礦用無軌膠輪車調度系統的設計及應用分析

謝昌辰

（晉能控股集團寺河煤礦，山西 晉城 048200）

1 概況

與傳統的有軌交通方式相比，無軌膠輪車更具優越性，在煤礦生產中得到了廣泛的應用。然而，由于礦井路面不平、視線不佳、道路狹窄等諸多不利條件，嚴重影響著無軌膠輪車的安全。在礦井中，如果車輛運行調度不當，可能會引起礦井內車輛相撞，從而影響礦井的正常生產，甚至會引起重大的安全事故和人身傷亡。在煤礦井下，通過規劃調度系統，實現無軌膠輪車的安全調度，是保證行車安全的一種行之有效的方法。本文就是以晉能控股煤業集團某煤礦為背景，對無軌膠輪車的調度系統進行了設計和研究，并在實踐中收到了很好的應用效果[1]。

2 無軌膠輪車調度系統整體方案設計

2.1 整體方案

晉能控股煤業集團某煤礦無軌膠輪車調度系統的總體方案見圖1。整個系統包括三個主要部分：井上運輸調度中心、井下監測基站、通訊模塊。井下監測基站主要由監控攝像機、信號燈、接收節點、發送節點組成，主要功能是采集井下無軌膠輪車的狀態信號，同時還采集到重要路口的信號燈狀況和視頻監測信息。井上運輸調度中心主要由服務器、監控屏、控制器等組成，其主要功能是通過對井下的數據進行分析、挖掘，從而判斷出其具體的位置，并根據礦井的實際狀況對車輛進行科學、安全的調度，以防止車輛在巷道中發生碰撞[2]。通訊系統主要是為了在監測基站和調度中心之間建立數據通訊。

圖1 無軌膠輪車調度系統整體方案

2.2 定位原理

由于無軌膠輪車推進器在工作過程中是實時運動的，所以傳輸端和接收端是采用無線電通信。在無軌膠輪車上設置了一個傳輸節點，每個車輛都配備了一個傳輸節點，并且每個傳輸節點都具有特定的代碼。在礦井中，接收節點按特定的間隔設置。在調度系統運行過程中，發送端以特定的頻率發送帶有數字和方位的數據，臨近的接收節點會獲取對應的頻率信號，發送給運輸調度中心的控制端進行數據處理，并最終進行車輛位置的確定[3]。

3 無軌膠輪車的調度過程分析

井下定位和接收指示信號的信號組成了一個調度系統。圖2中顯示了無軌道膠輪車的調度程序。在巷道內，每隔一定的間隔設一個避車硐室，在硐室的兩邊各設有一個信號燈，這兩個硐室之間的空間叫做行車區域。當車輛進入避車硐室時，調度系統將自動判定前方行車區間內有無車輛通過，若無，該車輛可直接進入前方行車區間；若在前方行車區間內發現與本車輛相反的車輛，則進入避車硐室進行避讓；當前方行車區域內有一輛車在行駛，并且在同一方向上行駛時，該車輛會在信號燈亮起的情況下與前面的車輛保持一定的安全距離；當交通信號燈為綠色時，該車輛才能進入前面的行車區域。

圖2 無軌膠輪車調度過程

此外，在巷道的重要位置，例如斜度大、拐彎處，安裝了高分辨率的防爆攝像機，可以讓指揮中心的工作人員對重點區域進行監控。在遇到緊急狀況時，指揮中心的工作人員可以人工控制交通信號，及時提醒小車駕駛員及時關注到異常情況，確保無軌膠輪車的行駛[4]。

4 調度系統主要硬件選型

4.1 處理器的選型

作為整個調度中心的處理器，其全部的信息都要經過通訊網絡傳送至處理器進行處理，并輸出最終的計算結果。CPU 在進行數據分析后，會發出相應的控制指令，并通過發出相應控制信號來進行交通信號的控制。根據礦山的具體條件，可選擇了西門子S7-200型智能控制裝置，該型號控制裝置在行業中得到了廣泛的使用，具有性能穩定、編程方便、通用性強等優勢，I/O 端口豐富，能夠與各種類型的硬件設備相聯接，保證了整個調度體系的擴展性。此款CPU已集成以太網RS485接口，能實現各種不同的通訊方式。

