段昌盛,高祖彥
(恩施職業(yè)技術學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)
煤礦工作面中開采獲得的煤炭資源,需要利用運輸工具將其運輸?shù)街付ǖ攸c。無軌膠輪車以運輸效率高、成本低等優(yōu)勢在煤礦領域的應用越來越廣泛,已經成為礦井中重要的輔助運輸裝備[1]。但無軌膠輪車實際操作時存在一定的缺陷,比如礦井巷道比較狹窄、光線不好、結構復雜,車輛行駛過程中容易出現(xiàn)交通堵塞問題,嚴重時可能引發(fā)交通事故,造成財產損失和人員傷亡[2]。如何保證無軌膠輪車的行駛安全,是使用該類型運輸裝備時需要考慮的重點問題[3]。為了提升無軌膠輪車的運行安全性,成中華[4]以礦用防爆無軌膠輪車為研究對象,設計了安全保護監(jiān)控系統(tǒng),可以對車輛運行時的狀態(tài)進行監(jiān)測;韓鵬海[5]研究了煤礦無軌膠輪車的自動監(jiān)控系統(tǒng)。但是利用監(jiān)控系統(tǒng)只能對單個設備狀態(tài)進行監(jiān)測,礦井中通常同時存在多輛車輛運行,如何保證車輛之間不發(fā)生碰撞,需要通過車輛調度系統(tǒng)實現(xiàn)。使用傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng),難以滿足實際使用要求?;诖?有必要結合礦井實際情況設計無軌膠輪車的調度系統(tǒng),利用系統(tǒng)實時檢測井下所有無軌膠輪車的位置,并對車輛的行駛過程進行調度[6]。不僅能在一定程度上提升車輛的行駛效率,從而提升運輸效率,同時還能保障井下車輛的行駛安全。
無軌膠輪車調度系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。由圖1可知,整個系統(tǒng)可以分為2大部分,分別為井上部分和井下部分,后者是系統(tǒng)的核心部分。井下部分設置有多個控制分站,在礦井中每間隔一定距離需要設置一個控制分站,控制分站數(shù)量視礦井結構及其大小確定。每個控制分站具有相同的硬件設施,控制分站主要包括傳感器、信號燈、移動節(jié)點、檢測節(jié)點、監(jiān)測基站、工業(yè)攝像頭等部分。利用傳感器可以實時檢測無軌膠輪車的工作狀態(tài),利用檢測節(jié)點和移動節(jié)點可以獲取無軌膠輪車的位置基礎信息,檢測的信息通過工業(yè)網絡上傳至控制分站中??刂品终緦囕v的行駛狀態(tài)及其位置進行分析,同時根據(jù)設置的調度策略,判斷車輛是否可以進入下一個行駛區(qū)間,利用信號燈指導車輛行駛。井上部分主要包括主站控制器、工控機、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)服務器、終端顯示器、監(jiān)控大屏、打印機等部分。井下所有控制分站均與主站控制器進行連接,主站控制器綜合分析礦井所有車輛信息和礦井結構特點,對井下信號燈進行控制,實現(xiàn)井下車輛的整體調度。利用數(shù)據(jù)服務器可以對所有車輛的軌跡信息及狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行存儲,并在屏幕上進行顯示,工作人員可以實時了解并掌握井下車輛的狀態(tài)信息和行駛軌跡[7]。
圖1 無軌膠輪車調度系統(tǒng)的整體結構框Fig.1 Overall structure block diagram of the trackless rubber-tyred vehicle dispatching system
