基于精確定位的煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)研究

摘要：煤礦井下作業(yè)對裝備依賴較高，尤其是煤礦運輸管理顯得格外關(guān)鍵，與煤礦的生產(chǎn)效益和管理效益息息相關(guān)。隨著各類新興技術(shù)的持續(xù)崛起，煤礦生產(chǎn)與科技融合成為必然趨勢，未來將逐步實現(xiàn)智能化、面向智慧化，更好地服務(wù)于煤礦建設(shè)生產(chǎn)?；诖?，本文側(cè)重結(jié)合當(dāng)前智能化發(fā)展趨勢，提出一套現(xiàn)代化煤礦井下車輛智能運輸管理系統(tǒng)，通過精確定位技術(shù)的支持與保障，旨在實現(xiàn)生產(chǎn)效率及安全性能的提升，在降低生產(chǎn)成本的同時增強競爭優(yōu)勢。文章從設(shè)計思路、設(shè)計架構(gòu)及模塊功能等進行分析，以便為行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型提供有益參考。

關(guān)鍵詞：精確定位；煤礦車輛；智能運輸；管理系統(tǒng)

縱觀行業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展形態(tài)，受現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)影響和推動，各類創(chuàng)新的生產(chǎn)理念被廣泛應(yīng)用，智慧礦山的概念也逐步轉(zhuǎn)為現(xiàn)實，推動著生產(chǎn)領(lǐng)域的創(chuàng)新和革命。2019年我國頒布煤礦機器人重點研發(fā)目錄，在行業(yè)內(nèi)掀起了一股科技創(chuàng)新浪潮，不同種類的智能裝備和系統(tǒng)問世，煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)便是其中之一。事實上，煤礦井下車輛運輸管理是一項煩瑣的系統(tǒng)工程，尤其是井下物料運輸供應(yīng)一直處于比較粗獷的管理模式，如何將生產(chǎn)單位所需要的物資及時快捷地送到，又將生產(chǎn)中產(chǎn)生的矸石和廢物及時地運出，在有限的配備條件下最大程度地提升運輸效率，滿足煤炭生產(chǎn)的需要和提高車輛的利用率，往往是每一個煤礦運輸管理者所面臨的問題。因此，在全新的時代背景下應(yīng)形成科學(xué)、合理的運輸管理邏輯，充分發(fā)揮煤礦車輛運輸能力，實現(xiàn)生產(chǎn)資源的合理高效調(diào)配。

一、煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)的設(shè)計思路

煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)采用監(jiān)控系統(tǒng)和局控系統(tǒng)相結(jié)合的方式，基于UWB的精確定位技術(shù)對運輸車輛、運行路況以及物料狀態(tài)全方位的實時監(jiān)控。同時，借助于道岔轉(zhuǎn)轍機的改造控制，實現(xiàn)基于“點、面、區(qū)”的信集閉控制。硬件上，主要采用精確定位卡、無源車輛位置卡、車載分站以及攝像儀等設(shè)備，車載分站可以近距離識別軌道無源位置標(biāo)簽，通過車載無線AP實時將精確的軌道、位置信息、視頻監(jiān)控發(fā)送軟件服務(wù)器，同時無線基站實時將UWB車輛卡精確位置數(shù)據(jù)傳送至軟件服務(wù)器，車載終端可以實時顯示視頻監(jiān)控信息、告警信息、調(diào)度信息。在軟件系統(tǒng)上，一般基于網(wǎng)絡(luò)平臺運行，以 Windows Server 操作系統(tǒng)為運行環(huán)境，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server為數(shù)據(jù)庫支撐，采用基于WEB的B/S架構(gòu)，工作人員可以在網(wǎng)頁進行遠(yuǎn)程瀏覽、控制，軟件客戶端運用圖形界面顯示線路巷道模擬示意圖，實時展示系統(tǒng)各設(shè)備運行情況，使調(diào)度人員可以直觀地掌握井下電機車運輸情況，手動模式下支持調(diào)度員在不違反系統(tǒng)預(yù)設(shè)邏輯的情況下，手動控制井下系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)（紅綠燈、道岔轉(zhuǎn)轍機）。依靠計算機數(shù)據(jù)存儲和綜合強大的邏輯運算能力，軟件可以對局部線路、交叉點或采區(qū)進行局部控制，以面向區(qū)間對象的方式實現(xiàn)區(qū)間自動閉鎖邏輯；同時支持調(diào)度員在軟件界面給單輛機車賦予一個預(yù)設(shè)的運輸行程，軟件自動監(jiān)測和控制該機車行進線路中道岔轉(zhuǎn)轍機處于暢通狀態(tài)，從而達(dá)到保障運輸安全、提高運輸效率和減人增效的目的。

二、煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)的架構(gòu)及數(shù)據(jù)流處理

（一）系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控終端、精確定位卡、紅綠燈、電機車軌道位置卡、礦用車載分站、礦用本安顯示屏、礦用本安型攝像儀及線纜等組成，其架構(gòu)如圖1所示。

