地下礦斜坡道運(yùn)輸自動(dòng)化管控系統(tǒng)研究

李朝金

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 井下斜坡運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及意義

井下斜坡道是用于通行無(wú)軌設(shè)備、運(yùn)輸?shù)V石和無(wú)軌設(shè)備出入井下的傾斜通道。在金屬礦及其他礦山的生產(chǎn)開(kāi)采中占有舉足輕重的地位。斜坡道內(nèi)一般為單行道，相隔一定距離設(shè)錯(cuò)車道，但在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于車輛之間未設(shè)即時(shí)通訊，經(jīng)常發(fā)生車輛在單行道會(huì)車的情況，且礦山井下道路濕滑、路面狹窄、路況復(fù)雜，無(wú)論是上坡車還是下坡車讓路，都需要倒車，不僅直接影響車輛的運(yùn)行效率，而且也存在著較大的安全隱患。調(diào)度人員難以及時(shí)掌控井下車輛運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)井下車輛的監(jiān)控與調(diào)配。因此，開(kāi)發(fā)斜坡道運(yùn)輸車輛的智能化管理系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位調(diào)度指揮，防止車輛相互堵塞，保證車輛在斜坡道中的正常安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 井下斜坡運(yùn)輸現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)礦井生產(chǎn)安全問(wèn)題的重視日益提升，以及監(jiān)管力度的增強(qiáng)，礦井下主巷道運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化程度逐漸提高，大大改善了井下運(yùn)輸安全狀況。對(duì)金屬礦山斜坡道內(nèi)的運(yùn)輸安全進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控也逐漸被提上日程，但由于井下斜坡道環(huán)境的特殊性，以及斜坡道單向運(yùn)行的特點(diǎn)，如果不對(duì)斜坡道上的車輛進(jìn)行監(jiān)管，造成車輛碰撞或追尾事故的可能性極大，存在很大的安全隱患，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)和工作效率。為實(shí)現(xiàn)斜坡道車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)發(fā)一種斜坡道智能化管理系統(tǒng)尤為重要。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀分析

根據(jù)井下斜坡道作業(yè)環(huán)境和車輛運(yùn)行特點(diǎn)，本系統(tǒng)利用在上、下斜坡道路口埋設(shè)地感線圈的方法準(zhǔn)確檢測(cè)斜坡道口有無(wú)車輛通過(guò)和車輛行駛方向，確保斜坡道內(nèi)單一方向行車，無(wú)阻塞退讓情況發(fā)生，提高運(yùn)行效率，減少安全隱患；利用車輛安裝的RFID卡和監(jiān)測(cè)分站讀卡器實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛信息自動(dòng)識(shí)別；利用CAN總線技術(shù)，將斜坡道路口監(jiān)測(cè)分站監(jiān)測(cè)的地感線圈與RFID卡的數(shù)據(jù)上傳到地面上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各監(jiān)測(cè)分站之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)后，控制上、下斜坡道路口交通信號(hào)燈轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)斜坡道口出入車輛方向的指揮，同時(shí)識(shí)別進(jìn)出斜坡道車輛信息；利用上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)斜坡道上通過(guò)車輛的基本信息、運(yùn)行時(shí)間、軌跡及信號(hào)燈狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)顯示，并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢功能。

2 斜坡道運(yùn)輸智能化管理系統(tǒng)的組成與基本原理

地下礦斜坡道智能化管理系統(tǒng)主要由上、下斜坡道路口設(shè)置的地感線圈及其環(huán)路控制器（HRB）、RFID無(wú)線射頻卡、上下斜坡道路口處監(jiān)測(cè)分站、CAN總線（或者光纖網(wǎng)絡(luò)）、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、上下斜坡道路口交通信號(hào)指示燈等幾大單元所組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斜坡道智能化管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of ramp intelligent management system

