礦山軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的可行性

江小峰，李 冰

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 前 言

礦井運(yùn)輸是生產(chǎn)的重要組成部分，安全高效的運(yùn)輸，對提高生產(chǎn)效率和改善礦井的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有相當(dāng)大的影響。礦物、人員和設(shè)備的運(yùn)輸都依靠軌道運(yùn)輸，隨著礦井的產(chǎn)量不斷增加，電機(jī)車臺(tái)數(shù)也相應(yīng)增加，這樣就對軌道運(yùn)輸?shù)陌踩岢隽烁叩囊?。廣西錫山礦業(yè)有限公司(以下簡稱為錫山公司)擁有32臺(tái)架線式電機(jī)車，分為多點(diǎn)多面運(yùn)輸，部分運(yùn)輸線路只有一條主巷，且是多工區(qū)共用線路，這就極易造成機(jī)車碰撞事故。隨著全球數(shù)字化礦業(yè)的發(fā)展，是否引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)手段預(yù)防安全事故的發(fā)生起著關(guān)鍵性的作用。

1 礦山工況

以錫山公司220 m水平0～12號(hào)線區(qū)域?yàn)槔麄€(gè)運(yùn)輸線路從0～12號(hào)線全長2 400 m,中間穿插有25條穿脈、11條聯(lián)絡(luò)巷以及1個(gè)環(huán)形道，岔道口繁多。該運(yùn)輸線路由2個(gè)不同的工區(qū)共同使用，高峰期有多達(dá)7輛軌道運(yùn)輸機(jī)車、88輛裝礦礦車作業(yè)，需要將礦石運(yùn)至0號(hào)線膠帶斜井礦倉傾卸。0～12號(hào)線運(yùn)輸線路簡況見圖1。

圖1 0～12號(hào)線運(yùn)輸線路簡況

井下軌道運(yùn)輸條件比地面鐵路運(yùn)輸更加惡劣，主要反映在以下幾種情況上。

1)機(jī)車行駛的巷道狹窄，內(nèi)徑一般為2.5 m×2.5 m或2.7 m×3.0 m，頂板有淋水，軌道常有積水。

2)由于地下開采井巷條件的設(shè)計(jì)，運(yùn)輸線路主要分為主運(yùn)輸巷、采準(zhǔn)運(yùn)輸巷和穿脈聯(lián)絡(luò)運(yùn)輸巷，軌道運(yùn)輸線路錯(cuò)綜復(fù)雜，機(jī)車發(fā)生事故的概率大，若發(fā)生事故，將造成礦井局部停產(chǎn)等較大影響。

3)電機(jī)車在井下行駛，僅依靠機(jī)車本身的照明和大巷照明，能見度較差；井下軌道轉(zhuǎn)彎半徑小，在行駛至彎道處司機(jī)視野狹窄；井下岔道多，岔道口扳道器由人工控制，費(fèi)時(shí)耗力。

4)隨著電機(jī)車數(shù)量增多，列車分布密度大，前后兩列車間隔小。

據(jù)統(tǒng)計(jì)造成礦山生產(chǎn)事故和人員傷亡的主要原因有3個(gè)：頂板、有毒有害氣體、運(yùn)輸。由此可見運(yùn)輸在安全生產(chǎn)中所占地位之重。而造成軌道運(yùn)輸事故原因是多方面的，運(yùn)輸線路布置不合理、管理不善、設(shè)備維修不及時(shí)和帶病工作，除此之外還有一個(gè)最重要的原因就是沒有一套可行可靠的機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。

2 運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用研究

采用機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，電機(jī)車調(diào)度更加及時(shí)和合理，因此可以加速車輛的周轉(zhuǎn)，提高運(yùn)輸能力，這在實(shí)際運(yùn)行中已得到證實(shí)。有的礦井沒有安裝系統(tǒng)前日產(chǎn)3 000 t，運(yùn)輸比較緊張，經(jīng)常發(fā)生事故，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。安裝系統(tǒng)后，通過能力大大增強(qiáng)，日產(chǎn)量達(dá)到6 000 t，調(diào)度員一人就能比較輕松地調(diào)度車輛，除了安全得到保障外，運(yùn)輸能力也有很大的提高。

2.1 技術(shù)路線

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的通信、監(jiān)測、信息處理、計(jì)算機(jī)等技術(shù)構(gòu)建以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)基礎(chǔ)的井下機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)[1-2],機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)具備兩種功能：①保障機(jī)車運(yùn)輸安全運(yùn)行；②提高生產(chǎn)效率增加經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)通過對電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(包括電機(jī)車位置、車號(hào)、列車礦車數(shù)量)對運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[3]。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

