)。狀態(tài)2：車輛駛入兩側路口的閉鎖區(qū)間時，此時車輛未超過規(guī)定數(shù)量，左側①號岔口和右側③號岔口綠燈通行，其他岔口紅燈禁行。狀態(tài)3：當區(qū)間閉鎖區(qū)域內車輛數(shù)超過一定數(shù)量時，觸發(fā)區(qū)間閉鎖，左側①號、左側②號、右側②號、右側③號岔口紅燈禁行；左側③號、右側①號岔口綠燈放行。狀態(tài)4：當區(qū)間閉鎖區(qū)域內車輛數(shù)減少到一定數(shù)量時，結束區(qū)間閉鎖，執(zhí)行單路口控制。

圖14 區(qū)間閉鎖控制邏輯Fig. 14 Section lock control logic

3.2 通信模塊

控制系統(tǒng)的通信模塊主要包括交通燈和聲光報警器的串口協(xié)議信息傳輸模塊、邏輯控制器與定位基站之間車輛信息傳遞的UDP協(xié)議傳輸模塊、相鄰邏輯控制器、邏輯控制器與上位機之間的Modbus TCP協(xié)議傳輸模塊。通信模塊的軟件代碼基于IEC61131-3規(guī)范標準進行開發(fā)，設計了通用的UDP協(xié)議模塊、串口協(xié)議信息傳輸模塊及Modbus TCP客戶端與服務器模塊。

3.2.1 串口協(xié)議信息傳輸模塊

控制系統(tǒng)以信息發(fā)布形式向交通燈和聲光報警器發(fā)布指令信息。串口協(xié)議信息傳輸模塊有Modbus RTU和私有協(xié)議2種，支持不同串口并行發(fā)送，相同串口順序發(fā)布。Modbus RTU協(xié)議為通用Modbus協(xié)議。私有協(xié)議執(zhí)行GB2312-1980《信息交換用 漢字編碼字符集》標準，聲光報警器可自定義文字播報內容。邏輯控制器自動判斷當前串口通信設備的數(shù)量、協(xié)議長度及協(xié)議下發(fā)次數(shù)，將接收到的指令發(fā)送給串口通信設備。串口協(xié)議信息傳輸模塊會實時判斷當前在線設備的收發(fā)狀態(tài)、輸出設備的故障碼列表。

3.2.2 UDP協(xié)議傳輸模塊

UDP協(xié)議數(shù)據(jù)不可復用，所以在1個射頻接收周期內，僅有1個邏輯控制器能請求到有效數(shù)據(jù)報文，其他邏輯控制器只能請求到空數(shù)據(jù)報文。煤礦井下短距離內分布多個路口，1個邏輯控制器控制1個路口時需要獲取多個定位基站的UDP數(shù)據(jù)。如果不對UDP協(xié)議數(shù)據(jù)進行復用，會導致每個路口都需要重復加設多個基站，大大降低交通燈自動控制系統(tǒng)的競爭力。因此，控制系統(tǒng)設計了定位基站的主動輪詢、輪詢轉發(fā)、被動接收3種數(shù)據(jù)獲取策略。如果邏輯控制器配置的當前定位基站的數(shù)據(jù)獲取策略是主動輪詢，那么邏輯控制器會主動請求該定位基站發(fā)送UDP數(shù)據(jù)。如果邏輯控制器配置的當前定位基站的數(shù)據(jù)獲取策略是被動接收，那么邏輯控制器不會主動請求該定位基站發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，而是等待其他配置為輪詢轉發(fā)的邏輯控制器將請求到的UDP數(shù)據(jù)轉發(fā)給自己。如果邏輯控制器配置的當前定位基站的數(shù)據(jù)獲取策略是輪詢轉發(fā)，那么邏輯控制器會主動請求定位基站發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，并將接收到的UDP數(shù)據(jù)轉發(fā)給指定的配置為被動接收的邏輯控制器。通過采用帶有轉發(fā)機制的數(shù)據(jù)獲取策略，能夠大幅減少基站的安裝數(shù)量，從而提高交通燈自動控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性，降低定位基站的施工與維護成本。

