礦井斜坡道無(wú)軌運(yùn)輸信號(hào)控制系統(tǒng)應(yīng)用

殷貴生

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司永平銅礦，江西 鉛山 334506)

1 系統(tǒng)概述

隨著采礦設(shè)備裝配技術(shù)不斷提高，目前井下開(kāi)采很多都是采用無(wú)軌運(yùn)輸方式進(jìn)行井下礦石運(yùn)輸。由于井下無(wú)軌運(yùn)輸方式車輛運(yùn)行存在著視距短，駕駛?cè)藛T難以掌握自身車輛前后一段范圍內(nèi)路段的車輛運(yùn)行情況，另外井下巷段寬度一般較窄，大都為單行道，隔一段距離設(shè)置避讓硐室，車輛在巷內(nèi)無(wú)法錯(cuò)車、掉頭，綜上及其它因素，井下車輛通行容易造成車輛相撞及車輛堵塞等情況，不僅給調(diào)度工作帶來(lái)極大困擾，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，關(guān)鍵是時(shí)時(shí)刻刻存在著較大的安全隱患。為了在一定程度上保障車輛的順暢通行，提高井下交通運(yùn)輸效率，減少交通事故發(fā)生，滿足礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)需求，研究、實(shí)施井下車輛運(yùn)輸自動(dòng)化調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。礦井輔助斜坡道無(wú)軌運(yùn)輸信號(hào)控制系統(tǒng)根據(jù)礦山井下斜坡道的交通狀況，進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控、指揮、調(diào)度，結(jié)合井下汽車作業(yè)的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用RFID(射頻識(shí)別技術(shù))、GIS(地理信息系統(tǒng))、CAN局域網(wǎng)控制和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等先進(jìn)技術(shù)，建立井下運(yùn)輸GIS監(jiān)控和指揮調(diào)度系統(tǒng)，有效解決礦井無(wú)軌運(yùn)輸實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和定位指揮調(diào)度問(wèn)題，保障斜坡道安全生產(chǎn)，提高運(yùn)輸效率。

系統(tǒng)為每個(gè)車輛配置具有唯一代碼的身份標(biāo)識(shí)卡，在斜坡道內(nèi)設(shè)置讀卡器節(jié)點(diǎn)(包括車輛識(shí)別和信號(hào)控制)，車輛標(biāo)識(shí)卡將自身相關(guān)信息定時(shí)向外發(fā)射，車輛在經(jīng)過(guò)監(jiān)控區(qū)域的節(jié)點(diǎn)時(shí)，讀卡器收到車輛標(biāo)識(shí)卡定時(shí)發(fā)射出的載波信號(hào)，根據(jù)聯(lián)鎖規(guī)則，信號(hào)被及時(shí)傳送到其它節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)收到信息后，判斷是否需要進(jìn)行交通信號(hào)邏輯聯(lián)動(dòng)切換控制，同時(shí)上報(bào)上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)顯示。地面調(diào)度還可以適時(shí)予以人工干預(yù)，以達(dá)到系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制、調(diào)度指揮和信號(hào)的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)。

礦井輔助斜坡道無(wú)軌運(yùn)輸信號(hào)控制系統(tǒng)主要由車輛檢測(cè)、信號(hào)控制、信息管理、系統(tǒng)通信四大單元構(gòu)成:

(1)車輛檢測(cè)單元:利用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，結(jié)合Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)車載終端與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)間的信息交互;

(2)信號(hào)控制單元:主要是利用微處理控制技術(shù)，對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行自動(dòng)控制，及時(shí)將巷道內(nèi)異常信息以圖文或聲光等形式告知調(diào)度人員和機(jī)車司機(jī);

(3)信息管理單元:主要是利用計(jì)算機(jī)信息管理技術(shù)，對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示和統(tǒng)計(jì);

(4)系統(tǒng)通信單元:利用CAN總線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)讀卡器之間以及讀卡器與上位機(jī)之間的信息通信。

