礦用無(wú)軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

謝昌辰

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦，山西 晉城 048200）

1 概況

與傳統(tǒng)的有軌交通方式相比，無(wú)軌膠輪車更具優(yōu)越性，在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于礦井路面不平、視線不佳、道路狹窄等諸多不利條件，嚴(yán)重影響著無(wú)軌膠輪車的安全。在礦井中，如果車輛運(yùn)行調(diào)度不當(dāng)，可能會(huì)引起礦井內(nèi)車輛相撞，從而影響礦井的正常生產(chǎn)，甚至?xí)鹬卮蟮陌踩鹿屎腿松韨?。在煤礦井下，通過(guò)規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軌膠輪車的安全調(diào)度，是保證行車安全的一種行之有效的方法。本文就是以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某煤礦為背景，對(duì)無(wú)軌膠輪車的調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，并在實(shí)踐中收到了很好的應(yīng)用效果[1]。

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

2.1 整體方案

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某煤礦無(wú)軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的總體方案見(jiàn)圖1。整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分：井上運(yùn)輸調(diào)度中心、井下監(jiān)測(cè)基站、通訊模塊。井下監(jiān)測(cè)基站主要由監(jiān)控?cái)z像機(jī)、信號(hào)燈、接收節(jié)點(diǎn)、發(fā)送節(jié)點(diǎn)組成，主要功能是采集井下無(wú)軌膠輪車的狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)還采集到重要路口的信號(hào)燈狀況和視頻監(jiān)測(cè)信息。井上運(yùn)輸調(diào)度中心主要由服務(wù)器、監(jiān)控屏、控制器等組成，其主要功能是通過(guò)對(duì)井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘，從而判斷出其具體的位置，并根據(jù)礦井的實(shí)際狀況對(duì)車輛進(jìn)行科學(xué)、安全的調(diào)度，以防止車輛在巷道中發(fā)生碰撞[2]。通訊系統(tǒng)主要是為了在監(jiān)測(cè)基站和調(diào)度中心之間建立數(shù)據(jù)通訊。

圖1 無(wú)軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體方案

2.2 定位原理

由于無(wú)軌膠輪車推進(jìn)器在工作過(guò)程中是實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的，所以傳輸端和接收端是采用無(wú)線電通信。在無(wú)軌膠輪車上設(shè)置了一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，每個(gè)車輛都配備了一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)都具有特定的代碼。在礦井中，接收節(jié)點(diǎn)按特定的間隔設(shè)置。在調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)送端以特定的頻率發(fā)送帶有數(shù)字和方位的數(shù)據(jù)，臨近的接收節(jié)點(diǎn)會(huì)獲取對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，發(fā)送給運(yùn)輸調(diào)度中心的控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并最終進(jìn)行車輛位置的確定[3]。

3 無(wú)軌膠輪車的調(diào)度過(guò)程分析

井下定位和接收指示信號(hào)的信號(hào)組成了一個(gè)調(diào)度系統(tǒng)。圖2中顯示了無(wú)軌道膠輪車的調(diào)度程序。在巷道內(nèi)，每隔一定的間隔設(shè)一個(gè)避車硐室，在硐室的兩邊各設(shè)有一個(gè)信號(hào)燈，這兩個(gè)硐室之間的空間叫做行車區(qū)域。當(dāng)車輛進(jìn)入避車硐室時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)將自動(dòng)判定前方行車區(qū)間內(nèi)有無(wú)車輛通過(guò)，若無(wú)，該車輛可直接進(jìn)入前方行車區(qū)間；若在前方行車區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)與本車輛相反的車輛，則進(jìn)入避車硐室進(jìn)行避讓；當(dāng)前方行車區(qū)域內(nèi)有一輛車在行駛，并且在同一方向上行駛時(shí)，該車輛會(huì)在信號(hào)燈亮起的情況下與前面的車輛保持一定的安全距離；當(dāng)交通信號(hào)燈為綠色時(shí)，該車輛才能進(jìn)入前面的行車區(qū)域。

圖2 無(wú)軌膠輪車調(diào)度過(guò)程

此外，在巷道的重要位置，例如斜度大、拐彎處，安裝了高分辨率的防爆攝像機(jī)，可以讓指揮中心的工作人員對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。在遇到緊急狀況時(shí)，指揮中心的工作人員可以人工控制交通信號(hào)，及時(shí)提醒小車駕駛員及時(shí)關(guān)注到異常情況，確保無(wú)軌膠輪車的行駛[4]。

4 調(diào)度系統(tǒng)主要硬件選型

4.1 處理器的選型

作為整個(gè)調(diào)度中心的處理器，其全部的信息都要經(jīng)過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至處理器進(jìn)行處理，并輸出最終的計(jì)算結(jié)果。CPU 在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，會(huì)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，并通過(guò)發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行交通信號(hào)的控制。根據(jù)礦山的具體條件，可選擇了西門子S7-200型智能控制裝置，該型號(hào)控制裝置在行業(yè)中得到了廣泛的使用，具有性能穩(wěn)定、編程方便、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，I/O 端口豐富，能夠與各種類型的硬件設(shè)備相聯(lián)接，保證了整個(gè)調(diào)度體系的擴(kuò)展性。此款CPU已集成以太網(wǎng)RS485接口，能實(shí)現(xiàn)各種不同的通訊方式。