礦山軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)采用最新物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，對運(yùn)輸監(jiān)控功能進(jìn)行深入研究后大膽進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。本系統(tǒng)除了基本信集閉功能外，具備如下創(chuàng)新功能。

1)精確機(jī)車定位，采用獨(dú)創(chuàng)的慣性定位技術(shù)，定位精度可達(dá)3 m內(nèi)，準(zhǔn)確多軌識(shí)別。實(shí)時(shí)精確動(dòng)畫顯示機(jī)車位置、車號(hào)、運(yùn)行機(jī)車狀、車型、方向等。

2)智能調(diào)度機(jī)制，具有一個(gè)智能調(diào)度功能模塊，采用科學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行底層調(diào)度運(yùn)算，可在全自動(dòng)調(diào)度狀態(tài)下人工參與對機(jī)車經(jīng)行行程設(shè)定，具有全自動(dòng)調(diào)度與手動(dòng)調(diào)度同時(shí)進(jìn)行的科學(xué)調(diào)度方式，使國內(nèi)礦山軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)用階段。

3)多種車聯(lián)網(wǎng)報(bào)警，現(xiàn)車設(shè)備不通過上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)防追尾、防超速、防丟車、打點(diǎn)報(bào)警、彎道報(bào)警、人車報(bào)站、雙駕駛室機(jī)車車載機(jī)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步等功能。

4)模塊化擴(kuò)展功能具體表現(xiàn)為4個(gè)方面：①如果在關(guān)鍵軌道路口安裝車輛管理讀卡器，在每輛車上安裝車皮信標(biāo)，系統(tǒng)軟件可按位置、車號(hào)或車皮號(hào)、時(shí)間進(jìn)行車皮定位查詢，同時(shí)還能生成運(yùn)輸生產(chǎn)報(bào)表并實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車所帶載車皮信息；②如果井下關(guān)鍵路口或停車場接入本公司LED信息發(fā)布屏，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息發(fā)布到現(xiàn)場的功能；③如果在井下關(guān)鍵路口或停車場安裝網(wǎng)絡(luò)攝像儀，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主畫面為地理信息與視頻監(jiān)控?zé)o縫融合，讓調(diào)度員能快速找到需要查看的視頻信息；④后續(xù)只要在每輛機(jī)車上增加無人駕駛子系統(tǒng)硬件模塊，不需要再增加其他通信設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用B/S構(gòu)架，可以實(shí)現(xiàn)多WEB客戶端應(yīng)用。硬件采用CAN總線和以太網(wǎng)作為傳輸層進(jìn)行通信，現(xiàn)場CAN總線連接的所有無線基站(無線網(wǎng)關(guān))到CAN-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，然后接入上位機(jī)所在的工業(yè)以太網(wǎng)[1]。其他所有現(xiàn)場設(shè)備都是通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)和無線基站通信。車載機(jī)作為移動(dòng)設(shè)備可以快速在無線基站間數(shù)據(jù)漫游?，F(xiàn)場道岔控制器和信號(hào)燈等非移動(dòng)設(shè)備都可以作為無線路由中繼對無線數(shù)據(jù)進(jìn)行路由，大量減少了設(shè)備使用量，減少了用戶投資。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

3 方案應(yīng)用

本方案針對錫山公司220 m水平段設(shè)計(jì)運(yùn)輸大巷全長5 500 m，共有架線機(jī)車14輛。為了保障運(yùn)輸安全、提高調(diào)度指揮效率、增加經(jīng)濟(jì)效益，在井下安裝機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，對進(jìn)一步加強(qiáng)礦井的安全生產(chǎn)、提高運(yùn)輸效率及企業(yè)信息化建設(shè)有著重要意義。

礦山軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)適用于地下開采等惡劣環(huán)境的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以在地面調(diào)度室設(shè)置一臺(tái)工控機(jī)作為服務(wù)器，在井下配一臺(tái)隔爆兼本安電腦由調(diào)度員進(jìn)行調(diào)度操作[4]。現(xiàn)場主要地段設(shè)置本安型攝像儀作為遠(yuǎn)程監(jiān)視、聯(lián)系手段在主控室對井下機(jī)車運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)度[5]。能實(shí)時(shí)顯示井下各機(jī)車的位置、軌道區(qū)域占用情況、信號(hào)燈運(yùn)行狀態(tài)、岔道盤位置、機(jī)車編號(hào)、機(jī)車行駛方向等情況，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)巷道運(yùn)輸線路的閉鎖，不允許雙向信號(hào)同時(shí)開放，保障機(jī)車安全運(yùn)行。系統(tǒng)能及時(shí)反饋設(shè)備和各傳感器的工作狀態(tài)，自動(dòng)診斷和報(bào)警，并記錄機(jī)車運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)，具有報(bào)警、自動(dòng)記錄等功能。監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)岔道信號(hào)上傳并實(shí)現(xiàn)道岔的集中監(jiān)視和控制。

