基于CSS精確定位技術(shù)的膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)*

單成偉，劉豐幀，呂小強(qiáng)，陳曉晶

(1.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

近年來，在我國(guó)礦井輔助運(yùn)輸中無軌膠輪車應(yīng)用越來越多,主要是這種車無軌道的限制，具有機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、安全高效、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。它作為礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的補(bǔ)充，承擔(dān)礦井的人員、物料、設(shè)備及部分煤炭的運(yùn)輸任務(wù)。以神東礦區(qū)為代表的大型礦井都采用無軌膠輪車擔(dān)負(fù)運(yùn)送人員、物料及設(shè)備的任務(wù)。與傳統(tǒng)軌道機(jī)車運(yùn)輸相比，輔助運(yùn)輸減員70%，效率也提高5倍以上[1]。但我國(guó)大多數(shù)礦井的輔助運(yùn)輸狀況相對(duì)落后，其行駛巷道狹窄且交叉點(diǎn)多。隨著生產(chǎn)運(yùn)輸任務(wù)的增加，運(yùn)輸車輛逐漸增多，給行車造成了很大的困難，尤其是巷道存在一定坡度的情況下，車輛之間不能相互看清，容易在區(qū)域引起堵塞。于是車輛頻繁的倒車造成運(yùn)輸效率低下，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致碰頭、追尾等事故的發(fā)生。

膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控的核心是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)膠輪車位置?，F(xiàn)有的膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)大多采用RSSI射頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)膠輪車的區(qū)域定位，其車輛位置識(shí)別范圍較大，當(dāng)避讓硐室較密集時(shí)，射頻信號(hào)重疊，容易造成位置識(shí)別錯(cuò)誤[2]。部分礦井也通過基于物理檢測(cè)的方式(如檢測(cè)地磁變化的機(jī)車位置傳感器或檢測(cè)巷道高度變化的超聲波物位傳感器)，來獲得車輛的出入列信息。但受到地壓影響及井下巷道開挖預(yù)埋地磁傳感器等諸多的不便，不利于系統(tǒng)的大面積推廣。為此，本文提出了一種基于CSS技術(shù)的膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用SDS-TWR定位算法和定位管理協(xié)議，不需要進(jìn)行時(shí)鐘的同步，即可實(shí)現(xiàn)礦車的高定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

1 無線測(cè)距方法

現(xiàn)有的無線傳感器是基于測(cè)距的定位方法，包括RSSI、TOA、TDOA和AOA等。基于RSSI的定位方法雖然滿足低功率、低成本的要求，但測(cè)距誤差較大；基于TOA的定位方法要求節(jié)點(diǎn)有精確的時(shí)間同步，但很難大規(guī)模應(yīng)用于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)定位；TDOA定位方法受到超聲波傳播距離和非視距問題的限制；AOA定位方法需要額外的硬件，在成本和功耗上受到限制，而且還受外部環(huán)境的影響[3]。在地面上，傳統(tǒng)的方法還有GPS輔助定位技術(shù)。該技術(shù)只適用于無遮擋的室外環(huán)境，在井下環(huán)境無法使用。

CSS線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)是一種應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的新型技術(shù)，其在中短距離內(nèi)具有良好的定位精度和穩(wěn)定性，非常適合井下、室內(nèi)等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位。CSS技術(shù)是一種時(shí)分多址的定制應(yīng)用。它利用脈沖壓縮使得接收脈沖能量非常集中而極易被檢測(cè)出來，不但提高了抗干擾和多徑效應(yīng)能力，而且具有很好的魯棒性。

2 基于CSS精確定位技術(shù)的運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)具體架構(gòu)

基于CSS精確定位技術(shù)的膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)由車輛標(biāo)識(shí)卡、位置識(shí)別分站、車輛調(diào)度控制分站、信號(hào)燈等組成，如圖1所示。

圖1 基于CSS精確定位的膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)具體架構(gòu)

調(diào)度控制分站是膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的核心，每臺(tái)調(diào)度控制分站具有2路獨(dú)立的RS-485接口，用于掛接車輛位置識(shí)別分站和信號(hào)機(jī)。它將車輛信息、設(shè)備狀態(tài)信息等通過CAN總線傳輸至地面主機(jī)和其他調(diào)度控制分站，并接收其他調(diào)度控制分站的信號(hào)機(jī)控制命令[4]。調(diào)度控制分站能定時(shí)巡檢沿線設(shè)備獲取車輛的出入列信息，通過RS-485總線控制信號(hào)機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)傳輸通道出現(xiàn)故障時(shí)，各RS-485回路仍能正常運(yùn)行。CAN總線信號(hào)經(jīng)礦用數(shù)據(jù)光端機(jī)轉(zhuǎn)換為高速網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，又經(jīng)光纖上井或直接接入礦井已有的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息由井下調(diào)度控制分站到系統(tǒng)主機(jī)的遠(yuǎn)距離傳輸。

