礦用膠輪車調度系統設計

王 斌

（晉能控股集團陽泉煤炭事業部陽泉新瑞昌機械有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦用無軌膠輪車是煤礦重要的輔助運輸裝備，具有調度靈活、運輸成本低、維修方便的特點。隨著煤礦井下無軌膠輪車投入運行數量的不斷增加，由膠輪車引發的井下安全事故不斷增多，特別是在巷道狹窄、光線昏暗、轉彎處、三岔口、斜坡等關鍵點處容易發生擁堵，嚴重時甚至引發井下安全交通事故。為提升煤礦井下無軌膠輪車運行效率，保障無軌膠輪車安全、穩定運行，亟需設計并開發一套礦用無軌膠輪車調度系統[1]。該系統能夠使膠輪車運輸靈活，按照信號燈統一行使，關鍵點合理調度，防止出現擁堵和安全事故；合理分配膠輪車資源，在地面及時掌握井下膠輪車運行狀態，達到降本增效的目的。國外學者對礦用膠輪車調度系統的研究較早，如20 世紀70 年代德國Blumenthaler 煤礦將膠輪車監控系統投入使用，并實現了車輛自主調度。美國JOY 研發的車輛調度系統可記錄膠輪車上下井時間及行駛軌跡，當膠輪車偏離預定軌跡后，調度系統會發出報警，極大地提高了膠輪車運行的安全性[2-4]。國內學者基于單板機、多機網絡通信控制器、WinCC 等設計了膠輪車調度系統，但還存在膠輪車數據不完整、運行效率不高、調度策略不合理、安全事故頻發等問題[5-6]。本文針對現有膠輪車調度系統存在問題，設計基于無線傳輸的礦用膠輪車調度系統，實現膠輪車的監控、定位和自動控制。

1 整體結構設計

礦用膠輪車調度系統整體結構設計如圖1 所示，其由地面、井下兩部分系統組成，地面系統的主站控制器為控制核心，負責接收井下膠輪車運行時的全部信息，并完成數據存儲、數據備份、數據終端顯示及大屏顯示；同時，將地面控制指令經核心交換機后下發至各控制分站。井下系統由核心交換機、1～n 號交換機、1～n 號控制分站及井下膠輪車組成。可將1 號控制分站及在該分站無線覆蓋范圍內的膠輪車看作一個節點，在該節點內布置攝像儀、語音報警、信號燈、檢測節點等設備，獲取該節點內膠輪車視頻信息并上傳至對應的交換機；控制分站根據路況、運行優先級控制信號燈，使得該節點內的膠輪車有序運行，當發生故障或者行進過程中需要語音提示時，觸發語音報警[7]。在膠輪車車身安裝車速、油溫、油壓、位移等傳感器，實時監測膠輪車運行狀態；安裝的未知節點周期性地向無線基站發送車輛信息；安裝的車輛信息監測儀監測各傳感器數據是否在設定的閾值范圍內，當超出閾值時，發出故障報警信號。

圖1 礦用膠輪車調度系統整體設計框圖

2 硬件設計

礦用膠輪車調度系統的核心硬件主要包括主站控制器、交換機、車輛監測儀、未知節點、檢測節點及分站控制器等。主站控制器選用研華610-H/L，該設備數據處理實時性好、穩定性高，可在煤礦井下惡劣環境中長時間穩定工作。該設備支持TCP/IP、CAN、RS485 等通信方式，有豐富的I/O 接口，可滿足礦用膠輪車調度系統要求。交換機選用本質安全型KJJ18 核心交換機，支持TCP/IP、CAN、RS485 通信，可提供4 路千兆TCP/IP 接口、1 路RS485 接口、1 路CAN 總線通信接口，符合IEEE802.3 協議，支持令牌網、環形網結構。車輛信息監測儀選用YE0.3/24 保護監測儀，可監測的轉速范圍為0～5 000 r/min，溫度檢測范圍為0～160 ℃，瓦斯檢測范圍為0.00～4.00%，車速監測范圍為0～150 km/h；該模塊的供電電壓為DC24V[8-9]。未知節點及檢測節點選用TC3390+RSSI 模塊，該模塊核心芯片采用TC3390，支持Wi-Fi 無線通信，具有功耗低、靈敏度好、抗干擾能力強的特點[10]。該模塊支持RSSI 定位算法，其中未知節點安裝在膠輪車車體，周期性地向無線基站發送車輛信息；檢測節點安裝于巷道煤壁固定未知，接收車載監測儀發送的數據，同時將數據轉發給井下分站控制器。分站控制器需完成膠輪車定位并與主站完成信息交互及控制信號燈，選用西門子S7-200SMART PLC 控制器，該控制器支持RS485、CAN 總線通信，可同時處理多路信息并完成數據交互，可根據功能要求擴展數字量、模擬量及通信接口模塊。