4.2 定位模塊的選型

該定位系統由一個發送端和一個接收端組成。本設計采用CC2530型的單片機作為核心，采用Zigbee技術進行無線數據傳送，其中包括了信號的接收、發送等多種應用，提高了系統的整體硬件和設備的兼容性，避免了因硬件不相容而造成的不穩定問題。CPU 采用8051處理器，其性能參數滿足實際使用需求。CC2530系列的單片機，抗干擾性強，適用于礦井中較為復雜的礦井作業，其檢測精度高，檢測靈敏，該方法還提供了RSSI 的位置控制，使整個調度體系的架構得到了極大的優化，提高了定位結果的準確度。圖3顯示了無軌膠輪車的定位模組。

圖3 無軌膠輪車定位模塊通信

4.3 交換機的選型

交換機是通訊中的一個關鍵部件，它是井下和地下通訊的一個樞紐，在井下的各個地點，都必須用工業以太網的方式和中央交換器相連，以便與地面指揮中心實現信息交互和控制指令的發送。該系統采用KJJ18本質安全型交換機，其額定工作溫度區間為0℃~40℃，相對濕度為95%，氣壓80~100kPa。KJJ18系列交換機能夠實現RS485 和工業以太網通訊，其通訊速率超過100m，能有效地實現對視頻數據的實時傳送，具有高速和低延時的特點[5]。

5 調度系統的軟件設計

調度系統的軟件部分是整個系統的核心，同時也是實現系統功能的核心，井下軟件程序作為系統功能實現的基礎，本文將對軟件程序進行重點介紹。井下段的主要功能是采集無軌膠輪車運行狀態的參數信息，并通過獲取的參數判斷車輛實際的位置與行進的方向。同時，通過井上部件的控制命令，實現對信號燈的控制。井下的各個硬件模塊必須與軟件相配合，以達到各種功能。圖4是整個礦井系統的軟件結構方塊圖。

圖4 井下部分軟件整體構成

在該圖中，最關鍵的是確定了無軌道膠車的位置和移動的方位，如圖5所示，說明了該無軌膠輪車的定位方法的基本流程。在進行調度時，探測節點會持續地接收到從運動節點發送來的信號。在接收到三個由相同的運動結點發送的數據時，可以從中篩選出三個強度最大的信號，每個數據集都有一個唯一的RSSI，這個RSSI 值可以確定每個運動結點與探測結點的間距。通過RSSI 的數值，可以求出二者的間距，然后利用三角形中心的方法，求出運動結點的空間坐標，也就是車輛的精確定位。

圖5 無軌膠輪車定位方法流程圖

在對無軌膠輪車的運動方向進行判定時，主要依據在固定檢測節點與移動節點間的RSSI 值。RSSI 越小，則表示二者之間的距離越遠，反之，RSSI越大，則表示兩者之間的距離越近，利用該方法可以對車輛的行駛方向進行判定[6]。

6 調度系統的實踐應用分析

通過對晉能控股煤業集團某礦井的實際運行，對該礦井的各種性能指標進行了檢測，試驗歷時3 個多月，以證實該方案的有效性[7]。

經反復試驗，所研制的排程控制方案能夠很好地完成各個功能，達到了預定的目標。在礦井內對該系統進行了調試后，進行了車輛的位置精度測試，并進行了10次測試，取得了良好的效果，圖6為精度測量結果。汽車的位置精度為0.2~1.0m，可充分地適應礦井生產的要求。該系統能夠精確地安排礦山內的交通工具，大大提高了調度的效率。采用本裝置后，沒有發生重大的無軌膠輪車相撞事件，為礦井生產提供了可靠的保障[8]。

圖6 無軌膠輪車定位精度試驗測量結果

7 結語

本文以晉能控股煤業集團某煤礦的無軌膠輪車為例，進行了無軌膠輪車的調度系統的設計與研制。該調度系統分為三個主要的模塊，即井上運輸調度中心、井下監測基站、井上與井下的數據信息交換的通信模塊。該方法的基本思想是獲取礦井內的無軌膠輪車的位置和行車的方位，并利用巷道內的交通信號來進行車輛的調配，避免由于井下的突發狀況造成的意外事故。采用該方法研制的無軌膠輪車排程系統，取得了較好的經濟效益，并達到了各方面的要求。