地面定位服務(wù)器可通過網(wǎng)絡(luò)獲取井下設(shè)備監(jiān)測(cè)、控制信息，實(shí)現(xiàn)井下和地面的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的監(jiān)控，實(shí)時(shí)地顯示各個(gè)巷道和工作面人員及移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量、分布狀況、活動(dòng)軌跡,并可查詢?nèi)我恢付ň氯藛T在當(dāng)前或指定時(shí)刻所處的區(qū)域、坐標(biāo)、活動(dòng)軌跡等信息，對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。地面定位服務(wù)器依據(jù)車輛調(diào)度控制分站獲得的車輛數(shù)量、方向等信息進(jìn)行決策，并直接控制信號(hào)燈，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度控制功能,也可在地面通過上位機(jī)下達(dá)控制命令到井下調(diào)度控制分站，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的手動(dòng)控制。該系統(tǒng)通常情況下運(yùn)行于分站自動(dòng)控制模式下，若井下有特殊要求時(shí),可進(jìn)行信號(hào)燈手動(dòng)控制[5]。

3 車輛標(biāo)識(shí)卡設(shè)計(jì)

車輛標(biāo)識(shí)卡可以使用電池和外接直流電源兩種供電方式。在使用外接電源時(shí)，一般采取從車輛電源箱取電的方式。為兼容特殊的應(yīng)用場(chǎng)景和存量市場(chǎng)用戶的使用習(xí)慣，仍保留電池供電的形式。但殼體內(nèi)澆封電源及電池模塊不同時(shí)工作。

定位卡的工作由MCU控制完成，它根據(jù)配置信息控制RFID射頻電路進(jìn)行信息的定時(shí)發(fā)送和與標(biāo)識(shí)器之間距離測(cè)算。車輛標(biāo)識(shí)卡發(fā)起定位數(shù)據(jù)包，可對(duì)定位的數(shù)據(jù)包和空中傳輸時(shí)間進(jìn)行處理，計(jì)算與位置識(shí)別分站的距離，并把距離數(shù)據(jù)和一些傳感控制信息組成數(shù)據(jù)包，通過無線信道發(fā)送給位置識(shí)別分站。MCU選用飛思卡爾的MKL15Z系列，運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能使用振動(dòng)傳感器，必要時(shí)可以休眠降低本機(jī)功耗，產(chǎn)品原理如圖2所示。

圖2 車輛標(biāo)識(shí)卡原理

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證所采取的CSS精確定位技術(shù)在井下的定位精度和傳輸性能，在內(nèi)蒙古門克慶煤礦進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。實(shí)地巷道的環(huán)境溫度為20 ℃，濕度為35%，車輛標(biāo)識(shí)卡和無線定位基站的發(fā)射功率為20 dBm(前端設(shè)計(jì)了20 dBm的功率放大電路)，接收靈敏度為-95 dBm。在井下實(shí)際環(huán)境中，針對(duì)不同的地形條件、不同位置、不同的干擾因素和運(yùn)動(dòng)狀況等進(jìn)行一系列試驗(yàn)測(cè)試，部分測(cè)試結(jié)果見表1。由測(cè)試結(jié)果可知：

1) 巷道中停放大型車輛時(shí)，不會(huì)對(duì)定位精度造成明顯的影響。

2) 巷道不同的橫向位置，對(duì)定位的精度和距離沒有明顯的影響

3) 彎道(半圓彎道，較為平緩，總長(zhǎng)度35 m)和T型路口支巷的定位精度基本接近平直巷道的情況。

4) 當(dāng)標(biāo)識(shí)卡與讀卡器水平高度差太大時(shí)，信號(hào)接收距離會(huì)有所降低?；趯?shí)際定位卡的安裝高度，讀卡器在不高于3.5 m的情況下，盡量選擇較高的位置安裝。

5) 牛鼻子型轉(zhuǎn)彎位置，讀卡器應(yīng)盡量安裝在鼻尖位置，或者鼻尖的對(duì)側(cè)，以保證接收距離覆蓋3個(gè)來車的方向。

6) 在人體近距離接觸并阻擋標(biāo)識(shí)卡時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備的天線場(chǎng)特性產(chǎn)生影響，故標(biāo)識(shí)卡在安裝時(shí)，應(yīng)該盡量選取距離人體50 cm以上，安裝位置前方視距無屏蔽遮擋的位置。

7) 有轎廂的人車、指揮車、材料車推薦安裝在擋風(fēng)玻璃下方位置；無封閉轎廂的工程材料車，可安裝在轎廂支柱或無遮擋物的臺(tái)面上;封閉式轎廂5T工程車,推薦安裝在轎廂外側(cè)的固定板上。

表1 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)踐表明，基于CSS精確定位方式可有效地識(shí)別膠輪車位置，通過車載調(diào)節(jié)器供電，解決了原先便攜式的車輛標(biāo)識(shí)卡需要定期充電維護(hù)的問題，大大減輕了系統(tǒng)的施工工作量，為礦井膠輪車輔助運(yùn)輸提供了可靠的避車信號(hào)。與傳統(tǒng)基于射頻方式的膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)相比，新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，具有一定的推廣價(jià)值。