基于4G 的礦用特種車輛安全行駛輔助平臺

戴劍波

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦井下特種車輛運(yùn)輸不僅可以極大地提高礦井的生產(chǎn)能力和運(yùn)輸效率，還可以大大降低工人的勞動強(qiáng)度，輔助車輛運(yùn)輸在我國煤礦井下占有的比例逐年擴(kuò)大。為了減少巷道柴油機(jī)車廢氣排放及降低噪音，無軌架線混合動力車井下應(yīng)用越來越多，而混合動力車與傳統(tǒng)柴油機(jī)車不同，在井下需要切換電、油動力，進(jìn)行脫掛網(wǎng)操作。從煤礦安全生產(chǎn)方面看，車輛增多，維護(hù)和保養(yǎng)工作量大，行駛時(shí)容易出現(xiàn)相互碰撞、擦碰、會車?yán)щy等問題，司機(jī)操作不當(dāng)還會引起人員傷亡等事故，同時(shí)，不合理調(diào)度車輛就會存在僵尸車，擁堵路段，降低生產(chǎn)效率[1-2]。

為解決目前存在問題，設(shè)計(jì)的特種車輛安全行駛輔助平臺基于4G 無線通信技術(shù)，在信號覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等信息與地面調(diào)度中心信息互聯(lián)互通，對車輛運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與并存儲，車輛位置信息進(jìn)行監(jiān)測，車輛運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)警、地面管理中心與司機(jī)音視頻語音通話調(diào)度，并在車輛可能發(fā)生潛在危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)警示，最大限度爭取應(yīng)急處置時(shí)間，消除事故隱患，提高車輛駕駛的安全性及運(yùn)輸效率[3]。

1 輔助平臺整體框架

安全行駛輔助平臺均采用符合煤安認(rèn)證的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，澆封兼本安型控制器通過非本質(zhì)安全CAN 總線方式與機(jī)車控制箱CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，模擬視頻信號根據(jù)CAN 總線采集不同指令分別切換在輔助倒車、動力切換脫掛網(wǎng)、行車狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)、視頻通話狀態(tài)，在倒車模式下同時(shí)開啟紅外測距探頭用于倒車距離測量及聲音提示；在4G 基站信號覆蓋范圍內(nèi)，信息終端可以將特種車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、車輛井下行駛位置信息、視頻信息等處理后通過以太網(wǎng)接口傳輸給4G 網(wǎng)關(guān)，4G 網(wǎng)關(guān)再通過無線的方式經(jīng)4G 基站上傳地面調(diào)度中心顯示及存儲，通過查詢歷史信息，能夠?yàn)槭鹿史治鲆约柏?zé)任認(rèn)定等問題提供有力的論據(jù)，同時(shí)，對于車輛的維護(hù)和保養(yǎng)具有量化指導(dǎo)意義。輔助平臺整體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1。

2 輔助平臺功能

2.1 視頻信息顯示

傳統(tǒng)特種車輛井下行駛大部分依靠司機(jī)經(jīng)驗(yàn)判斷車身與障礙物間距，對司機(jī)駕駛技術(shù)依賴性較高。混合動力車在電動力、油動力間自由切換時(shí)，司機(jī)進(jìn)行脫掛網(wǎng)操作都是憑借經(jīng)驗(yàn)判斷，需耗費(fèi)大量時(shí)間，具有很大的局限性，不利于煤礦安全信息化、安全高效生產(chǎn)工作開展[4]。

輔助平臺設(shè)計(jì)4 路視頻信息，針對倒車、行車、脫掛網(wǎng)進(jìn)行可視化輔助操作，出現(xiàn)異常情況能及時(shí)采取相應(yīng)措施，提高輔助運(yùn)輸?shù)陌踩芾硭?。車輛剎車裝置、點(diǎn)火裝置、脫掛網(wǎng)裝置啟用時(shí)，控制器通過CAN 接口接收機(jī)車控制箱信號并傳給終端，終端根據(jù)接收到的不同信息，分別將視頻切換到倒車視頻、行車視頻、脫掛網(wǎng)視頻模式；緊急情況下，地面調(diào)度中心管理人員可以通過音視頻通話與井下車輛司機(jī)進(jìn)行通話，終端液晶屏顯示當(dāng)前切換視頻信息。同時(shí)，終端將視頻信息數(shù)字處理封裝后上傳地面調(diào)度中心顯示及存儲。視頻信息顯示控制邏輯原理框圖如圖2。

