煤礦井下防爆膠輪車安全運(yùn)行智能化系統(tǒng)的應(yīng)用

張萬永

（中煤平朔發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西朔州 036000）

0 引言

隨著能源需求的不斷擴(kuò)大，對煤礦的發(fā)展要求越來越高，本質(zhì)安全與智能化礦井建設(shè)已被國家列入相關(guān)要求。礦井井下輔助運(yùn)輸設(shè)備如絞車、架空電車、單軌吊、齒軌車、防爆膠輪車等運(yùn)輸設(shè)備在斜井和立井中普及使用。隨著新時代煤礦安全發(fā)展硬性需求，煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備不斷淘汰更新。防爆膠輪車運(yùn)輸以其高效性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性而發(fā)展為礦井井下輔助運(yùn)輸?shù)闹饕问健?/p>

據(jù)不完全統(tǒng)計，全國中大型礦井，特別是在大區(qū)域煤炭生產(chǎn)基地，礦井輔助運(yùn)輸85%以上使用防爆膠輪車運(yùn)輸。但隨著煤礦井下膠輪車的大量投入使用以及煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，井下防爆膠輪車輔助運(yùn)輸?shù)牟话踩匀找嫱怀觯踩鹿暑l頻發(fā)生，急需建立防爆膠輪車使用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)煤礦本質(zhì)安全發(fā)展的需求。在防爆膠輪車現(xiàn)有安全狀況下進(jìn)行理論探討和可行性研究，為盡快發(fā)展煤礦井下無軌膠輪車安全運(yùn)行智能系統(tǒng)的應(yīng)用打下堅實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

針對井下防爆膠輪車生產(chǎn)廠家不一、車型眾多的特點(diǎn)（經(jīng)調(diào)查礦用防爆膠輪車至少有20 多個種類，大小、尺寸不一），目前對井下現(xiàn)有車輛的安全要求僅停留在生產(chǎn)廠家根據(jù)自身設(shè)計和使用采購單位要求安裝簡易的車載報警和倒車報警等常規(guī)的安全保護(hù)，對車輛安全運(yùn)行和人員防撞達(dá)不到本質(zhì)安全可靠性，存在極大的缺陷，這也是導(dǎo)致井下無軌膠輪車發(fā)生安全事故和人身事故的根本原因。以WCJS18RE 型防爆無軌膠輪車為例，說明該車型的基本功能、結(jié)構(gòu)及使用。

1 WCJS18RE 型防爆無軌膠輪車

WCJS18RE 型防爆無軌膠輪車是一款以防爆柴油機(jī)為動力，液力傳動、四輪驅(qū)動的井下無軌式運(yùn)輸機(jī)械。主要用于煤礦井下人員運(yùn)輸，采用國產(chǎn)六缸發(fā)動機(jī)，性能穩(wěn)定，動力強(qiáng)勁；特質(zhì)煤礦井下專用運(yùn)人底盤，安全系數(shù)高、運(yùn)行穩(wěn)定、速度快、制動安全，可實(shí)現(xiàn)煤礦井上至井下一次性運(yùn)輸人員，降低了工人勞動強(qiáng)度，是井下人員運(yùn)輸?shù)氖走x車型。主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）特制高強(qiáng)度中央鉸接車架，分體長度短，適應(yīng)于斜井、罐籠立井；四輪驅(qū)動，爬坡能力強(qiáng)，通過性好。

（2）采用雙回路液壓制動系統(tǒng)（在其中一條液壓回路出現(xiàn)故障時，另一條液壓回路可以正常實(shí)施制動），提高制動安全性能。

（3）設(shè)置行車、駐車緊急兩套制動系統(tǒng)，兩套制動系統(tǒng)相互獨(dú)立互不干涉。行車制動采用輪邊濕式多盤制動器，能夠適應(yīng)長距離下坡工況。駐車、停車制動采用美國進(jìn)口元件，為失效安全性（即在車輛行車制動系統(tǒng)失效、或發(fā)動機(jī)突然停機(jī)時，制動器失去油壓，內(nèi)部制動彈簧回位，制動器鎖死，從而實(shí)現(xiàn)自動制動停車，進(jìn)一步提高安全性能）。設(shè)有手動解除制動系統(tǒng)，方便維修及拖車。