UDP協(xié)議的收發(fā)之間不需要建立連接。因此，將UDP數(shù)據(jù)的接收模塊和發(fā)送模塊獨立進行管理，從而實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)的瞬時批量發(fā)送和隨機無序讀取[14]。發(fā)送模塊會判斷邏輯控制器配置的每一個定位基站的數(shù)據(jù)獲取策略，如果是被動接收策略，則直接跳過該定位基站，如果是主動輪詢或輪詢轉發(fā)策略，則立即發(fā)送請求指令向對應的定位基站獲取UDP數(shù)據(jù)。接收模塊循環(huán)接收每一條收到的UDP數(shù)據(jù)報文。通過數(shù)據(jù)報文中包含的定位基站站號，判斷當前UDP數(shù)據(jù)來源于哪個定位基站，并存入相應的定位基站數(shù)據(jù)集。如果當前UDP數(shù)據(jù)報文需要轉發(fā)給另一個邏輯控制器，則立即給該邏輯控制器發(fā)送獲取到的UDP數(shù)據(jù)報文。數(shù)據(jù)轉發(fā)的指令執(zhí)行完畢后，才會接收下一條UDP數(shù)據(jù)報文。

3.2.3 Modbus TCP協(xié)議傳輸模塊

Modbus TCP協(xié)議傳輸模塊分為服務端和客戶端2個模塊。1個邏輯控制器啟動1個Modbus TCP服務端。上位機主動連接該服務端，向當前邏輯控制器傳輸配置信息，并實時獲取當前邏輯控制器的各種設備狀態(tài)。除了交通燈和路口聲光報警器，其他連接邏輯控制器的串口設備的控制指令均通過該服務端下發(fā)給對應的邏輯控制器。服務端中規(guī)劃了區(qū)域關聯(lián)控制點表，相鄰邏輯控制器能夠主動打開Modbus TCP客戶端，與當前邏輯控制器的服務端建立通信連接，讀取當前邏輯控制器服務端中的區(qū)域關聯(lián)控制信息。區(qū)域關聯(lián)控制信息主要包括相鄰路口處關聯(lián)岔口的出列車輛列表、歷史入列車輛列表等。區(qū)域關聯(lián)控制信息主要用于執(zhí)行區(qū)域控制相關的邏輯判斷。

4 系統(tǒng)調試與應用

4.1 模擬巷道測試

模擬巷道內部共4條巷道，組成2個三岔路口和1個U形彎路口。根據(jù)該巷道的路口特征，設計搭建了交通燈自動控制系統(tǒng)。交通燈自動控制系統(tǒng)包含3臺KDW56B礦用隔爆電源，3個KXH18（D）本安型邏輯控制器，10個DXH15L（A）型本安交通燈，4 個KJ69J-D2礦用本安定位基站及1個KXB18A聲光報警器。3個邏輯控制器分別控制3個路口。各岔口均布置有一定數(shù)量的交通燈。路口Ⅰ布置3個交通燈，路口Ⅱ兩邊各布置2個交通燈，路口Ⅲ布置3個交通燈。每個交通燈均引出一路信號線和一路供電線，在邏輯控制器內部進行串接。信號線接在各自邏輯控制器的RS485-2上。交通燈和邏輯控制器均由可輸出6路18 V的礦用隔爆電源進行獨立供電。邏輯控制器內部集成以太網(wǎng)交換機，通過以太網(wǎng)與4個定位基站進行UDP通信。彎道報警器串接在路口Ⅱ邏輯控制器的RS485-3上。交通燈自動控制系統(tǒng)布置如圖15所示。

圖15 模擬巷道交通燈自動控制系統(tǒng)布置Fig. 15 Layout of traffic light automatic control system of simulated roadway

4.1.1 路口及彎道設置

模擬巷道共布置3個路口/4個基站。路口Ⅰ和路口Ⅲ為標準三岔口，路口Ⅱ為U型路口。在路口Ⅰ設置優(yōu)先級，岔口①優(yōu)先級為3，岔口②優(yōu)先級為2，岔口③優(yōu)先級為1。路口Ⅱ和路口Ⅲ不設置優(yōu)先級。U型路口Ⅱ每側布置2個交通燈，其他路口每個岔口布置1個交通燈。所有路口的入列門限均設為15 m，閉鎖門限設為10 m，解鎖門限設為6 m，車輛最大停車時間為15 s，岔口最大放行時間為60 s，最大放行車輛數(shù)為3輛。

為測試交通燈自動控制系統(tǒng)的信息發(fā)布功能，在上位機圖形界面的西南角框取電子圍欄，安裝彎道報警器。彎道報警器接在路口Ⅱ邏輯控制器，由上位機發(fā)布報警信息。