3 軟件設計

3.1 安全行車規則

礦用無軌膠輪車行駛于寬巷道中時，需遵循“紅燈停、綠燈行”規則靠右行駛，不得停車、不得掉頭，跟車距離需保持在50 m 以上，載物車速不超過40 km/h，載人車速不超過30 km/h，上下坡車速不超過15 km/h，起步或者倒車時需鳴笛示意，經過拐彎、上下坡時需鳴笛通過。礦用無軌膠輪車行駛于窄巷道時，還需特別遵循靠中間行駛的原則，載物車速不超過30 km/h，載人車速不超過20 km/h，上下坡車速不超過10 km/h；區間內嚴格限制車輛數目；不允許在該區間內倒車、調頭。礦用無軌膠輪車行駛于三岔巷道中時，還需特別遵循該區段最多只允許一輛車行駛的原則，需根據下一巷道結構調整行車狀態，嚴格按照信號指示燈行駛，必要時駛入避車室內。

3.2 車輛行駛方向判定

膠輪車行駛的巷道內安裝有檢測節點，車輛經過時，會被多個檢測節點檢測到，定義信號強度分別為RSSIn1、RSSIn2、RSSInm，篩選出信號強度最強的兩個節點，定義為RSSIn1、RSSIn2，則表明車輛在該兩個檢測節點區間內。定義信號強度強為1，信號強度弱為-1，則當RSSIn1=-1 且RSSIn2=1 時，車輛向檢測節點n2方向行駛；當且時，車輛停止；當且時，車輛停止；當且時，車輛向檢測節點n1方向行駛。

3.3 車輛進出區間判定

車輛進出區間判定的目的是確認當前時刻在本區間內膠輪車的數量，定義檢測節點檢測到的信號最強的兩個節點為Xi、Yj，其中X、Y 表示區間名稱，i、j 表示車輛在該區間內的編號。定義R 為判斷條件，則R=X-Y，當R=0 時，則表示兩個節點在同一行車區間，膠輪車在該區間內；當R≠0 時，則表示兩個節點不在同一行車區間，膠輪車處于避車區間。

3.4 車輛調度策略

礦用膠輪車調度策略即控制車輛的行駛或者停車，需在安全行車的前提下，綜合考慮巷道類型、區間內車輛的數量、行駛方向等。調度整體流程如圖2所示，依次步驟為：提取行車區間編號、根據編號判斷區間巷道類型、調用相應巷道類型的控制程序、得出車輛控制流程。

圖2 礦用膠輪車調度整體流程

礦用膠輪車調度策略分為直線寬巷道、直線窄巷道、三岔巷道三種情形。定義膠輪車最長車身長度為lmax，兩車之間的安全距離為ds，則一輛膠輪車在巷道內的總長lmaxs可表示為lmaxs=lmax+ds。定義車輛行駛的巷道總長為L，則該區間巷道最大可容納的膠輪車數量nmax可表示為nmax=L/lmaxs。實際調度過程中，控制策略需根據車輛進入或者駛出該區間的特征，分析在該區間內可容納的車輛數目Q 進行車輛調度，定義Q=nmax-n。當Q＞0 時，表示該區間可駛入新的車輛，信號燈為綠；當Q=0 時，表示該區間車輛數據達到最大，不可駛入，信號燈為紅。定義車輛之間的安全距離為dS，實際距離為d，則車距條件S 可表示為S=d-dS。當S＞0 時，表示實際運行車輛距離大于安全距離；當S＜0 時，表示實際運行車輛距離小于安全距離，應減速慢行。針對直線窄巷道、三岔巷道車輛調度控制流程如下頁圖3、圖4 所示。

圖3 直線窄巷道調度控制

圖4 三岔巷道調度控制

4 結語

設計并實現的礦用膠輪車調度系統，有效解決了煤礦輔助運輸運行效率低下、故障較高的問題，為煤礦井下安全生產提供了有力保障?，F場實際應用表明，該調度系統運行穩定、可靠、高效，顯著提升了煤礦輔助運輸系統的管理水平。