圖2 視頻信息顯示控制邏輯原理框圖Fig.2 Principle block diagram of video information display control logic

2.2 井下車輛運(yùn)行參數(shù)安全預(yù)警

根據(jù)MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》中4.3.6 中要求，無軌膠輪車應(yīng)設(shè)置自動保護(hù)裝置，而現(xiàn)有保護(hù)裝置只能本地顯示、本地預(yù)警，地面監(jiān)控中心不能對車輛行車狀況、車速、司機(jī)操作行為等信息實(shí)時(shí)監(jiān)測和歷史查詢分析，發(fā)生事故后往往造成責(zé)任不明、互相推諉，同時(shí)，對于車輛的維護(hù)、保養(yǎng)也沒有明確依據(jù)，大多依靠固定周期性檢修[5-6]。

輔助平臺控制器設(shè)備可以通過CAN 總線與車輛原有保護(hù)裝置進(jìn)行通信，將保護(hù)裝置采集的車輛參數(shù)（如車輛行駛里程、車輛運(yùn)行速度、瓦斯?jié)舛?、補(bǔ)水水位、廢氣水位、排氣溫度、發(fā)動機(jī)表面溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)間及柴油機(jī)電噴參數(shù)等）實(shí)時(shí)本地顯示、監(jiān)測、預(yù)警及通過4G無線傳輸平臺上傳地面監(jiān)控中心顯示并存儲。地面監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確了解每臺車輛在井下運(yùn)行狀態(tài)及司機(jī)駕駛行為，通過查閱歷史記錄有針對性的對車輛進(jìn)行周期性維護(hù)和保養(yǎng)，在車輛出現(xiàn)故障后對車輛診斷分析做到有據(jù)可依，實(shí)現(xiàn)調(diào)度人員更好地、及時(shí)地掌握和管理運(yùn)行車輛。

2.3 井下車輛實(shí)時(shí)精確定位

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，光照不足，粉塵多，車輛行駛速度過快或保持安全距離過小都容易引發(fā)安全事故，同時(shí)，車輛在井下隨意停放，會造成道路擁塞，降低運(yùn)輸效率，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生交通事故。輔助平臺配置有精確定位車輛標(biāo)識卡，與車輛之間通信，實(shí)現(xiàn)前后方車輛安全間距測量，根據(jù)不同的安全間距對駕駛?cè)藛T發(fā)出預(yù)警，防止車輛發(fā)生碰撞；與巷道兩壁精確定位讀卡器之間通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)顯示車輛在井下實(shí)時(shí)精確位置信息，合理進(jìn)行運(yùn)輸調(diào)度[7-9]。

為防止井下車輛相互碰撞，車輛標(biāo)識卡之間可以相互通信，能夠?qū)崟r(shí)測量車輛前、后方安全間距，根據(jù)MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》中4.1.5 中要求，結(jié)合地面交通安全法規(guī)定，井下車輛安全間距設(shè)置為50、80、100、120 m 4 個(gè)不同等級，當(dāng)車輛之間安全間距低于50 m時(shí)，信息終端會通過喇叭發(fā)聲提示司機(jī)，安全間距高于100 m 時(shí)判定為正常間距，在50 m 與100 m之間，信息終端會結(jié)合檢測到的車輛行駛速度判定是否屬于正常間距，從而觸發(fā)喇叭發(fā)聲預(yù)警。車輛標(biāo)識卡與巷道兩壁讀卡器之間通信，實(shí)現(xiàn)車輛井下實(shí)時(shí)位置信息采集，從而確定車輛在井下具體位置。車輛安全間距信息和位置信息均通過4G 網(wǎng)關(guān)發(fā)送給4G 基站，然后通過井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度中心，地面調(diào)度中心可以通過軟件隨時(shí)掌握井下每臺車輛位置信息和前后車輛間距，同時(shí)，對于亂停車輛、僵尸車等可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度處理。