3.1 主要功能

1)精確定位顯示功能。①精確定位：定位相對精度小于3 m；②精確識(shí)別軌道：可以精確識(shí)別機(jī)車所走軌道，完全杜絕因軌道識(shí)別不準(zhǔn)確而產(chǎn)生信號(hào)燈和道岔控制不正確的問題；③高速實(shí)時(shí)響應(yīng)：設(shè)備狀態(tài)變化到上位機(jī)響應(yīng)可在1 s內(nèi)完成。

2)可視化監(jiān)視功能。在計(jì)算機(jī)上以動(dòng)畫、圖形、表格、漢字等形式實(shí)時(shí)顯示機(jī)車位置、車號(hào)、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度以及井下各道岔位置和信號(hào)燈等運(yùn)行狀態(tài)信息。

3)信號(hào)閉鎖功能。系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車位置，自動(dòng)、半自動(dòng)或手動(dòng)控制信號(hào)燈進(jìn)行敵對進(jìn)來信號(hào)閉鎖，有效指揮機(jī)車運(yùn)行，提高運(yùn)輸效率。

4)智能調(diào)度功能。系統(tǒng)軟件包含具有科學(xué)算法的智能調(diào)度模塊。分為全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)模式。①全自動(dòng)調(diào)度模式：在全自動(dòng)調(diào)度模式下，調(diào)度模塊根據(jù)運(yùn)輸計(jì)劃預(yù)先設(shè)定的運(yùn)輸線路選擇需要的線路給機(jī)車，軟件具有行程進(jìn)路自動(dòng)沖突檢測功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度控制功能；②手動(dòng)調(diào)度模式：進(jìn)入手動(dòng)調(diào)度狀態(tài)后，調(diào)度員可以遠(yuǎn)程控制道岔、信號(hào)燈來開放或閉鎖運(yùn)輸路線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)度功能。

5)系統(tǒng)報(bào)警功能?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程超速報(bào)警、闖紅燈報(bào)警、道岔不到位報(bào)警及設(shè)備故障報(bào)警等功能，上位機(jī)以圖形提示報(bào)警并可進(jìn)行報(bào)警報(bào)表查詢。

6)車聯(lián)網(wǎng)報(bào)警功能?，F(xiàn)場設(shè)備不通過上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)防追尾(需要配備無線尾燈)、防丟車(需要配備無線尾燈)、防超速、打點(diǎn)報(bào)警(需要配備無線發(fā)射器)、人車報(bào)站功能(車載系統(tǒng)增加聲光報(bào)警器)、彎道報(bào)警功能(需配備無線聲光報(bào)警器)、雙駕駛室機(jī)車雙車載機(jī)聯(lián)網(wǎng)等功能。

7)信息管理功能?？梢詫C(jī)車和車皮運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)管理，有行車記錄及圖表，并能生成各種生產(chǎn)管理報(bào)表。

8)遠(yuǎn)程控制功能。系統(tǒng)軟件可以下發(fā)命令到信號(hào)燈、道岔、車載機(jī)，對道岔具有遠(yuǎn)程集中控制、司機(jī)遙控、手動(dòng)及閉鎖控制方式。①集中控制：是由調(diào)度員在地面集控中心的主控微機(jī)的圖形上通過點(diǎn)擊道岔指揮機(jī)車運(yùn)行；②司機(jī)遙控：為機(jī)車司機(jī)使用司機(jī)室的車載機(jī)遠(yuǎn)距離遙控道岔動(dòng)作；③手動(dòng)控制：方式為現(xiàn)場人員可以就地操作道岔動(dòng)作；④閉鎖控制：為上位機(jī)可以發(fā)送閉鎖命令給道岔設(shè)備，讓現(xiàn)場不能手動(dòng)控制或遙控。