4.1.2 UDP數(shù)據(jù)獲取策略設置

路口Ⅰ各岔口均采用被動接收的方式獲取基站數(shù)據(jù)。岔口①和岔口③接收路口Ⅲ處邏輯控制器轉發(fā)的4號定位基站的數(shù)據(jù)，岔口②接收路口Ⅱ處邏輯控制器轉發(fā)的1號定位基站的數(shù)據(jù)。

路口Ⅱ各岔口均采用輪詢轉發(fā)的方式獲取基站數(shù)據(jù)。岔口①獲取1號定位基站的數(shù)據(jù)并轉發(fā)給路口Ⅰ邏輯控制器，岔口②獲取3號定位基站的數(shù)據(jù)并轉發(fā)給路口Ⅲ邏輯控制器。

路口Ⅲ的岔口①和岔口②采用輪詢轉發(fā)方式獲取4號定位基站的數(shù)據(jù)并轉發(fā)給路口Ⅰ邏輯控制器，岔口③采用被動接收的方式接收路口Ⅱ處邏輯控制器轉發(fā)的3號定位基站的數(shù)據(jù)。

4.1.3 測試流程

首先，在路口Ⅰ和路口Ⅲ測試單路口邏輯。隨機進行放行閉鎖、解鎖、闖紅燈、優(yōu)先放行、超時放行的測試，驗證邏輯代碼的正確性。

然后，進行連續(xù)路線交通燈自動控制系統(tǒng)性能測試。邏輯控制器內部設定的任務周期循環(huán)時間為200 ms，記錄下每次觸發(fā)自動控制的放行邏輯時邏輯控制器的任務執(zhí)行時間與交通燈狀態(tài)切換的時間，測試流程如下：

（1） 車輛從西口駛入巷道內，進入路口Ⅰ。向南拐進西巷道，觸發(fā)放行邏輯時系統(tǒng)的周期時間為5 146 μs，交通燈切換狀態(tài)耗時0.88 s。

（2） 車輛繼續(xù)向南行駛，進入路口Ⅱ。標志卡進入電子圍欄，上位機發(fā)送報警指令，報警器閃爍紅燈并連續(xù)播報“車輛進入彎道，請注意避讓”。車輛繼續(xù)行駛拐入南巷道。標志卡從另一側走出電子圍欄，上位機發(fā)送停止指令，報警器立即停止閃爍和報警。到頭拐入東巷道，觸發(fā)放行邏輯時系統(tǒng)的周期時間為5 580 μs，交通燈切換狀態(tài)耗時0.91 s。

（3） 車輛沿東巷道向北行駛，進入路口Ⅲ。向東拐出至東門，觸發(fā)放行邏輯時系統(tǒng)的周期時間為5 240 μs，交通燈切換狀態(tài)耗時0.92 s。

（4） 車輛沿原路線返回，經(jīng)過路口Ⅲ、路口Ⅱ、路口Ⅰ。此時沿線交通燈狀態(tài)相反。觸發(fā)放行邏輯時系統(tǒng)的周期時間分別為5 412 ，6 041和5 880 μs，交通燈切換狀態(tài)耗時分別為0.91，0.87和0.89 s。

測試結果表明：交通燈自動控制系統(tǒng)相關控制邏輯均正確。邏輯判定響應時間遠小于系統(tǒng)內部循環(huán)周期（200 ms），交通燈狀態(tài)切換延遲小于1 s。彎道報警器正確報警，信息發(fā)布系統(tǒng)運行正常。

4.2 現(xiàn)場驗證

中煤陜西榆林大海則煤業(yè)有限公司大海則煤礦使用無軌車輛執(zhí)行井下運輸任務，在錄車輛約140輛，運輸線路不固定且運輸任務繁重，重要路口流量大。

大海則煤礦交通燈自動控制系統(tǒng)布置如圖16所示。交通燈自動控制系統(tǒng)在該現(xiàn)場已安裝運行6個月，重點布置管控4個路口。1號邏輯控制器布置在聯(lián)絡巷三岔路口，處于副立井升井通道附近，各向車流量較大，車輛在路口聯(lián)巷內無序停車，缺乏有效的路口管控機制。2號邏輯控制器布置在北翼輔運聯(lián)巷三岔口處，此處為北翼交通要道，存在路口視野盲區(qū)。3號邏輯控制器布置在南翼入口，控制四岔路口。4號邏輯控制器布置在南翼輔助運輸大巷入口處，該處設置有風門，存在會車盲區(qū)。3號和4號路口間距較短，中間僅設置1個定位基站，減少短距離相鄰路口處定位基站的安裝數(shù)量。