2 系統(tǒng)需求分析

江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦斜坡道是實(shí)現(xiàn)礦井下不同層面聯(lián)通的重要通道。礦山井下斜坡道能否暢通對(duì)運(yùn)輸車輛安全通行、井下安全生產(chǎn)十分重要。輔助斜坡道無(wú)軌運(yùn)輸信號(hào)控制系統(tǒng)為礦山井下運(yùn)輸車輛、采掘設(shè)備提供高效、直達(dá)通道，為礦山井下交通運(yùn)輸、井下事故搶險(xiǎn)救援、人員撤離發(fā)揮重大作用。系統(tǒng)主要控制區(qū)域包含斜坡道入井口至－240m和－100m環(huán)形區(qū)域，斜坡道全長(zhǎng)約3000m，－100m環(huán)形區(qū)域約1300m。綜合分析，斜坡道車輛交通存在坡度大、彎道多、平巷交口多，局部路面濕滑等因素，需要通過(guò)可靠的車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與智能交通控制相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)單向行車、交口會(huì)車，保障車輛運(yùn)輸安全與高效率運(yùn)輸。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合井下斜坡道的特點(diǎn)，以架構(gòu)合理，安全可靠，產(chǎn)品主流，低成本，低維護(hù)量作為出發(fā)點(diǎn)，為礦山提供先進(jìn)、安全、可靠、高效的系統(tǒng)解決方案[3]。目前井下無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)信號(hào)解決的方案主要有:

(1)基于Wi－Fi技術(shù)為基礎(chǔ)的通信和定位一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的井下通信、定位系統(tǒng)，以光纜有線網(wǎng)絡(luò)為骨干，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為延伸，在井下設(shè)立若干基站，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無(wú)線混合型的局域網(wǎng)。優(yōu)點(diǎn)是帶寬高，傳連續(xù)視頻有優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是整個(gè)通訊線路是有多個(gè)WIFI設(shè)備采用無(wú)線接力，端子連接點(diǎn)多，任何一個(gè)設(shè)備或者一個(gè)連接端子故障，都會(huì)造成系統(tǒng)的傳輸故障，即使采取一些鏈路冗余或自修復(fù)技術(shù)，仍然潛在故障點(diǎn)多，穩(wěn)定性差。另外在彎道和障礙處要用光纖轉(zhuǎn)接，工程施工和維護(hù)量大。

(2)RFID非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[4]。它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。比較典型的為武漢七環(huán)電氣KJ150A產(chǎn)品，系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的井下通信、定位系統(tǒng)，在井下通行路段設(shè)讀卡器，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無(wú)線混合型的局域網(wǎng)。

(3)基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)。Zigbee技術(shù)是一項(xiàng)新的技術(shù)，是一種近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)方案采用RFID非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)嵌入Zigbee技術(shù)，實(shí)施車輛的位置傳感，利用智能化的信號(hào)燈作為指揮車輛運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而傳感器、信號(hào)燈與上位監(jiān)控機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信則采用高可靠的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并實(shí)現(xiàn)有線、無(wú)線環(huán)網(wǎng)。CAN總線簡(jiǎn)單穩(wěn)定，更適合對(duì)安全穩(wěn)定有絕對(duì)要求而對(duì)帶寬無(wú)要求的車輛交通信號(hào)系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)只需要一兩根線纜，只要安裝好維護(hù)好，再進(jìn)行雙路冗余，傳輸線纜是最穩(wěn)定可靠的方式。

系統(tǒng)共設(shè)置15個(gè)路段進(jìn)行保護(hù)，斜坡道設(shè)計(jì)13段，基本原則是每?jī)蓚€(gè)相鄰層面或調(diào)頭硐室之間做為一個(gè)區(qū)間，并且為了車輛通行效率最優(yōu)，每段距離不小于150m、不大于300m。系統(tǒng)為每個(gè)車輛配置具有唯一代碼和地址的RFID(ZigBee終端)發(fā)射裝置和唯一編碼無(wú)線識(shí)別卡。RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽，在系統(tǒng)中被稱為“車輛身份標(biāo)識(shí)卡”，車輛標(biāo)識(shí)卡作為待識(shí)別車輛的唯一電子標(biāo)記，實(shí)行“一車一卡”制，實(shí)際上是一個(gè)車載智能終端，由RFID識(shí)別模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊和CPU控制模塊組成。Zigbee為系統(tǒng)冗余識(shí)別讀卡，系統(tǒng)雙向?qū)崟r(shí)通訊，對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)精確定位，節(jié)點(diǎn)間的雙向通訊和節(jié)點(diǎn)間的雙向預(yù)警。車載設(shè)備以一定時(shí)序主動(dòng)將車輛識(shí)別碼信息及車速通過(guò)RFID及ZigBee無(wú)線發(fā)射出去。在巷道內(nèi)安裝監(jiān)控主站、監(jiān)控分站(ZigBee路由器)，一個(gè)監(jiān)控主站和若干個(gè)監(jiān)控分站組成一個(gè)RFID(ZigBee終端)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)RFID(ZigBee終端)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有唯一的網(wǎng)絡(luò)ID，一個(gè)RFID(Zig-Bee終端)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)覆蓋一個(gè)路段單元。根據(jù)井下整體結(jié)構(gòu)情況30m至100m布置一個(gè)監(jiān)控分站RFID(ZigBee路由器)。車載終端的移動(dòng)加入不同地址代碼的RFID(ZigBee路由器)，實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)監(jiān)控主站、監(jiān)控分站交互信息，從而完成車輛檢測(cè)、識(shí)別及接收調(diào)度指令和巷道車輛運(yùn)行信息。每個(gè)監(jiān)控主站都連接到CAN總線上，通過(guò)CAN總線發(fā)送本路段車輛通行信息和接收處理其他監(jiān)控主站及上位機(jī)發(fā)送的信息[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)出入口交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制并最終將相關(guān)巷道內(nèi)車輛運(yùn)行信息發(fā)送給其監(jiān)控范圍內(nèi)車輛的車載終端。