在金屬礦山井下的上、下斜坡道路口設(shè)置交通信號(hào)指示燈，并埋設(shè)地感線圈，充分利用地感線圈自動(dòng)調(diào)諧、高靈敏度、反應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，精確感應(yīng)車輛的進(jìn)入并通過(guò)繼電器輸出開(kāi)關(guān)量指示信號(hào)，同時(shí)斜坡道行駛車輛安裝RFID卡，以一定的頻率發(fā)射射頻信號(hào)，并被上下斜坡道口處監(jiān)測(cè)分站內(nèi)讀卡器接收。各個(gè)分站之間通過(guò)CAN總線通信，當(dāng)傳輸距離較短時(shí)，直接利用CAN總線，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換端口將信息上傳到上位機(jī)處理，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用光纖經(jīng)光纖收發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，輸出上、下斜坡道路口交通信號(hào)指示燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，指示車輛行駛方向，封鎖對(duì)面車輛，保證斜坡道上車輛單向運(yùn)行暢通。同時(shí)通過(guò)三維顯示界面準(zhǔn)確顯示斜坡道上有無(wú)車輛、車輛通行方向、通行時(shí)間以及車輛基本信息，利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及打印輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下礦斜坡道運(yùn)輸?shù)闹悄芑芾恚_保其運(yùn)行的安全性與暢通性，提高了生產(chǎn)運(yùn)輸效率。

3 采用地感線圈實(shí)現(xiàn)上、下斜坡道路口車輛監(jiān)測(cè)

3.1 地感線圈的基本原理

地感線圈是兩通道的智能環(huán)路感應(yīng)器，用于檢測(cè)線圈上方車輛有無(wú)金屬物體，集成先進(jìn)的微處理器技術(shù)，主要適用于智能停車場(chǎng)、機(jī)動(dòng)車測(cè)速以及信號(hào)控制系統(tǒng)等。線圈引線連接到HRB。當(dāng)車輛通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)，導(dǎo)線圈的電感量發(fā)生變化，HRB內(nèi)部的智能控制器通過(guò)運(yùn)算判斷車輛的進(jìn)入和行駛方向，繼電器通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)量用以指示信號(hào)。

3.2 地感線圈在井下斜坡道車輛監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的利用地感線圈實(shí)現(xiàn)礦山上、下斜坡道路口車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 斜坡道路口車輛運(yùn)行監(jiān)測(cè)示意Fig.2 Schematic diagram of vehicle operation monitoring at ramp intersection

如圖2所示，當(dāng)車輛一旦到達(dá)地感線圈有效范圍內(nèi)，相應(yīng)的地感線圈的電感量發(fā)生變化，HRB內(nèi)部的智能控制器通過(guò)運(yùn)算判斷車輛的進(jìn)入和行駛方向，繼電器通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)量用以指示信號(hào)。以井下斜坡道上行口有車輛進(jìn)入為例，首先地感線圈A1電感量發(fā)生變化，相應(yīng)的繼電器A1閉合，隨著車輛的進(jìn)入，地感線圈B1電感量變化，繼電器B1閉合，相應(yīng)的上行口有車輛駛出時(shí)，繼電器B1先于繼電器A1閉合，并將繼電器輸出的開(kāi)關(guān)量指示信號(hào)傳到監(jiān)測(cè)分站，由開(kāi)關(guān)的先后閉合順序判斷車輛在斜坡道的行駛方向。上、下斜坡道路口處監(jiān)測(cè)分站監(jiān)測(cè)到該開(kāi)關(guān)量指示信號(hào)通過(guò)CAN總線上傳到地面上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制上、下斜坡道口指示燈，在有車輛駛?cè)肟谥甘緹艟G燈亮，對(duì)面入口紅燈亮，禁止車輛進(jìn)入，由指示燈的顏色可以控制車輛的運(yùn)行方向，保證斜坡道單向順暢運(yùn)行。

本系統(tǒng)無(wú)論中段上口或下口地感線圈先檢測(cè)到由車輛進(jìn)入引起的電感變化則先通行，保證了道路的暢通，綜合利用了地感線圈自動(dòng)調(diào)諧、高靈敏度、反應(yīng)快的特點(diǎn)，保證了井下斜坡道上、下車輛運(yùn)行的精確監(jiān)測(cè)與管理，能夠控制斜坡道交通的有序運(yùn)行，避免車輛堵塞、追尾以及撞車事故發(fā)生。

