于琳 李猛 李榮偉

摘 要：針對傳統(tǒng)礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容單一，對機(jī)車不具有操作性等問題，設(shè)計(jì)了以C#為編程語言，以SQL Server 2016為數(shù)據(jù)存儲軟件的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包含登陸模塊、運(yùn)行模塊、參數(shù)監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊、視頻監(jiān)控模塊、報(bào)警模塊等，實(shí)現(xiàn)對礦井機(jī)車行進(jìn)速度、電壓、電流等各類運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄，并具有遠(yuǎn)程遙控功能，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車啟停、變速等運(yùn)行操作。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，提高了工作效率和安全性。

關(guān)鍵詞：礦井機(jī)車；遠(yuǎn)程監(jiān)控； C#；socket

DOI：10. 11907/rjdk. 182325

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）005-0114-03

Abstract：Aiming at the single content of traditional monitoring system of mine locomotive and inoperability to locomotive， a mine locomotive monitoring system with C# as programming language and SQL Server 2016 as data storage software is designed. The idea of a modular design is applied in the system， the design of system includes landing module， operation module， parameter monitoring module， network monitoring module， video monitoring module， alarm module， etc. which can realise real-time monitoring and recording of mine locomotive speed， voltage， current and other kinds of operation parameters and has the function of remote control and can realize the locomotive start-stop， such as variable speed operation. The system is stable in operation and reliable in performance. It can realize remote monitoring of locomotive operation and improve working efficiency and safety.

Key Words： mine locomotive； remote monitoring； C#； socket

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類礦產(chǎn)資源需求量越來越大，礦井開采數(shù)量也隨之上升[1]。地下礦井環(huán)境惡劣，為了盡可能降低礦井安全事故率，礦井機(jī)車朝著無人化方向發(fā)展。

礦井機(jī)車作為井下主要運(yùn)輸工具，正常運(yùn)行與否關(guān)系著開采的安全以及效率。傳統(tǒng)的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)廣泛使用“信集閉”系統(tǒng)[2]，即“信號、集中、閉塞”系統(tǒng)。這種傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)對巷道要求高，需在井下大量布置傳感器，利用傳感器采集機(jī)車相關(guān)信息并反饋給上位機(jī)。但井下巷道環(huán)境惡劣，傳感器抗干擾能力弱，可靠性差、誤差大，且造價(jià)昂貴。相關(guān)研究有：鞠傳香等[3]設(shè)計(jì)了一種基于Android平臺的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，提出礦井監(jiān)控系統(tǒng)的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對礦井的實(shí)時(shí)監(jiān)控；王雪光等[4]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的礦井監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，提高了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸速率及視音頻質(zhì)量，初步實(shí)現(xiàn)了礦井監(jiān)控功能；趙洪磊等[5]設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)，利用無線傳感器實(shí)現(xiàn)對礦井的有效監(jiān)控；楊燁等[6]設(shè)計(jì)了一種基于移動網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)，以移動網(wǎng)絡(luò)為核心，綜合多種通信技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了礦井監(jiān)控功能。

上述文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的礦井監(jiān)控大都停留在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)階段，當(dāng)無人礦井機(jī)車發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能對礦井機(jī)車進(jìn)行單一性內(nèi)容監(jiān)控，無法對事故及時(shí)做出反應(yīng)并處理[7-10]。

針對傳統(tǒng)礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了基于C#平臺的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，采用多線程方式，實(shí)時(shí)接收、顯示并存儲來自礦井機(jī)車、巷道環(huán)境以及道軌設(shè)備的被監(jiān)控參數(shù)，同時(shí)增加礦井機(jī)車控制功能，使監(jiān)控人員可從遠(yuǎn)端遙控機(jī)車運(yùn)行[11-14]。

1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)通過各類傳感器采集機(jī)車的工作電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)以及信號燈、轉(zhuǎn)轍機(jī)等道軌設(shè)備狀態(tài)信息。這些信息通過局域網(wǎng)，與處于同一網(wǎng)關(guān)下的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，將需要監(jiān)控的參數(shù)信息發(fā)送至礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)客戶端顯示。參數(shù)數(shù)據(jù)保存至SQL Server 2016數(shù)據(jù)庫中作為數(shù)據(jù)備份，用于數(shù)據(jù)分析和還原意外故障時(shí)丟失的數(shù)據(jù)[15]。監(jiān)控人員通過監(jiān)控系統(tǒng)客戶端對礦井機(jī)車遠(yuǎn)程遙控，客戶端將控制指令發(fā)送至PLC，PLC解析控制指令并控制礦井機(jī)車的動作、信號燈以及轉(zhuǎn)轍機(jī)動作等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控礦井機(jī)車和井下設(shè)備功能。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)客戶端框架與功能說明

礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)客戶端由登陸界面和功能界面兩部分組成，利用C#進(jìn)行設(shè)計(jì)。C#是一種安全、較穩(wěn)定、簡單易操作同時(shí)不失效率性和魯棒性的面向?qū)ο缶幊陶Z言[16-17]。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高效率運(yùn)行性，使程序編程更加簡單明了，客戶端總體架構(gòu)如圖2所示。

2.1.1 登陸界面

登陸界面目的是保障系統(tǒng)的安全性。用戶第一次使用礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)需要注冊一個(gè)賬號。注冊賬號時(shí)，用戶完成賬號及密碼填寫后還需填寫密保問題及答案，以備用戶忘記密碼時(shí)提供用戶身份驗(yàn)證依據(jù)。如果用戶輸入的信息不完整或輸入的信息與數(shù)據(jù)庫中記錄的數(shù)據(jù)不一致，系統(tǒng)將提示相應(yīng)的錯(cuò)誤并提示重新輸入。

2.1.2 功能界面

礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)功能界面包含機(jī)車控制功能、參數(shù)監(jiān)控功能、視頻監(jiān)控功能、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能以及報(bào)警功能。機(jī)車控制功能主要是監(jiān)控人員遠(yuǎn)程控制電機(jī)車、信號燈和轉(zhuǎn)轍機(jī)，通過遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)車的無人化駕駛。參數(shù)監(jiān)控功能主要將礦井機(jī)車上電機(jī)運(yùn)行信息、信號燈狀態(tài)信息、轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控及顯示。視頻監(jiān)控功能是通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭，為監(jiān)控人員提供現(xiàn)場視頻信息。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能是監(jiān)控同一局域網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備的連接狀況、網(wǎng)絡(luò)信息等。報(bào)警功能是當(dāng)機(jī)車電機(jī)參數(shù)超過設(shè)定的安全值或其它故障，比如機(jī)車運(yùn)行參數(shù)異常、信號燈異常、轉(zhuǎn)轍機(jī)異常等，客戶端會自動發(fā)出警示信息并作出應(yīng)急處置。功能界面如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫在整個(gè)礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)中起著重要作用。系統(tǒng)正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)庫對重要的機(jī)車參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便用戶在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、調(diào)取查看等。在系統(tǒng)發(fā)生故障或突然斷電等情況下，幫助用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、還原等，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [18]。

礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2016數(shù)據(jù)庫。SQL Server 2016可靠性高、穩(wěn)定性好且易操作，在中小型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中受到廣大用戶的青睞[19]。鑒于礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的動態(tài)查詢等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程中，采取在應(yīng)用程序外建立數(shù)據(jù)庫并建立相關(guān)表，在應(yīng)用程序內(nèi)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接、斷開、寫入及讀取數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建登陸模塊中的賬戶密碼表、密保問題答案表，參數(shù)監(jiān)控模塊中的機(jī)車歷史參數(shù)存儲表、巷道歷史參數(shù)存儲表、RFID標(biāo)簽內(nèi)容存儲表等。其中，RFID標(biāo)簽內(nèi)容存儲表應(yīng)包含標(biāo)簽對應(yīng)的相應(yīng)礦井位置信息，以便在定位模塊中調(diào)用判斷。

2.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

通訊模塊指監(jiān)控系統(tǒng)客戶端與機(jī)車之間的信息通信，為兩者提供穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)鏈路。通信信息包含監(jiān)控參數(shù)信息以及遠(yuǎn)程遙控的控制指令信息。

礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)通信建立在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)上，以工業(yè)以太網(wǎng)為骨干，以WiFi無線網(wǎng)絡(luò)為延伸，在井下設(shè)立若干WiFi基站（AP，Access Point），形成有線主干網(wǎng)與無線基站相結(jié)合的方式，覆蓋整個(gè)巷道區(qū)域。

TCP是TCP/IP體系中最重要的傳輸層協(xié)議。TCP采用全雙工方式傳輸字節(jié)流數(shù)據(jù)，可靠性高，能保證數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)地準(zhǔn)確到達(dá)接收方，并且保證數(shù)據(jù)到達(dá)的順序與發(fā)出順序一致[20]。TCP用主機(jī)IP地址協(xié)同主機(jī)端口號作為TCP連接的端點(diǎn)，這種端點(diǎn)被稱為套接字。使用套接字（socket）作為TCP/IP協(xié)議應(yīng)用程序的應(yīng)用編程接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的通信，部分代碼如下：