（4）采用多種安全保護(hù)措施提高安全性能，包括排氣溫度、發(fā)動機(jī)水溫、發(fā)動機(jī)表面溫度、低水位、機(jī)油壓力、瓦斯?jié)舛鹊龋渲腥魏我豁?xiàng)指標(biāo)超出或不達(dá)標(biāo)，車輛立即自動停車熄火保護(hù)。

（5）采用新型防爆波紋盤式阻火裝置，質(zhì)量輕，可減少功率損失15%，日常清理維護(hù)方便、排氣阻力小、運(yùn)行成本低，更換波紋片便可達(dá)到新阻火器的性能。

（6）采用煤礦專用底盤，液壓助力中央鉸接轉(zhuǎn)向，拐彎半徑小，機(jī)動靈活，駕駛舒適性好。

（7）全封閉式客箱，運(yùn)行安全性好，車廂內(nèi)可增設(shè)操縱機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙向駕駛。

（8）車廂三門側(cè)開，內(nèi)部有通長的左、右雙排座椅，各座位試制保險帶，便于乘坐。

（9）后車廂內(nèi)設(shè)置報警按鈕，便于乘車人員與司機(jī)溝通。

（10）第四代國Ⅲ高壓共軌柴油機(jī)，排放達(dá)到GB 20891—2014第3 階段要求。

（11）車輛互鎖裝置：當(dāng)后車廂車門打開時，停車制動器自動處于工作狀態(tài)，確保乘車人員安全。

（12）車輛閉鎖裝置：行車過程中車輛自動閉鎖，車門無法打開，確保行車安全。

通過WCJS18RE 型防爆無軌膠輪車的相關(guān)技術(shù)要求和功能使用可以看出，礦井防爆膠輪車雖然通過改造加裝防碰撞、可視等安全設(shè)施，但仍存在設(shè)計上氣動起停車保護(hù)連鎖不可靠不穩(wěn)定、制動系統(tǒng)故障、未設(shè)置超速限速保護(hù)、視線盲區(qū)、井下條件、管理缺陷等原因而發(fā)生碰、撞、擠等車輛損壞、傷人事故，達(dá)不到本質(zhì)安全的效果和目的。在對于如何安全運(yùn)行，怎樣做到安全可靠，杜絕設(shè)備和人身事故，達(dá)到輔助運(yùn)輸本質(zhì)安全還沒有完整的體系標(biāo)準(zhǔn)和切實(shí)可靠的具體措施，是急需解決的問題。

2 輔助運(yùn)輸本質(zhì)安全體系建立標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施措施

煤礦井下防爆膠輪車運(yùn)輸真正實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全運(yùn)行，應(yīng)做好以下工作：①車輛必須使用更加安全可靠的濕式多盤制動器；②車輛應(yīng)具有先導(dǎo)本安型電控、液控聯(lián)鎖自動啟停車控制方式；③車輛超速時自動限速控制功能；④具有煤礦井下人與車、車與車區(qū)域定位功能，通過物聯(lián)原理實(shí)現(xiàn)車輛區(qū)域識別、集束散發(fā)、人車分離、精準(zhǔn)測距、報警停車的可靠的本質(zhì)安全系統(tǒng)，進(jìn)而將物聯(lián)原理推廣到煤礦其他區(qū)域系統(tǒng)。

前三項(xiàng)工作標(biāo)準(zhǔn)可以在設(shè)計、技術(shù)革新上解決，以下重點(diǎn)論述如何實(shí)現(xiàn)煤礦井下人與車、車與車區(qū)域定位功能，通過物聯(lián)原理實(shí)現(xiàn)車輛范圍識別、集束散發(fā)、人車分離、精準(zhǔn)測距、報警停車的可靠的本質(zhì)安全系統(tǒng)。

按照國家建設(shè)煤礦智能化礦井要求，礦井必須建設(shè)完善煤礦井下六大系統(tǒng)，其中人員精確定位系統(tǒng)包括環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、讀卡分站、人員定位分站、識別卡、電源箱、終端等，目前各礦井在建設(shè)礦井時都已實(shí)現(xiàn)。

人員定位系統(tǒng)是一種結(jié)合位置物聯(lián)網(wǎng)、GIS 可視化等技術(shù)，通過系統(tǒng)智能分析和多源數(shù)據(jù)的立體展示，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度全方位了解井下全區(qū)域人員空間位置，對井下人員有序調(diào)度，實(shí)時安全預(yù)警及應(yīng)急狀態(tài)智能調(diào)控，有效提高安全管理。