整體而言，利用車輛智能運輸管理結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠?qū)逻\輸車輛進行科學(xué)、合理的管理，實現(xiàn)對運行情況的實時監(jiān)測和運行軌跡跟蹤，規(guī)范運輸流程，減少司機、調(diào)度員的工作強度，加強運輸環(huán)節(jié)中各個生產(chǎn)要素的緊密聯(lián)系，降低運輸過程中的安全風(fēng)險，杜絕災(zāi)害事故的發(fā)生，大幅度的提升效率，是煤礦井下電機車運輸管理系統(tǒng)建設(shè)的主要方向和目標(biāo)。

（二）系統(tǒng)數(shù)據(jù)流處理

煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)是以集散式工控網(wǎng)絡(luò)為核心，包括計算機及配套軟件，井下現(xiàn)場巷道安裝的無線基站、道岔轉(zhuǎn)轍機監(jiān)控設(shè)備、精確定位卡、車載分站以及攝像儀等設(shè)備。車載視頻既可以在終端上顯示運行前方和后方的視頻信息，也通過車載無線AP實時將視頻信息發(fā)送軟件服務(wù)器中心，同時支持接收數(shù)據(jù)中心發(fā)出的控制指令和調(diào)度信息。定位無線基站與精確定位卡實時進行數(shù)據(jù)交互，將車輛、車皮以及車皮上的物料信息實時發(fā)送給無線基站，移動的語音通信可以通過基站內(nèi)發(fā)送的無線AP信號進行不同區(qū)域、人員的調(diào)度通信。

PC軟件客戶端從服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)和指令，運用圖形界面顯示線路巷道模擬示意圖，實時展示系統(tǒng)各設(shè)備運行情況，使調(diào)度人員可以直觀地掌握井下電機車的運輸情況，同時調(diào)度人員可手動控制井下系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)（紅綠燈、道岔轉(zhuǎn)轍機）；軟件可以對局部線路、交叉點或采區(qū)進行局部控制，以實現(xiàn)區(qū)間自動閉鎖邏輯；同時支持調(diào)度員在軟件界面給單輛電機車賦予一個預(yù)設(shè)的運輸行程，軟件自動監(jiān)測和控制該機車行進線路中道岔轉(zhuǎn)轍機處于暢通狀態(tài)，同時可以在PC客戶端上查詢、申請、審批等操作，監(jiān)控整個物料的運輸流程狀態(tài)。APP客戶端也可以查詢車輛的實時信息，可以進行查詢、監(jiān)控、卸車等操作，APP客戶端可以通過無線AP網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器中心，同時也可與PC客戶端進行物料運輸數(shù)據(jù)分項交互，具體流程如圖2所示。

三、煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)模塊設(shè)計

（一）主運輸調(diào)度中心設(shè)計

系統(tǒng)中的主運輸中心，一般需要配置1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，2臺客戶端電腦，用于遠(yuǎn)程查看和監(jiān)控電車的運輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，實現(xiàn)全礦動態(tài)模擬顯示，便于主運輸調(diào)度人員實時查看和管理。

（二）無線基站設(shè)計

煤礦車輛智能運輸管理系統(tǒng)中，無線基站具有重要的數(shù)據(jù)連接功能，處于承上啟下的重要數(shù)據(jù)通信端。主運輸調(diào)度中心需要實時交互車輛運行數(shù)據(jù)，以及車載攝像頭視頻數(shù)據(jù)和智能傳感器數(shù)據(jù)的交互，必須依賴于高效的無線通信方式，保證能夠?qū)囕v實現(xiàn)精確定位。目前，由于在煤礦井下作業(yè)中，運輸車輛與膠輪車運輸軌跡基本相同，可以采用融合基站實施部署，利用原有基站的WIFI無線信號和UWB精確定位信號，即可實現(xiàn)井下車輛的運輸管理。如此一來，既可以實現(xiàn)信號傳輸?shù)恼?，也能夠有效降低建設(shè)成本。

（三）精確定位設(shè)計

根據(jù)車輛智能運輸管理需求，系統(tǒng)可配置兩種不同的定位卡，一種是基于UWB技術(shù)的有源精確定位卡，另一種是采用軌道安裝的無源位置卡?；诰_定位下的智能輔助運輸系統(tǒng)界面如圖3所示。

車輛和車皮采用基于UWB技術(shù)的精確定位卡，考慮到車皮運輸特殊性采用特殊材料、更低功耗的設(shè)計，減少運輸使用過程中外力對于車皮定位卡的損耗，UWB精確定位卡與無線基站實時進行數(shù)據(jù)交互，將位置信息和物料信息實時反饋給地面。無源軌道位置卡主要安裝在道岔口以及重要的運行區(qū)間，與車載分站進行信息交互，用于識別車輛和車皮的運行軌道和方向。