(1)測距原理。根據(jù)調度系統(tǒng)的整體方案,無軌膠輪車上設置有移動節(jié)點,煤礦巷道上設置有檢測節(jié)點。移動節(jié)點跟隨無軌膠輪車移動,同時以一定的頻率向外發(fā)射無線信號。信號可以被附近的檢測節(jié)點接收,接收到的信號強度與移動節(jié)點和檢測節(jié)點之間的距離存在緊密聯(lián)系,距離越近則接收到的信號越強,距離越遠則接收到的信號越弱。根據(jù)此特征可以分析無軌膠輪車與檢測節(jié)點之間的距離[6]?;诖嗽磉M行測距的方法稱之為RSSI(Received Signal Strength Indicator)測距。移動節(jié)點與檢測節(jié)點之間距離對信號強度的影響規(guī)律公式為:RSSI=-(10nlgd+A)。其中,RSSI為描述信號強度的數(shù)值;n和A為與現(xiàn)場環(huán)境有關的常數(shù),需要根據(jù)現(xiàn)場情況測試后確定其數(shù)值;d為2個節(jié)點之間的距離。
(2)定位原理。利用1個檢測節(jié)點只能測量其與移動節(jié)點之間的距離,無法確定其方位,要想精確定位無軌膠輪車的坐標,至少需要3個檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)[7]。本研究基于三角質心定位原理確定無軌膠輪車的位置,三角質心定位原理如圖2所示。圖2中,A、B、C分別為檢測節(jié)點的位置,d1、d2、d3分別為3個檢測節(jié)點與無軌膠輪車之間的距離,3個圓圈分別為針對單個檢測節(jié)點而言,無軌膠輪車可能的位置。理論上,3個圓應該交匯于一點,該點就是無軌膠輪車的準確位置。實際上,受測量精度影響,3個圓圈難以交匯于一點,會形成如圖2所示的局面,即3個圓有一個疊加區(qū)域LMN。本研究將三角形LMN的質心作為無軌膠輪車的實際位置。雖然會存在一定的誤差,但誤差相對較小,可以滿足實際使用需要。
圖2 三角質心定位原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of triangular centroid positioning
(3)定位程序。無軌膠輪車的主要定位程序如圖3所示。此程序由控制分站控制器執(zhí)行。程序開始運行后,首先查詢是否有檢測節(jié)點上傳數(shù)據(jù),如果有檢測節(jié)點上傳數(shù)據(jù),判斷是否有3個及以上檢測節(jié)點上傳數(shù)據(jù)。若有3個及以上節(jié)點數(shù)據(jù),則選擇3個RSSI值最大的數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)獲得的RSSI值對照數(shù)據(jù)庫,將其轉換成為距離信息,根據(jù)檢測節(jié)點編號獲得其位置坐標?;谌琴|心定位原理對無軌膠輪車的位置坐標進行計算,獲得車輛位置信息,自此整個過程結束。
圖3 無軌膠輪車的主要定位程序Fig.3 Main positioning procedures for trackless rubber-tired vehicles
(1)信號燈及檢測節(jié)點布置。無軌膠輪車在礦井中運行時,可能遇到的情況可以分為3種類型[8]:①直行寬巷道;②直行窄巷道;③三岔巷道。其中,第3種情況比較復雜,本文以三岔巷道為例介紹信號燈及檢測節(jié)點的布置情況。三岔路口信號燈及檢測節(jié)點布置情況如圖4所示。三岔巷道每個方向都可能有車輛行駛,且為雙向行駛,所以需要在每個岔路口設置信號燈和避車室,信號燈能夠指示車輛的行駛方向,向上、向左和向右箭頭分別為直行、左拐和右拐。信號燈1設置在避車室右側,作用是指示對向來車的前行和左拐;信號燈2設置在避車室左側,作用是指示對向來車的直行和右拐;信號燈3設置在避車室右側,作用是對岔道方向行駛車輛進行控制,指示其左拐和右拐。檢測節(jié)點設置方面,在3個避車室的兩邊分別設置有檢測節(jié)點,其他節(jié)點按照間隔50 m的方案進行設置。
圖4 三岔路口信號燈及檢測節(jié)點布置情況Fig.4 Layout of signal lights and detection nodes at trident intersections