4 控制原則及方法

4.1 控制原則

對(duì)整個(gè)斜坡道的車輛監(jiān)控采用集散控制集中管理的原則[5]。斜坡道內(nèi)每個(gè)檢查節(jié)點(diǎn)(讀卡器、控制器、信號(hào)燈)直接形成回路，在地面控制室(調(diào)度室)設(shè)置上位機(jī)。每臺(tái)車輛的信息通過(guò)無(wú)線及有線傳輸?shù)降孛婵刂婆_(tái)，通過(guò)軟件對(duì)車輛有關(guān)信息進(jìn)行顯示。根據(jù)整個(gè)斜坡道車輛行進(jìn)的情況，以斜坡道為主干道控制原則，斷面次干道與主干道交匯口裝一組信號(hào)燈，以次干道所有來(lái)車讓主干首家來(lái)車的原則。采用主干道優(yōu)先原則和先入為主原則智能化指揮斜坡道車輛運(yùn)行。沃爾沃運(yùn)礦大車行駛前方至少間隔兩個(gè)避讓硐室顯示前方有車信號(hào)。當(dāng)井下發(fā)生緊急情況時(shí)，地面監(jiān)控中心可對(duì)各個(gè)點(diǎn)交通信號(hào)燈進(jìn)行手動(dòng)控制。有效地解決井下無(wú)軌交通運(yùn)輸指揮問(wèn)題。

4.2 控制方法

當(dāng)車輛進(jìn)入巷道某監(jiān)控區(qū)域時(shí)，車輛車載終端加入監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的RFID(ZigBee路由器)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，車載終端發(fā)射的無(wú)線信號(hào)被網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收并得到該信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度值通過(guò)計(jì)算處理得到該車輛的代碼、運(yùn)行速度和運(yùn)行線路方向以及位置信息。另外當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)該區(qū)域內(nèi)的某一位置RFID(ZigBee路由器)接收裝置時(shí)，車輛RFID發(fā)射裝置發(fā)射的包含車輛代碼的調(diào)制信號(hào)被接收裝置接收到，從而通過(guò)兩種不同技術(shù)讀卡獲取車輛識(shí)別和車輛更精確位置信息。車輛的運(yùn)行速度、運(yùn)行方向通過(guò)兩個(gè)讀卡器之間接收信號(hào)時(shí)間差和信號(hào)強(qiáng)弱經(jīng)計(jì)算處理進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。假定車輛運(yùn)行由A到B為下行，由B到A為上行，若車輛運(yùn)行先接收到A的信號(hào)，然后再接收到B信號(hào)，判斷車輛運(yùn)行為下行方向。反之為上行方向。紅綠燈控制信號(hào)，根據(jù)接收到車輛運(yùn)行信息，提前兩個(gè)避讓硐室發(fā)出信號(hào)指示，確保車輛有足夠的空間和時(shí)間進(jìn)入避讓硐室。大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在閉鎖區(qū)間和避讓區(qū)間段讀卡器沒(méi)有讀到上行車輛，信號(hào)燈將放行井口車下行。如果下行車在閉鎖區(qū)間之間，信號(hào)燈為紅燈時(shí)，下行車進(jìn)避讓硐室，等到上行車通過(guò)避讓區(qū)間段時(shí)，下行車在繼續(xù)下行。當(dāng)下行車輛進(jìn)入避讓道，下一個(gè)讀卡器超過(guò)3分鐘沒(méi)有監(jiān)測(cè)到車輛下行，就認(rèn)為車輛停在避讓道，將繼續(xù)根據(jù)巷道狀況放行下行車輛。其它同類區(qū)段的控制方法同上。紅燈亮表示對(duì)面有車過(guò)來(lái)，應(yīng)進(jìn)入避讓硐室避讓。綠燈亮表示斜坡道內(nèi)無(wú)車，可通行。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)多技術(shù)融合應(yīng)用。