2.4 井下音頻和視頻語音調(diào)度

煤礦井下車輛調(diào)度手段簡單，信息化程度較低，無序運(yùn)行，常因機(jī)車管理審批流程復(fù)雜導(dǎo)致車輛空閑，或當(dāng)井下運(yùn)行車輛發(fā)生設(shè)備故障、意外突發(fā)事件時(shí)，不能及時(shí)與地面調(diào)度中心傳達(dá)信息，從而延誤問題處理時(shí)間，地面調(diào)度管理人員也難以及時(shí)掌握井下機(jī)車的動態(tài)及作業(yè)情況，這些都會降低井下的運(yùn)輸效率，影響生產(chǎn)工作的正常開展[10]。

輔助平臺利用4G 無線通信高帶寬傳輸特性，設(shè)計(jì)音、視頻通話功能，車輛司機(jī)能夠與地面調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)無線音、視頻通話聯(lián)絡(luò)，通過語音通話可以使司機(jī)和車輛運(yùn)輸管理部門及地面調(diào)度中心保持實(shí)時(shí)通訊，對運(yùn)輸任務(wù)進(jìn)行確認(rèn)，對車輛、物資進(jìn)行有效的調(diào)度，真正做到在車輛上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，司機(jī)與調(diào)度人員及時(shí)溝通、輔助安全駕駛、促進(jìn)運(yùn)輸效率的提升。視頻通話攝像儀還可以用于常態(tài)下管理人員對司機(jī)駕駛行為的監(jiān)督，及時(shí)給予提醒并糾正，將井下運(yùn)輸事故的發(fā)生防范于未然，提升井下運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性能。

3 輔助平臺軟件

車輛安全行駛輔助平臺軟件集成了視頻信息管理單元、車輛運(yùn)行參數(shù)管理單元、車輛位置信息管理單元、音視頻通話管理單元4 部分，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)（地面和井下）和4G 無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。整個(gè)平臺采用統(tǒng)一的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并為各種業(yè)務(wù)應(yīng)用和第三方提供統(tǒng)一的接口，軟件設(shè)計(jì)總體框架結(jié)構(gòu)如圖3。

輔助平臺軟件在設(shè)計(jì)上劃分為終端數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動子程序、數(shù)據(jù)解析及傳輸子程序、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)子程序3 個(gè)部分。終端數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動子程序主要是實(shí)現(xiàn)硬件層數(shù)據(jù)采集及信號轉(zhuǎn)換并進(jìn)行邏輯分析處理，包括車輛位置信息及安全間距測量分析、音視頻數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、多路視頻信號切換控制、4G 網(wǎng)關(guān)透傳機(jī)制邏輯控制、車輛運(yùn)行參數(shù)解析及部分?jǐn)?shù)據(jù)本地顯示；數(shù)據(jù)解析及傳輸子程序主要是實(shí)現(xiàn)將終端采集的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行封裝及傳輸；業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)子程序主要是將不同種業(yè)務(wù)對象實(shí)例化，實(shí)現(xiàn)行車、脫掛網(wǎng)、倒車、司機(jī)駕駛行為等視頻信息實(shí)時(shí)顯示及存儲，車輛運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)、存儲及歷史數(shù)據(jù)查詢，車輛井下實(shí)時(shí)位置、運(yùn)行速度信息顯示，安全間距大小及車輛超速運(yùn)行報(bào)警，管理人員與井下作業(yè)司機(jī)音視頻通話操作界面等功能的可視化展現(xiàn)。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了基于4G 的礦用特種車輛安全行駛輔助平臺,介紹了輔助平臺的設(shè)計(jì)原理和功能。目前，特種車輛安全行駛輔助平臺系列產(chǎn)品已經(jīng)取得煤礦本質(zhì)安全認(rèn)證，在中煤科工集團(tuán)太原研究院生產(chǎn)的部分支架搬運(yùn)車、防爆運(yùn)料車、防爆無軌膠輪車、防爆運(yùn)人車上安裝，并在內(nèi)蒙古補(bǔ)連塔煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，借助礦方已建4G 無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)平臺功能能夠完全展示。平臺通過對車輛輔助倒車及預(yù)警、車輛狀態(tài)參數(shù)顯示及預(yù)警、井下車輛位置顯示及車間距測量預(yù)警、車輛超速運(yùn)行及預(yù)警、車輛行駛多角度輔助視頻顯示等有機(jī)結(jié)合，具有直觀性、有效性、實(shí)用性。