目前，一些礦井簡單實(shí)現(xiàn)了對車輛的點(diǎn)位置定位管理，并能實(shí)時傳送到調(diào)度集中監(jiān)控調(diào)度管理。但實(shí)現(xiàn)車輛安全運(yùn)行和人員安全管理，杜絕運(yùn)輸事故和人員傷害，就必須做好人車互聯(lián)、車車互聯(lián)，也就是井下每輛車都能實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的每一個入井人員、每一輛車進(jìn)行識別并進(jìn)行智能安全判斷，實(shí)現(xiàn)絕對安全。解決方案是在煤礦現(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)（如采煤工作面輔助運(yùn)輸巷道，有人有車的巷道）車輛和人員定位（范圍識別）；車輛對人員識別（一對多點(diǎn)），辨識人員、精準(zhǔn)測距；設(shè)定安全距離語音提醒和報警停車。安全距離識別精準(zhǔn)度是確保人員安全的可靠保障，要具備識別人員坐在車輛內(nèi)部的三維空間定位功能，和在安全距離內(nèi)（如9 m 內(nèi)開始報警，1.5 m 內(nèi)停車）實(shí)現(xiàn)絕對保護(hù)。絕對保護(hù)就是人員在車輛以外1.5 m 范圍內(nèi)確保車輛自動停車。在人員辨識方面，為提高精準(zhǔn)辨識人員，可以在車輛前后及盲區(qū)位置增加基于人體感溫傳感熱成像智能防護(hù)系統(tǒng)，和人員位置定位系統(tǒng)相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

關(guān)于井下人員精確定位系統(tǒng)，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，目前煤礦安裝使用的井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)商有十幾家，系統(tǒng)不統(tǒng)一，軟硬件不一樣，給井下無軌膠輪車安全運(yùn)行智能系統(tǒng)的安裝應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)車輛智能系統(tǒng)與礦井現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)軟硬件的兼容是必須優(yōu)先解決的問題。需要開發(fā)一個車輛智能模塊化子系統(tǒng)，與各礦井的人員定位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行兼容，這需要礦井人員定位監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)單位參與合作或提供相關(guān)的兼容措施。

3 防爆膠輪車輔助運(yùn)輸智能化管理系統(tǒng)的研究運(yùn)用

3.1 系統(tǒng)概況

智能化礦山基礎(chǔ)信息平臺、信息管控平臺、智能化車載終端系統(tǒng)，需要安裝井下交通信號燈和更換原基站內(nèi)定位模塊，從而實(shí)現(xiàn)防爆膠輪車精準(zhǔn)定位與智能調(diào)度、紅綠燈自動控制、車輛超速監(jiān)測報警、重點(diǎn)區(qū)域限流和限入、人員安全防護(hù)及車載智能終端顯示功能。同時，通過定位、視頻、語音、廣播系統(tǒng)的互聯(lián)互通與應(yīng)急聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)人車一體化調(diào)度，貫徹“叫得靈、叫得通”的系統(tǒng)特征，隨時呼叫目標(biāo)車輛，及時與礦調(diào)度室及其他部門和人員建立聯(lián)系，提高運(yùn)輸工作效率與礦井輔助運(yùn)輸安全保障性（圖1）。

圖1 防爆膠輪車輔助運(yùn)輸智能化管理系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)建設(shè)

輔助運(yùn)輸智能信息化生產(chǎn)管控系統(tǒng)包括車輛調(diào)度、物資管理、運(yùn)輸過程監(jiān)測等環(huán)節(jié)，聯(lián)動控制，借助輔助運(yùn)輸車輛運(yùn)行信息管控平臺，實(shí)現(xiàn)對車輛基本信息、運(yùn)維信息、車輛運(yùn)行等信息的統(tǒng)一管理。車載智能化系統(tǒng)包括車載智能終端、毫米波雷達(dá)、基于熱成像的人員智能防護(hù)系統(tǒng)、駕駛員危險動作識別系統(tǒng)、倒車影像、倒車?yán)走_(dá)等，用于提升輔助運(yùn)輸車輛的信息化水平和主動安防能力。

（1）采用先進(jìn)、成熟、實(shí)用的UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）定位技術(shù)，靜態(tài)定位精度可達(dá)到30 cm。