Socket socket = new Socket（AddressFamily.InterNetwork， SocketType.Stream， ProtocolType.Tcp）；

IPAddress IP = IPAddress.Parse（“192.168.1.174”）；

IPEndPoint IPEndPoint = new IPEndPoint（IP， 6000）；

socket.Connect（IPEndPoint）；

byte[] data = new byte[] {0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00 }；

socket.Send（data）；

……

socket.receive（data）；

2.4 定位模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)掌握機(jī)車在礦井中的位置，方便監(jiān)控人員通過監(jiān)控系統(tǒng)對機(jī)車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并作出相應(yīng)處理，機(jī)車實(shí)時(shí)定位尤為重要，本文采用射頻識別技術(shù)進(jìn)行機(jī)車定位模塊設(shè)計(jì)。

射頻識別技術(shù)，也稱無線射頻識別，是一種通過無線電信號識別特定目標(biāo)且無需與目標(biāo)進(jìn)行物理或光學(xué)接觸的新型識別技術(shù)。利用無限射頻識別進(jìn)行機(jī)車定位的工作原理是：將RFID標(biāo)簽布置在礦井機(jī)車行駛軌道上，將RFID閱讀器布置在礦井機(jī)車上，機(jī)車啟動后同時(shí)啟動RFID閱讀器，使其處于工作待機(jī)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)入其工作范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽。當(dāng)?shù)V井機(jī)車行駛通過不同的RFID標(biāo)簽時(shí)，閱讀器讀取到不同的標(biāo)簽內(nèi)容并上傳至車載計(jì)算機(jī)中，通過無線傳輸將讀取的信息上傳至礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)獲取的標(biāo)簽內(nèi)容分析判斷礦井機(jī)車的位置信息。

定位原理如圖4所示，客戶端設(shè)計(jì)如下：

自定義標(biāo)簽存儲內(nèi)容、定義格式（僅為表頭設(shè)計(jì)）如表1所示。

區(qū)域碼為標(biāo)簽所處礦井區(qū)域辨別碼，主要用于判斷所讀取標(biāo)簽礦井區(qū)域分類。如讀取區(qū)域碼為01，則判斷為放礦口1區(qū)，若讀取區(qū)域碼為02，則判斷為放礦口2區(qū)；定位順序標(biāo)識：將區(qū)域內(nèi)機(jī)車道軌上布置的標(biāo)簽從1開始定義，當(dāng)閱讀器讀取到定位順序標(biāo)識時(shí)，可以判斷此時(shí)機(jī)車處于具體標(biāo)簽位置；校驗(yàn)碼主要用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生混亂，避免導(dǎo)致定位精度混亂，提高定位準(zhǔn)確度。

2.5 遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

車載控制器是礦井機(jī)車無人控制的核心單元，采用具有控制規(guī)律解算、數(shù)據(jù)采集與通訊的工業(yè)級PLC控制器。監(jiān)控人員發(fā)送任務(wù)指令，通過無線通信發(fā)送至PLC控制器，經(jīng)過PLC控制器解算后輸出至各執(zhí)行單位，完成相關(guān)機(jī)車操作、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號燈等設(shè)備的連鎖控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通過TCP/IP與下位機(jī)西門子PLC通信，將控制命令發(fā)送給PLC的協(xié)議如表2所示。

其中，0B定義為每次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀報(bào)頭，PLC識別到0B后開始接受數(shù)據(jù)工作；0A為每次數(shù)據(jù)幀發(fā)送尾幀，當(dāng)PLC識別0A后停止數(shù)據(jù)接收工作，PLC根據(jù)接收數(shù)據(jù)中的01-09命令碼作出響應(yīng)。數(shù)據(jù)發(fā)送利用套接字socket的socket.send（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容單一以及對機(jī)車的不可操作性問題，以C#為設(shè)計(jì)平臺，以SQL Server 2016為數(shù)據(jù)存儲軟件，設(shè)計(jì)了一種可對礦井機(jī)車參數(shù)、巷道參數(shù)及巷道環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對礦井機(jī)車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多模塊分工設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)細(xì)分為各個(gè)次級模塊，各模塊獨(dú)立工作又相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了地面監(jiān)控人員對礦井機(jī)車的監(jiān)控以及礦井機(jī)車的無人操作。系統(tǒng)具有連接簡單、操作方便、直觀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可滿足礦井機(jī)車監(jiān)控要求，實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)車無人操作。但系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率、質(zhì)量以及界面UI方面仍有不足，這是今后研究完善的方向。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）