觀察一段時間的運行狀態(tài)，結果顯示：

1號邏輯控制器連續(xù)放行一側車輛后正確切換另一側車輛放行，執(zhí)行優(yōu)先放行。實現(xiàn)車流均衡放行，不在某一側堆積擁堵。配置停車時間門限為15 s，防止放行岔口內車輛長時間停車影響其他岔口放行。由于運行流量較大，后續(xù)又適當增大了入列門限、閉鎖門限和解鎖門限的距離，擴大路口控制區(qū)域。

2號邏輯控制器一側車輛接近路口，交通燈狀態(tài)提示另一側禁行，能夠提高盲區(qū)錯車效率與安全性。實際生產(chǎn)運行過程中，右側岔口無車進入，因此直接通過上位機將當前路口配置為一個直角路口，減少設備配置數(shù)量。

3號與4號邏輯控制器共用相同基站的UDP數(shù)據(jù)，分別采用輪詢轉發(fā)和被動接收的方式共用關聯(lián)路段內基站的UDP數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，最大數(shù)據(jù)接收延遲小于300 ms，符合邏輯判斷實時性要求。驗證了UDP收發(fā)模塊的穩(wěn)定性。

3號邏輯控制器所在路口為一個四岔口，有一側岔口未開放通行。經(jīng)觀察，將當前上位機配置為四岔口，不影響實際三岔口的運行，驗證了當前系統(tǒng)配置的廣泛適配性。

4號邏輯控制器發(fā)布的交通燈狀態(tài)能夠實時指示風門兩側車輛執(zhí)行直接通過或等待放行，優(yōu)化了風門盲區(qū)處的通過機制。

邏輯控制器存儲的闖紅燈信息能實時發(fā)布在上位機系統(tǒng)上。邏輯控制器配置有控制異常報警機制，出現(xiàn)基站故障，所有交通燈顯示故障狀態(tài)。通過上位機發(fā)布定時切換或PC控制指令，邏輯控制器切換交通燈狀態(tài)，實現(xiàn)遠程控制。

5 結論

（1） 交通燈自動控制系統(tǒng)通過UWB精確定位分站獲取車輛定位卡數(shù)據(jù)信息。依據(jù)UWB精確定位基站的技術特征，系統(tǒng)設計了位置信息和行駛狀態(tài)2個控制參數(shù)，確定了定位基站在典型路口處的分布要求，規(guī)定了岔口的排序原則和優(yōu)先級。

（2） 交通燈自動控制系統(tǒng)集成了自動控制、手動控制和定時切換3種控制模式，設置了多種放行機制和區(qū)間管控策略。結合控制系統(tǒng)具體的通信需求，交通燈自動控制系統(tǒng)對通信模塊進行了優(yōu)化，設計了通用的UDP協(xié)議傳輸模塊、串口協(xié)議信息傳輸模塊及Modbus TCP客戶端與服務器模塊。

（3） 交通燈自動控制系統(tǒng)在模擬巷道的測試表明：交通燈自動控制系統(tǒng)的邏輯代碼運行正常，邏輯響應時間小于200 ms，交通燈狀態(tài)切換的響應時間小于1 s。信息發(fā)布系統(tǒng)運行正常，彎道報警器能正確執(zhí)行報警指令?？刂葡到y(tǒng)的控制性能穩(wěn)定，控制時效性高。

（4） 交通燈自動控制系統(tǒng)在大海則煤礦現(xiàn)場的使用狀況良好，車輛管控效果顯著，進一步驗證了交通燈自動控制系統(tǒng)的管控性能。路口信息配置靈活，能夠高度適配現(xiàn)場各個形式的路口，滿足具體的路口管控需求；通過調整控制門限，控制系統(tǒng)能夠調整路口控制區(qū)域的大小，適應現(xiàn)場運輸流量的變化；定位基站采用不同的數(shù)據(jù)獲取策略，減少了精確定位分站的安裝數(shù)量，降低了交通燈自動控制系統(tǒng)的施工成本；交通燈自動控制系統(tǒng)整體接入輔助運輸上位機，真正實現(xiàn)了信息監(jiān)測、信息發(fā)布和遠程輔控；上位機能夠實時監(jiān)測井下車輛的交通調度狀態(tài)，監(jiān)控車輛的駕駛行為，實現(xiàn)了交通燈的遠程管控，提高了輔助運輸系統(tǒng)的集成化、信息化和網(wǎng)絡化水平。