（四）視頻監(jiān)控設(shè)計

在運輸車輛上可安裝礦用本安型攝像儀，用來監(jiān)控電機車前后方運行狀態(tài)，攝像儀通過電機車蓄電池供電，支持視頻本地存儲和調(diào)度室遠(yuǎn)程在線查看，同時司機可利用駕駛室內(nèi)車載顯示屏，查看運行前方路況和后方物料狀態(tài)信息，高清數(shù)字?jǐn)z像儀通常采用特殊工藝，基于本安化的設(shè)計（如圖4），充分考慮運動防震和無縫漫游問題，攝像儀就近接入車載分站，通過車載分站上的AP模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。

（五）道岔控制設(shè)計

在道岔控制設(shè)計中采用道岔裝置（氣動、電動混用），司控道閘裝置可具備遠(yuǎn)程的應(yīng)用條件，針對每副道岔就近配置一臺道岔控制器，采集道岔的各種控制信號，通過基站與系統(tǒng)進行控制信號和狀態(tài)的交互。道岔故障后，調(diào)度員可在第一時間獲取報警信息，道岔本身具備開關(guān)到位的就地提示，可提醒司機安全運行。

（六）信集閉設(shè)計

在關(guān)鍵位置安裝紅綠燈，并通過軌道運輸子系統(tǒng)實施狀態(tài)控制（如圖5），根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)置閉鎖區(qū)間，結(jié)合道岔控制和UWB精確定位來實現(xiàn)區(qū)間聯(lián)鎖、敵對進路閉鎖、信號機和電動轉(zhuǎn)轍機聯(lián)鎖等“信、集、閉”的全部功能，可以按當(dāng)班調(diào)度員指定的運行計劃，自動地指揮機車安全運行，也可以由調(diào)度員視機車運行情況隨時分區(qū)段和進路調(diào)度車輛。

（七）安全告警設(shè)計

聯(lián)巷口設(shè)置礦用本安型顯示屏，當(dāng)車輛行進到聯(lián)巷后50m處，對應(yīng)聯(lián)巷口通過本安顯示屏，顯示“正在行車，禁止行人”和語音提醒。在駕駛室內(nèi)安裝防碰撞告警裝置，通過軟件檢測電機車運行速度和位置，同一軌道上的電機車距離小于100m，聯(lián)動進行車載終端文字報警。

（八）物料運輸設(shè)計

物料運輸一般根據(jù)需求實施差異設(shè)計，膠輪車的物料運輸相對于電機車較為簡單，可借助于原有膠輪車運輸管理系統(tǒng)軟件中的運輸派單功能，將物料使用信息與車輛派單信息綁定在一起，實現(xiàn)物料運輸流程的監(jiān)控。物料運輸管理系統(tǒng)界面如圖6所示。

因考慮電機車的物料運輸管理，且電機車的物料運輸管理需要單獨的系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫，因此需要針對物料運輸流程實施設(shè)計。具體而言，通過物料運輸軟件實現(xiàn)車皮的申請（申請時根據(jù)物料的名稱、數(shù)量、目的地和要求到貨時間）、審批（根據(jù)審批申請按地點或者時間生成一張計劃表）、自動生成運輸計劃表、裝車管理（根據(jù)計劃表裝車，同時錄入車輛編號）、井口異常狀態(tài)檢查（裝車是否規(guī)范）、運輸過程監(jiān)控（知道車皮在哪）、運輸?shù)截浐炇眨ㄜ囕v定位到達(dá)地點后系統(tǒng)自動卸貨）、生成部分報表，具體管理流程設(shè)計如圖7所示。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟及科技的持續(xù)發(fā)展，煤礦產(chǎn)業(yè)應(yīng)致力于技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，以實用、可靠、先進、經(jīng)濟、安全為指導(dǎo)思想，正視煤礦井下車輛運輸?shù)闹匾獌r值，建設(shè)一套先進的智能運輸管理系統(tǒng)，利用技術(shù)平臺所展現(xiàn)的管理優(yōu)勢，全面提升煤礦的生產(chǎn)效率和安全性，尤其在精確定位技術(shù)的支撐下，實現(xiàn)對煤礦車輛與物料的實時、精準(zhǔn)監(jiān)控，保證各類資源的合理高效利用，全方位挖掘車輛運輸?shù)臐摿?，為智慧煤礦的轉(zhuǎn)型提供信息支撐。

作者單位：郭玉龍 李榮孝 吳晶星 陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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郭玉龍（1988.10-），男，漢族，陜西咸陽，本科，工程師，研究方向：機電工程；

李榮孝（1987.11-），男，漢族，陜西咸陽，本科，助理工程師，研究方向：機電信息；

吳晶星（1985.12.08-），男，漢族，陜西寶雞，本科，工程師，研究方向：煤礦信息化系統(tǒng)。