基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統

劉 毅，王帥龍，沈博源，陳浩浩

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

煤炭是我國的主要能源，礦井軌道運輸是煤炭生產的重要運輸方式，軌道運輸列車受物料等異物灑落、超速、追尾、及其他人為因素影響，易發生掉車、脫軌等事故，一旦發生安全事故，不僅給列車本身帶來了損壞，更威脅到了工作人員的生命健康，也嚴重影響礦井運輸的效率和煤礦的正常運營?，F有煤礦井下列車安全監控系統主要以沿軌道安裝的各類開關傳感器為主，這種方法所需傳感器數量多，建設成本高，不易維護，維護成本高。列車自身安裝的傳感器一般只能監測牽引機車的運行狀態，無法監測整個列車的運行狀態。所以急切需要一種成本低，工程實施簡單，可準確對礦井軌道運輸列車整體的運行狀態進行監測，準確有效地對掉車、脫軌等事故隱患進行預警和報警的方法與系統。

1 系統設計

1.1 總體設計

本文設計了一種基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統，主要包括速度檢測單元、列車檢測單元、無線通信網絡、有線通信網絡以及監控終端。

所述速度檢測單元部署在礦井運輸軌道周邊，包括位置開關、測速模塊、數據處理器A，位置開關、測速模塊通過電纜連接數據處理器A；所述位置開關靠近安裝軌道安裝，用于監測列車的位置；所述測速模塊安裝在軌道上方的頂板或支架上，用于測量列車的行駛速度；所述光通信發送模塊臨近測速模塊安裝，用于發送包括列車的行駛速度數據的光信號。

所述列車檢測單元部署在列車上，包括光通信接收模塊、加速度測量組、數據處理器B和聲光報警模塊，無線通信模塊；所述光通信接收模塊安裝在列車的車頭位置，用于接收光信號，獲取列車行駛速度數據，通過有線或無線通信方式連接數據處理器B進行通信。所述加速度測量組包括至少兩個加速度傳感器，傳感器1和傳感器M，分別安裝在列車的牽引機車車頭和車位位置，加速度傳感器通過有線或無線通信方式連接數據處理器B進行通信。所述數據處理器B負責處理加速度數據和速度數據，通過車頭和車尾的加速度數據判定列車行駛狀態，當監測到數據異常則控制聲光報警單元發出聲光報警信號，并控制無線通信模塊通過無線通信網絡和有線通信網絡向監控終端發送報警信息。

1.2 工作過程

系統檢測列車行駛狀態的工作過程為：

（1）列車行駛中觸發位置開關，數據處理器A接收開關信號。

（2）數據處理器A控制測速模塊對列車行駛速度進行測量。

（3）數據處理器A控制光通信發送模塊發送包括列車的行駛速度的光信號。

（4）數據處理器B通過光通信接收模塊接收光信號，獲取列車行駛速度數據ν。

（5）數據處理器B以采樣頻率f連續采集加速度傳感器的加速度數據S秒為傳感器1和傳感器M的直線距離，f為設定值。

（6）數據處理器B參考列車行駛速度，通過車頭和車尾的加速度數據判定列車行駛狀態，當監測到數據滿足預警條件，則控制聲光報警單元發出聲光報警信號，并通過無線通信網絡；當監測到數據滿足報警條件，則控制列車緊急制動停車。

2 系統具體結構

基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統實施如圖1所示，系統包括：

圖1 基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統示意圖

（1）數據處理器B（101），數據處理器B負責處理加速度數據和速度數據，通過車頭和車尾的加速度數據判定列車行駛狀態，當監測到數據異常則控制聲光報警單元發出聲光報警信號，并控制無線通信模塊通過無線通信網絡和有線通信網絡向監控終端發送報警信息。數據處理器B可采用可編程控制器或以單片機為核心處理芯片并帶有完整外圍輔助電路的裝置，本示例采用可編程控制器。

（2）光通信接收模塊（102），光通信接收模塊安裝在列車的車頭位置，用于接收光信號，獲取列車行駛速度數據，通過有線或無線通信方式連接數據處理器B進行通信。光通信接收模塊采用以光敏二級管為核心元件，并具有放大電路和濾波電路的裝置。

（3）傳感器1（103），傳感器1通過有線或無線通信方式連接數據處理器B進行通信，采用以三軸加速度傳感器為核心元件，且具有完整輔助電路和有線或無線通信功能的模塊。傳感器1安裝在列車的牽引機車車頭位置，平行于列車的車廂底板平面安裝，z軸垂直于列車車廂底板平面，x軸平行于列車行駛方向。

