煤礦井下車輛信息化調度系統設計

丁守坤

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著礦井綜合自動化水平的提高，目前采、掘、運、礦井提升等系統的實時監控、調度和保護功能已經比較健全。但無軌輔助運輸車輛綜合智能調度系統功能尚不完善，現有的煤礦調度系統尚未與車輛監控保護系統、駕駛人員識別系統相結合，功能單一，無法對車輛的各項參數進行采集、上傳、分析，無法完全融入礦井綜合調度管理系統。大型礦井需要功能更加完善的煤礦井下車輛智能調度系統，以提高井下車輛的自動化管理及運營水平，經綜合研究分析，設計了一種煤礦井下車輛信息化調度系統。

1 總體架構

該煤礦井下車輛信息化調度系統應用于神東煤炭集團補連塔煤礦新掘2.8 km井筒、輔運大巷(1-2/2-2煤層)約5.7 km段和地面車庫、地面廣場車輛行車范圍內，可以實現車輛監測和保護、行車視頻監視、通話調度指揮、運營管理統計、系統信息展示、發布和網絡共享等功能。

依據調度系統實現的功能，系統設計的總體架構如圖1所示。從系統組成設備的邏輯層級、物理空間布置以及功能實現等角度，系統分為工業現場前端設備、車載信息化設備、后臺設備和軟件應用部署3個部分。

2 煤礦井下車輛信息化調度系統硬件設計

2.1 車輛精確定位、信號控制

調度系統基于TOA技術實現車輛在其運行區域范圍內的識別和定位。每臺車輛均安裝定位標識卡，并配置了唯一的車輛身份識別信息。井下車輛監控調度基站安裝在巷道沿線，能夠對半徑150 m內的車輛標識卡進行識別和測距，實現井下車輛的連續精確定位，定位精度小于4 m。在井下車輛運行范圍的關鍵場所設置信號燈，信號燈就近接入監控調度基站。基站根據控制邏輯進行信號決策，直接控制信號燈，實現信號自動控制。調度中心監控調度軟件通過GIS技術實時顯示各區域信號燈狀態，調度員在必要時可以發送信號燈控制指令，實施人工干預[1-2]。

圖1 系統總體架構

在井下預先設計的固定位置安裝機車監控調度基站對車輛進行精確定位，基站接收車輛定位識別卡發送的數據，監測車輛位置，并通過CAN總線傳送車輛位置信息。基站自動按照車輛類型、位置等信息并根據控制邏輯進行信號決策，直接控制信號機，實現信號自動控制，信號機控制結果通過CAN總線傳送。CAN總線信號通過基站中的網絡單元轉換為光纖網絡信號，進入礦井通信網絡，實現井下與地面的信息交互[3]。車輛精確定位與信號控制設備的連接關系結構如圖2所示。

圖2 連接關系結構

2.2 固定場所視頻監控前端設備

調度系統在井口、井下交叉路口關鍵位置設置多臺隔爆兼本質安全型攝像儀，在地面廣場布置多臺攝像儀，設備具有以太網光纖接口，接入礦井工業環網。通過在PC機安裝網絡視頻客戶端軟件(iVMS-9600)，將視頻信息投射至井口調度室電視墻，實現24 h視頻監控并存儲、監視視頻圖像切換、人員闖入信息聯動。視頻監控前端設備的連接結構如圖3所示。

圖3 監控設備的連接結構

2.3 車輛信息化裝置

調度系統為每臺車均配置車輛信息化裝置，用于實現車輛泊車輔助、車載視頻實時查看、行車安全輔助、車輛數據獲取與記錄、4G無線車輛數據通信以及4G無線車載音視頻調度通話等功能，通過提升車輛的信息化水平確保車輛運行的安全性能。車輛信息化裝置的組成結構如圖4所示。

圖4 車輛信息化裝置組成結構

車輛信息化裝置具有CAN總線接口并連接至車載CAN總線，能夠獲取車輛運行的實時數據。裝置具有4G無線網關設備，車輛能夠通過4G無線網絡通道與其他網絡節點(地面或井下)進行數據交互。調度中心監控調度軟件可實時監測所有在線車輛的運行參數，實時圖形化同步車輛駕駛室儀表，并且可以查看指定車輛的車載攝像儀實時行車視頻[4]。

車輛信息化裝置基于4G無線網絡實現地面調度室與車輛、車輛與車輛之間的音、視頻通話。地面調度室配置了多媒體觸摸調度臺，可實現電話會議、插話、終止等通話管理調度功能。

3 調度中心軟件應用部署

系統軟件由基于C/S架構的監控調度系統(圖5)和基于B/S架構的運營管理系統(圖6)兩部分組成，軟件系統間通過共享數據庫實現數據交互。

圖5 基于C/S架構的監控調度系統框架

圖6 基于B/S架構的運營管理系統框架

軟件系統在邏輯上分為數據采集、數據存儲、核心處理、核心應用拓展應用5個層級。數據采集層實現對定位調度基站、車輛等現場前端設備原始數據的采集獲取；數據存儲層實現將原始數據分類存放于實時數據庫和歷史數據庫；核心處理層即基礎軟件層，將現場原始數據進行解析，并進行邏輯分析和業務處理；在核心應用層，一方面實現調度中心客戶端的監控、調度及授權等功能，另一方面實現數據查看、數據分析和報表統計等礦企應用；最后，在拓展應用層，實現數據信息的發布和查看[5]。