（2）井下控制箱采集、分析車輛實(shí)時位置信息。

（3）系統(tǒng)決策信號參考車輛位置、方向、數(shù)量、時間等多種條件綜合判斷控制信號燈，提高系統(tǒng)的通用性。

3.3 主要功能

（1）車輛定位：基于UWB 精確定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車輛在井下的實(shí)時位置信息監(jiān)測，并能夠以車輛的位置信息為基礎(chǔ)進(jìn)行車輛行駛避讓信號的自動控制；定位準(zhǔn)確，為信號閉鎖提供車輛接近、進(jìn)入和離開信號控制區(qū)域提供實(shí)時的、準(zhǔn)確的依據(jù)。

（2）信息展示功能：系統(tǒng)軟件顯示定位卡號、當(dāng)前坐標(biāo)、距離值、移動方向等車輛實(shí)時信息。

（3）報警提醒功能：可展示所有車輛的報警信息，包含車牌號、開始時間、報警類型等，其中報警類型又可分為超速報警、闖紅燈報警、超時停留報警、闖入報警、低電壓報警、求救報警等。

（4）信號燈自動控制：系統(tǒng)能夠按照礦井車輛運(yùn)行方式、礦井條件和車輛的定位信息，自動控制井下交叉路口、錯車硐室設(shè)置的信號燈。信號自動控制時，可實(shí)現(xiàn)車輛接近優(yōu)先閉鎖、區(qū)間占用閉鎖、區(qū)間車輛超限閉鎖，閉鎖可區(qū)分車輛類型（重型車、輕型車）控制。地面系統(tǒng)主備機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)故障時，不影響井下信號控制功能。

（5）人工調(diào)度優(yōu)先功能：系統(tǒng)具備人工調(diào)度優(yōu)先的功能。特殊情況下，可通過地面主機(jī)的系統(tǒng)軟件發(fā)送調(diào)度命令，指定區(qū)間車輛上行或下行的優(yōu)先順序，井下控制箱按照接收的控制命令對信號燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)地面人工調(diào)度。

（6）數(shù)據(jù)管理功能：系統(tǒng)軟件監(jiān)聽并存儲總線數(shù)據(jù)，能夠?qū)\(yùn)行過程數(shù)據(jù)、系統(tǒng)操作記錄等信息進(jìn)行存儲、查詢，可以對車輛歷史軌跡進(jìn)行回放、重演，還可對車輛運(yùn)行、司機(jī)違章、車輛出現(xiàn)的故障信息等建立數(shù)據(jù)庫管理。

（7）遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)管理功能：系統(tǒng)軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，可方便地與全礦井平臺或其他系統(tǒng)平臺匯接。

（8）車輛運(yùn)行信息管理：可實(shí)時記錄、顯示井下車輛運(yùn)行情況，及車速、里程、水溫、油溫等車輛運(yùn)行信息。

（9）車輛運(yùn)維信息管理：對礦上使用的各種型號車輛進(jìn)行全生命周期管理，記錄從到礦后的維修信息，包括維修時間、配件更換情況、維修費(fèi)用等信息，建立數(shù)據(jù)庫管理，依托于維修信息的記錄分析，可以實(shí)現(xiàn)針對各種型號車輛的年/月/周維修費(fèi)用統(tǒng)計、易損壞部件統(tǒng)計、易損壞部件計劃性維修等功能。

（10）車載智能化管理：具備車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示、車輛運(yùn)行視頻顯示、語音交互、司乘對講等功能；具備撥號、語音通話、視頻通話等功能，通過井下的通信網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度通話功能；通過采集、判斷車輛運(yùn)行信息，具備超速報警、車輛故障判斷功能；具備數(shù)據(jù)上傳功能，可借助井下通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)視頻、車輛運(yùn)行信息上傳功能。

4 結(jié)語

防爆膠輪車輔助運(yùn)輸智能化應(yīng)用改造可以基本實(shí)現(xiàn)井下車輛調(diào)度、定位、報警、信息傳送的信息自動化，但仍然沒有實(shí)現(xiàn)膠輪車輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑举|(zhì)安全運(yùn)行，沒有徹底解決人車互聯(lián)、人車三維識別以及人體感溫傳感熱成像的智能化要求，與當(dāng)前以至今后煤礦的本質(zhì)安全發(fā)展仍有差距，需要進(jìn)一步將理論研究和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，推廣使用井下5G 系統(tǒng)的智能化研究和升級，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的礦山智能數(shù)字化管理，以實(shí)現(xiàn)防爆膠輪車輔助運(yùn)輸?shù)谋举|(zhì)安全。