系統(tǒng)將RFID射頻識(shí)別技術(shù)，Zigbee無(wú)線網(wǎng)技術(shù)，微處理控制技術(shù)，CAN總線通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)管理技術(shù)等進(jìn)行融合在系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)各自的相應(yīng)功能和系統(tǒng)整體功能[1]。

(2)實(shí)時(shí)性。

系統(tǒng)突出實(shí)時(shí)功能，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車輛行駛狀態(tài);顯示斜坡道內(nèi)各區(qū)段當(dāng)前車輛狀態(tài);實(shí)時(shí)了解某指定車輛的當(dāng)前及歷史數(shù)據(jù);通過(guò)讀卡器實(shí)時(shí)了解該區(qū)段通過(guò)的車輛數(shù)量、時(shí)間等當(dāng)前及歷史數(shù)據(jù);及時(shí)顯示故障報(bào)警，并保留歷史趨勢(shì)，方便備查。

(3)信號(hào)燈控制功能。

系統(tǒng)具備信號(hào)燈自動(dòng)控制、人工干預(yù)等功能。地面調(diào)度可以根據(jù)車輛通行實(shí)際情況適時(shí)予以人工干預(yù)，以達(dá)到系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制、調(diào)度指揮和信號(hào)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)。正常情況信號(hào)燈根據(jù)車輛運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按一定的算法，自動(dòng)進(jìn)行車輛調(diào)度。信號(hào)燈之間構(gòu)成了一個(gè)有線和無(wú)線的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其邏輯信號(hào)燈的變位、互鎖、閉鎖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性能，目標(biāo)跟蹤性能、定位性能好[6]。

(4)“集散式”控制。

分散控制集中管理，斜坡道內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)分站對(duì)車輛運(yùn)行識(shí)別、信號(hào)控制，各控制段直接形成閉環(huán)自動(dòng)控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的分散式控制，這樣一旦主線中斷或某一讀卡器故障時(shí)，不影響區(qū)間內(nèi)信號(hào)自動(dòng)控制或其他讀卡器正常工作，體現(xiàn)了系統(tǒng)的安全性。集中管理，井下或地面控制室設(shè)置上位機(jī)，通過(guò)軟件管理對(duì)車輛的有關(guān)運(yùn)行信息進(jìn)行集中管理和顯示。系統(tǒng)通過(guò)自檢，區(qū)間段讀卡器發(fā)生故障，可按故障圖標(biāo)形式在監(jiān)視器上指示發(fā)生故障的設(shè)備和地點(diǎn)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，保障系統(tǒng)正常工作。

(5)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制策略。

地面上交通信號(hào)控制系統(tǒng)采用的是被動(dòng)式控制策略，它是按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔來(lái)切換信號(hào)燈。系統(tǒng)根據(jù)斜坡道或巷道內(nèi)是否有車來(lái)切換信號(hào)燈，不僅提高了車輛的運(yùn)行效率，而且保證了車輛的運(yùn)行安全。

6 總結(jié)

永平銅礦井下生產(chǎn)輔助斜坡道道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制紅綠燈的開(kāi)放和車輛跟蹤，對(duì)井下斜坡道車輛實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，定位指揮以及車輛的運(yùn)行管理，對(duì)車輛操作人員嚴(yán)格按照正常有序的行車規(guī)則，嚴(yán)格控制井下車輛運(yùn)行速度都起到了有效的管理和控制。為井下安全生產(chǎn)提供了可靠的保證措施，為排除車輛超速運(yùn)行，堵車等問(wèn)題帶來(lái)的安全隱患起到了重要作用。有效地解決了車輛井下運(yùn)行管理，提高了井下運(yùn)輸效率。

[1]安徽鼎信科技發(fā)展公司.斜坡道路無(wú)軌信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介.2011，12.

[2]許榮斌，吳建國(guó).CAN技術(shù)在礦井斜坡道交通信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010(4):101－103.

[3]舒丹.交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng)在礦山井下斜坡道的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2010(4):121－123.

[4]射頻識(shí)別技術(shù).維基百科，2010.

[5]吳東方，武俊峰.井下斜坡道交通控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].安陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(6):60－62.

[6]王剛，舒丹.礦山井下斜坡道交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].中國(guó)高效采礦技術(shù)與裝配論壇論文集，2012:51－53.