監控調度軟件系統由調度員在調度室的專用工作站計算機上進行查看和操作，可以實現車輛運行情況實時監測、車輛設備狀態參數實時監測、行車信號監控、車載視頻監控、定點視頻監控和音視頻通話指揮調度等功能。調度中心設有行車調度工作站、車輛監控工作站、運營管理工作站和視頻監控工作站等。運營管理軟件系統通過瀏覽器訪問網頁的方式進行查看和操作，調度室人員、車隊管理辦公室人員、車庫調度員及其他管理人員等可根據各自權限，在礦井辦公網絡內進行登錄操作，實現車輛管理、司機管理及運營統計分析等功能。具體設置有車隊調度工作站、單車核算工作站、車輛點檢工作站和車隊辦公室工作站等。系統軟件通過OPC服務器對外發布系統運行及管理數據，納入全礦井綜合自動化系統實施統一管理[6]。

4 關鍵技術

1)巷道內車輛精確定位技術。巷道內車輛位置精準識別是實現車輛檢測和井下交通調度指揮的基礎，確保無線定位的測距高精準度、方向判斷準確、實時性強、切換快等性能指標至關重要。由于無線電磁波在煤礦井下狹窄巷道內傳輸過程中存在多徑干擾，導致信號衰減嚴重，影響測距的穩定性和一致性。因此，在大覆蓋范圍內，對多張車輛標識卡進行實時精確定位技術是研究的關鍵點和難點。

2)4G寬帶傳輸通道及其網絡配置技術。要實現礦井內外大量的數據、語音及視頻信息的交互，需要穩定可靠的寬帶傳輸技術來保障。4G無線寬帶技術具有傳輸帶寬高(下行100 Mbit/s，上行50 Mbit/s)、延時短、容量大、覆蓋廣等優點，接入礦井核心網(局域網)涵蓋井下部分，無線移動設備在地面使用時則要利用公網(運營商提供)進行數據通信。重點研究車輛在井下和地面運行時的通信銜接(或漫游)問題。

3)車輛狀態實時監測及4G無線傳輸技術。在煤礦井下巷道及其他具有4G無線網絡覆蓋區域內，應用數據采集與智能傳感技術實時監測車輛的運行參數，借助礦井環網實現數據無線傳輸。

4)系統軟件開發。綜合調度管理軟件是系統的核心部分，是系統設計實現工作中的重要內容和關鍵性環節。軟件系統的關鍵點涵蓋系統架構、數據采集、并發運算處理、遠程控制、基于GIS的動態集成顯示、業務應用集成等多方面。設計上采用統一的架構，使用規范標準的數據和服務接口，并具備高可擴展性和穩定性。軟件設計要解決大數據量的高速、穩定采集，多并發運算處理，設備遠程控制的及時有效性等問題。利用GIS技術集成定位系統、車載參數監測系統，實施動態顯示各元素位置、狀態。

5)行車信號自動控制技術。通過計算機分析處理車輛類型、位置、區間占用等多重信息，自動控制信號燈，實現交通信號自動控制功能。

5 主要技術參數

1)系統容量(車輛)不小于500臺。

2)4G傳輸終端參數：

供電電源：DC16～48 V；

通信制式：TD-LTE或FDD-LTE；

頻率范圍：1 785～1 805 MHz；

傳輸速率：上行不小于50 Mbit/s,下行不小于100 Mbit/s；

終端接入時延：小于100 m；

CAN總線接口：1個，傳輸速率20 000 bit/s。

3)參數本地存儲時間不小于72 h。

4)車輛定位精度小于4 m。

5)車輛調度控制分站：

防爆型式：礦用本質安全型；

供電電源：額定電源DC15 V(±20%)，電流≤200 mA；

定位接口：定位精度4 m，覆蓋范圍200 m；

485接口：1個，傳輸速率4 800 bit/s；

電平型開關量輸入：4路；

電平型開關量輸出：4路。

6)礦用本質安全型信號機：

防爆型式：礦用本質安全型；

供電電源：工作電壓DC12～18 V，工作電流不大于300 mA；

85接口：1個，傳輸速率4 800 bit/s；

觀察距離：在煤礦井下黑暗中距離100 m處正常目力可清晰辯明。

7)機載通信終端：

防爆型式：礦用澆封兼本質安全型或本質安全型；

供電電源：額定電源DC24 V(DC12 V)，電流≤3 A；

擴播響度：≥80 dB/m(A計權)；

無線通信：4 G。

6 實際運行效果

2016年12月，煤礦井下車輛信息化調度系統在神東煤炭集團補連塔煤礦地面廣場、2號輔運平硐、1-2煤層、2-2煤層及18臺運輸車上安裝完畢，2017年系統開始調試試運行。系統通過模擬檢測、車輛運行，驗證了系統的各項功能，實現了預期的設計目標。

7 結論

該煤礦井下無軌輔助運輸車輛的信息化調度系統可實現在井下和地面車庫、地面廣場車輛行車范圍內，對無軌運輸車輛進行監測和保護、行車視頻監視、通話調度指揮、運營管理統計、系統信息展示、發布和網絡共享等功能，確保車輛在自動信號指示下高效有序地安全運行，提升了我國礦井的現代化水平，取得了良好的經濟和社會效益。