4.2 定位模塊的選型

該定位系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)送端和一個(gè)接收端組成。本設(shè)計(jì)采用CC2530型的單片機(jī)作為核心，采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳送，其中包括了信號(hào)的接收、發(fā)送等多種應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的整體硬件和設(shè)備的兼容性，避免了因硬件不相容而造成的不穩(wěn)定問(wèn)題。CPU 采用8051處理器，其性能參數(shù)滿足實(shí)際使用需求。CC2530系列的單片機(jī)，抗干擾性強(qiáng)，適用于礦井中較為復(fù)雜的礦井作業(yè)，其檢測(cè)精度高，檢測(cè)靈敏，該方法還提供了RSSI 的位置控制，使整個(gè)調(diào)度體系的架構(gòu)得到了極大的優(yōu)化，提高了定位結(jié)果的準(zhǔn)確度。圖3顯示了無(wú)軌膠輪車的定位模組。

圖3 無(wú)軌膠輪車定位模塊通信

4.3 交換機(jī)的選型

交換機(jī)是通訊中的一個(gè)關(guān)鍵部件，它是井下和地下通訊的一個(gè)樞紐，在井下的各個(gè)地點(diǎn)，都必須用工業(yè)以太網(wǎng)的方式和中央交換器相連，以便與地面指揮中心實(shí)現(xiàn)信息交互和控制指令的發(fā)送。該系統(tǒng)采用KJJ18本質(zhì)安全型交換機(jī)，其額定工作溫度區(qū)間為0℃~40℃，相對(duì)濕度為95%，氣壓80~100kPa。KJJ18系列交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)RS485 和工業(yè)以太網(wǎng)通訊，其通訊速率超過(guò)100m，能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，具有高速和低延時(shí)的特點(diǎn)[5]。

5 調(diào)度系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

調(diào)度系統(tǒng)的軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心，井下軟件程序作為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，本文將對(duì)軟件程序進(jìn)行重點(diǎn)介紹。井下段的主要功能是采集無(wú)軌膠輪車運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)信息，并通過(guò)獲取的參數(shù)判斷車輛實(shí)際的位置與行進(jìn)的方向。同時(shí)，通過(guò)井上部件的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈的控制。井下的各個(gè)硬件模塊必須與軟件相配合，以達(dá)到各種功能。圖4是整個(gè)礦井系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)方塊圖。

圖4 井下部分軟件整體構(gòu)成

在該圖中，最關(guān)鍵的是確定了無(wú)軌道膠車的位置和移動(dòng)的方位，如圖5所示，說(shuō)明了該無(wú)軌膠輪車的定位方法的基本流程。在進(jìn)行調(diào)度時(shí)，探測(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)地接收到從運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信號(hào)。在接收到三個(gè)由相同的運(yùn)動(dòng)結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，可以從中篩選出三個(gè)強(qiáng)度最大的信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)集都有一個(gè)唯一的RSSI，這個(gè)RSSI 值可以確定每個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)點(diǎn)與探測(cè)結(jié)點(diǎn)的間距。通過(guò)RSSI 的數(shù)值，可以求出二者的間距，然后利用三角形中心的方法，求出運(yùn)動(dòng)結(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，也就是車輛的精確定位。

圖5 無(wú)軌膠輪車定位方法流程圖

在對(duì)無(wú)軌膠輪車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行判定時(shí)，主要依據(jù)在固定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的RSSI 值。RSSI 越小，則表示二者之間的距離越遠(yuǎn)，反之，RSSI越大，則表示兩者之間的距離越近，利用該方法可以對(duì)車輛的行駛方向進(jìn)行判定[6]。

6 調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦井的實(shí)際運(yùn)行，對(duì)該礦井的各種性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)歷時(shí)3 個(gè)多月，以證實(shí)該方案的有效性[7]。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，所研制的排程控制方案能夠很好地完成各個(gè)功能，達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。在礦井內(nèi)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試后，進(jìn)行了車輛的位置精度測(cè)試，并進(jìn)行了10次測(cè)試，取得了良好的效果，圖6為精度測(cè)量結(jié)果。汽車的位置精度為0.2~1.0m，可充分地適應(yīng)礦井生產(chǎn)的要求。該系統(tǒng)能夠精確地安排礦山內(nèi)的交通工具，大大提高了調(diào)度的效率。采用本裝置后，沒(méi)有發(fā)生重大的無(wú)軌膠輪車相撞事件，為礦井生產(chǎn)提供了可靠的保障[8]。

圖6 無(wú)軌膠輪車定位精度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

本文以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某煤礦的無(wú)軌膠輪車為例，進(jìn)行了無(wú)軌膠輪車的調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。該調(diào)度系統(tǒng)分為三個(gè)主要的模塊，即井上運(yùn)輸調(diào)度中心、井下監(jiān)測(cè)基站、井上與井下的數(shù)據(jù)信息交換的通信模塊。該方法的基本思想是獲取礦井內(nèi)的無(wú)軌膠輪車的位置和行車的方位，并利用巷道內(nèi)的交通信號(hào)來(lái)進(jìn)行車輛的調(diào)配，避免由于井下的突發(fā)狀況造成的意外事故。采用該方法研制的無(wú)軌膠輪車排程系統(tǒng)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，并達(dá)到了各方面的要求。