4 采用RFID實(shí)現(xiàn)斜坡道行駛車輛信息識(shí)別

RFID技術(shù)，主要由讀寫器、電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3部分組成。電子標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片（包括射頻收發(fā)模塊、控制模塊等）、收發(fā)天線和調(diào)制電路等構(gòu)成，具有智能讀寫以及通信加密等功能，讀寫器由控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和接口電路組成，用于接收電子標(biāo)簽發(fā)回的無(wú)線電射頻信號(hào)，經(jīng)處理后，獲取標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，以完成自動(dòng)識(shí)別的目的。射頻識(shí)別設(shè)備采用2.4 GHz超高頻頻段，具有通訊速率高，抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、多標(biāo)簽、距離傳輸遠(yuǎn)等傳統(tǒng)“傳感裝置”不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。RFID實(shí)現(xiàn)車輛信息識(shí)別原理如圖3所示 。

圖3 RFID實(shí)現(xiàn)車輛信息識(shí)別原理Fig.3 Schematic diagram of vehicle information identification based on RFID

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將進(jìn)出斜坡道口車輛全部編號(hào)，記錄相關(guān)信息，每輛車配備RFID卡一個(gè)，帶有車輛標(biāo)識(shí)卡的車輛行駛?cè)胄逼碌溃砸欢l率發(fā)送無(wú)線射頻信號(hào)，利用上位機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)識(shí)別車輛信息，并將車輛的有關(guān)信息（ID信息和運(yùn)行時(shí)間等）經(jīng)過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理軟件處理后顯示，使得外界工作人員不用下井就能掌控斜坡道上行駛車輛信息，以便進(jìn)行更好的監(jiān)控與調(diào)度，提高車輛運(yùn)輸效率的同時(shí)保證了作業(yè)安全。

5 CAN總線的應(yīng)用

CAN 總線技術(shù)作為一種新型的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具備可靠性極高、設(shè)計(jì)靈活以及價(jià)格低廉等卓越的性能和優(yōu)勢(shì)。地下礦斜坡道智能化管理系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)斜坡道口各個(gè)監(jiān)測(cè)分站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息向上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸。當(dāng)斜坡道內(nèi)車輛較多時(shí)，多個(gè)監(jiān)測(cè)分站同時(shí)向總線傳送數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)中止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而有效防止總線抵觸。因此，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)往上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)可直接采用即時(shí)傳送方式，保證系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。當(dāng)需要遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以利用CAN總線和光纖相結(jié)合的方案，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

6 上位機(jī)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在井上設(shè)置上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以顯示井下斜坡道路口車輛運(yùn)行信息，界面設(shè)計(jì)示意如圖4所示。

圖4 上位機(jī)三維監(jiān)控界面設(shè)計(jì)示意Fig.4 Schematic diagram of 3D monitoring interface design of upper computer

如圖4所示，斜坡道三維監(jiān)測(cè)界面，能夠形象的反映斜坡道內(nèi)車輛運(yùn)行情況、身份信息及通行時(shí)間，通過(guò)指示燈顯示上下斜坡道路口進(jìn)出車輛的運(yùn)行狀況以及系統(tǒng)故障警報(bào)信息。井上人員可以及時(shí)掌控井下車輛的信息，有效防止了車輛相互堵塞及事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下車輛的監(jiān)控與調(diào)配。

7 總結(jié)與展望

地下礦斜坡道運(yùn)輸智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了斜坡道內(nèi)車輛的有序行駛，能夠自動(dòng)識(shí)別斜坡道上行駛車輛的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的監(jiān)控與調(diào)度，提高斜坡道運(yùn)輸效率，有效保證了井下作業(yè)的安全。系統(tǒng)中的地感線圈、監(jiān)測(cè)分站、RFID識(shí)別卡等設(shè)備完全適應(yīng)金屬礦山井下潮濕、粉塵大的特殊環(huán)境，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以適應(yīng)不同環(huán)境的井下斜坡道。