（4）傳感器M（104），傳感器M通過有線或無線通信方式連接數據處理器B進行通信，采用以三軸加速度傳感器為核心元件，且具有完整輔助電路和有線或無線通信功能的模塊。傳感器M安裝在列車的牽引機車尾部，平行于列車的車廂底板平面安裝，z軸垂直于列車車廂底板平面，x軸平行于列車行駛方向。

（5）無線通信模塊（105），無線通信模塊為無線通信網絡的移動通信終端設備，用于列車與井上監控終端通信。

（6）聲光報警模塊（106），具有聲光報警功能，受數據處理器B（101）控制進行聲光報警。

（7）位置開關（107），位置開關可采用紅外接近感應開關、紅外對射感應開關或行程開關，本示例采用紅外接近感應開關，靠近軌道安裝。

（8）測速模塊（108），本示例測速模塊采用多普勒測速模塊，通過電纜連接數據處理器A，測速數據由數據處理器A根據多普勒測速模塊產生脈沖頻率計算得到。

（9）光通信發送模塊（109），光通信發送模塊負責發送包括列車的行駛速度數據的光信號，采用以發光二級管為核心元件的模塊。

（10）數據處理器A（110），數據處理器A負責根據位置開關的脈沖信號驅動測速模塊進行測速，并控制光通信發送模塊發送包括列車的行駛速度數據的光信號。數據處理器B可采用可編程控制器或以單片機為核心處理芯片并帶有完整外圍輔助電路的裝置，本示例采用以單片機為核心的裝置。

（11）無線通信基站（111），是無線通信網絡的接入設備，負責包括無線通信模塊（105）在內的移動通信終端設備的無線接入通信，與井下交換機（112）通過有線方式連接通信。

（12）井下交換機（112），是有線通信網絡的井下交換設備，負責井下有線通信設備的數據交換，多個井下交換機可組成礦用數據環網，通過通信線纜連接核心交換機（113）。

（13）核心交換機（113），是有線通信網絡的核心交換設備，負責有線通信網絡中所有設備的數據交換。

（14）監控終端（114），負責顯示礦井軌道運輸列車的運行狀態，為系統使用人員提供人機管理界面和接口。監控終端具有聲光報警功能，當接收到列車異常的預警或報警信息，則聲光報警。

3 監測具體流程

基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統監測流程如圖2所示：

圖2 基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統監測流程圖

（1）數據處理器A檢測位置開關信號，如有信號輸入則執行步驟2，否則繼續檢測。

（2）數據處理器A控制測速模塊對列車行駛速度進行測量。

（3）數據處理器A控制光通信發送模塊發送包括列車的行駛速度的光信號。

（4）數據處理器B通過光通信接收模塊接收光信號，獲取列車行駛速度數據ν。

（5）數據處理器B連續采集加速度傳感器的加速度數據。

（6）數據處理器B參考列車行駛速度，對車頭和車尾的加速度數據進行處理。

（7）根據步驟6的數據處理結果判定是否滿足報警條件，如滿足則執行步驟8，否則執行步驟9。

（8）數據處理器B控制列車緊急制動。

（9）根據步驟6的數據處理結果判定是否滿足預警條件，如滿足則執行步驟10，否則返回步驟1繼續檢測。

（10）數據處理器B控制聲光報警模塊發出聲光報警信號。

（11）數據處理器B控制無線通信模塊發出列車報警信息。

（12）列車報警信息通過無線通信網絡和有線通信網絡傳輸至監控終端，監控終端顯示報警信息并聲光報警。

根據以上流程所述，系統監測列車的次數與系統速度檢測單元部署密度相關，要提高監測實時性則需增加速度檢測單元數量，增加速度檢測單元數量，則會增加系統硬件和維護成本。為解決這一矛盾問題，需列車檢測單元具有自主速度檢測能力和監測自主觸發能力，不完全依靠速度檢測單元。因此，可在列車上增加通過檢查車輪轉速的速度傳感器，并在數據處理器B設置定時器，自動定時啟動監測流程，進一步保證系統實時性。此外可在列車中部每個車廂安裝了加速度傳感器，所述傳感器安裝方法與（103）、（104）相同，可進一步保證系統監測的精度和準確性。

4 結束語

本文系統設計了一種基于延時數據監測的礦井軌道運輸感知系統，用于對礦井軌道運輸列車整體運行狀態進行監測。本系統設計核心組成部分為2個加速度傳感器，通過這2個設備可實現礦井列車整體運行狀態監測所需數據的采集，通過對采集的延時數據的處理，可實現對列車整車縱向和橫向的異常變化的監測，監測結果可靠，易于工程實施。本系統可結合井下無線定位技術和系統，使系統結構進一步簡化，提高系統的實時性，限于篇幅，本文不再對具體方案進行贅述。