9)重演功能。能全天候24 h實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況，并能根據(jù)記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)在顯示設(shè)備上重演規(guī)定時(shí)間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行過程，為分析事故原因、改進(jìn)調(diào)度策略提供根據(jù)，記錄存儲(chǔ)時(shí)間為1 a。

10)故障診斷與維護(hù)功能。系統(tǒng)能隨時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備和傳感器的工作狀態(tài)，能自動(dòng)進(jìn)行本系統(tǒng)的故障診斷并完成報(bào)警。

11)雙機(jī)備份功能。上位機(jī)可采用主備雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，當(dāng)任一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)備用機(jī)可以起到主機(jī)的監(jiān)控作用。其中一臺(tái)可兼作為工程師站，允許遠(yuǎn)程編輯、調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

12)集成聯(lián)網(wǎng)功能。系統(tǒng)具有OPC軟件功能，能平滑地接入自動(dòng)化集中控制信息平臺(tái)，可直接采用IE瀏覽器瀏覽本系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。

13)車輛定位管理擴(kuò)展功能。如果在關(guān)鍵軌道路口安裝車輛管理讀卡器，在每個(gè)車輛上安裝車皮信標(biāo)，系統(tǒng)軟件可按位置、車號(hào)或車皮號(hào)、時(shí)間進(jìn)行車皮定位查詢；生成運(yùn)輸生產(chǎn)報(bào)表；實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車所帶載車皮信息。

14)LED屏信息發(fā)布擴(kuò)展功能。井下關(guān)鍵路口或停車場接入LED信息發(fā)布屏到系統(tǒng)總線，上位機(jī)軟件可發(fā)布信息到LED屏。在系統(tǒng)軟件的信息發(fā)布界面輸入任何文字，就可以讓井下任何一個(gè)LED屏顯示想要的信息，顯示的同時(shí)還可同步發(fā)語音。

15)視頻監(jiān)控?cái)U(kuò)展功能。井下關(guān)鍵路口或停車場安裝本公司網(wǎng)絡(luò)攝像儀，可實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)主畫面為地理信息的視頻監(jiān)控功能。只要在主畫面中點(diǎn)擊需要查看的攝像儀圖標(biāo)，就可以打開那個(gè)攝像儀的視頻畫面。

16)無人駕駛調(diào)度擴(kuò)展功能。系統(tǒng)具有精確的機(jī)車定位及軌道識(shí)別能力，具有自動(dòng)冗余的總線帶寬適應(yīng)性和快速響應(yīng)能力，加上基于科學(xué)算法的智能調(diào)度模塊，為后續(xù)無人駕駛調(diào)度功能擴(kuò)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。只要在每臺(tái)機(jī)車上增加無人駕駛子系統(tǒng)硬件模塊，不需要再增加其他通信設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛運(yùn)輸調(diào)度功能，因此本系統(tǒng)具有后續(xù)的無人駕駛系統(tǒng)無縫擴(kuò)展能力，并能有效減少二次投資。

3.2 其他功能

各硬件設(shè)備、系統(tǒng)線路自檢功能的查詢，歷史數(shù)據(jù)的顯示、查詢、報(bào)表、打印等等。

4 結(jié) 語

目前錫山公司沒有機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，機(jī)車行駛主要依靠人工控制，車輛行駛情況沒有統(tǒng)一調(diào)度，自制的信號(hào)裝置功能不全，各運(yùn)輸區(qū)間之間幾乎沒有閉鎖，這種單靠人工控制的機(jī)車運(yùn)行方式存在很大的安全隱患，不能保證機(jī)車的安全運(yùn)行。

如果引進(jìn)該系統(tǒng)并建立完成后，將能夠?qū)崿F(xiàn)井下機(jī)車精確定位顯示功能、可視化監(jiān)視功能、信號(hào)閉鎖功能、智能調(diào)度功能、系統(tǒng)報(bào)警功能、車皮計(jì)數(shù)管理、道岔自動(dòng)運(yùn)行、彎道報(bào)警、LED屏信息發(fā)布、機(jī)車防追尾等功能。從而保證調(diào)度員可以迅速、準(zhǔn)確、及時(shí)地指揮站內(nèi)接發(fā)車和調(diào)車，保障行車安全，提高機(jī)車作業(yè)效率，提高運(yùn)輸線路通過能力。為了保障運(yùn)輸安全、提高生產(chǎn)效率、增加經(jīng)濟(jì)效益，在主要運(yùn)輸大巷安裝礦用機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，對進(jìn)一步加強(qiáng)礦山安全和建設(shè)數(shù)字化企業(yè)具有重要意義，為企業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航。