(2)車輛調度策略。為保證行車安全,系統(tǒng)將無軌膠輪車行駛路線劃分成為不同的區(qū)間,每個區(qū)間長度為200 m,要求每個區(qū)間內只能允許1輛車進入。車輛調度就是控制車輛是否需要停車等待或者進入避車室[9]。對每個行車區(qū)間進行編號,且明確所處的環(huán)境,比如直行寬巷道、直行窄巷道、三岔巷道。系統(tǒng)運行時,根據(jù)車輛定位提取對應行車區(qū)間編號,并明確巷道類型,進而調取對應的車輛調度程序,對附近的車輛進行調度控制。同樣地,以三岔巷道的車輛調度基本過程為例進行介紹??紤]到三岔巷道部位行駛車輛較多且方向不確定,是事故高發(fā)點,為確保三岔巷道區(qū)域的安全,設計的系統(tǒng)只允許1輛車同時經過三岔巷道口,將三岔口單獨設置1個行車區(qū)間。若三岔巷道沒有車輛行駛,所有方向的信號燈全部為綠色,任何方向來車都能夠正常通過。當有車輛正在通過三岔巷道口時,3個信號燈全部變成紅色,禁止其他車輛駛入。三岔巷道車輛調度基本流程如圖5所示。由圖5可知,系統(tǒng)工作時,首先判斷此行車區(qū)間內是否有其他車輛,若有車輛就進入避車室等待。若區(qū)間內沒有車輛則還要判斷是否多向來車,若有多向來車,需分析車輛優(yōu)先級,優(yōu)先級較高的車輛優(yōu)先通過路口,優(yōu)先級較低的車輛進入避車室等待。
圖5 三岔巷道車輛調度基本流程Fig.5 Basic flow chart of vehicle dispatching in trident roadways
由于煤礦井下環(huán)境非常復雜,特別容易出現(xiàn)突發(fā)情況,所以在選擇調度系統(tǒng)的硬件裝置時,必須考慮這些情況,確保裝置在特殊情況下能夠保持穩(wěn)定工作[10]。另外,礦井瓦斯?jié)舛容^高,選擇的裝置必須具備防爆功能。以下對系統(tǒng)主要硬件裝置的選型進行介紹。
對于無軌膠輪車調度系統(tǒng)而言,井下控制分站處理器是整個系統(tǒng)的核心硬件,其性能好壞直接決定了調度系統(tǒng)的綜合性能??刂品终咎幚砥鞯淖饔檬墙邮諅鞲衅鞯臄?shù)據(jù)信息,分析判斷車輛位置、行駛方向及其行駛狀態(tài)等。還需要與主站控制器進行連接,接受后者的指令,對分站內的信號燈進行控制[11-14]。當前階段,工業(yè)領域使用的控制器主要分為2種類型,分別為PLC和單片機。在綜合考慮礦井工作環(huán)境及設備性能的基礎上,本系統(tǒng)選用的是PLC控制器,此類型控制器具有更好的穩(wěn)定性,具體型號為西門子的S7-200型PLC控制器。S7-200型PLC控制器在工業(yè)領域具有很好的通用性,編程比較便捷,能夠適應不同的工況環(huán)境且穩(wěn)定性良好。擁有較多的I/O接口,能同時與多個硬件裝置進行連接,并對多路信息進行處理,提升信息處理速度,保證控制器性能。CPU模塊上擁有工業(yè)以太網以及RS-485串口通信接口,可通過多種網絡形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。具備信號板拓展功能,可以結合實際情況添加通信模塊,進一步豐富通信功能。
無軌膠輪車定位模塊主要包含2種硬件裝置,分別為檢測節(jié)點和移動節(jié)點。檢測節(jié)點安裝在煤礦巷道上,除關鍵位置必須設置檢測節(jié)點外,相鄰檢測節(jié)點之間的距離設置為50 m。移動節(jié)點安裝在無軌膠輪車上,隨車輛一起運動,其位置坐標與無軌膠輪車相同。移動節(jié)點工作時會不斷地向周圍發(fā)射信號,包括溫度、行駛速度、ID編號等。巷道上的檢測節(jié)點可以接收信號,并分析信號強度值,即RSSI值。檢測節(jié)點將接收到的信號數(shù)據(jù)及其RSSI值上傳至控制分站的PLC控制器中。系統(tǒng)中檢測節(jié)點與移動節(jié)點之間基于ZigBee無線傳輸技術進行數(shù)據(jù)傳輸,選用的定位模塊核心板塊芯片為CC2530。此型號芯片內置了RF收發(fā)器,具備信號發(fā)射和接收功能。CPU型號為增強型8051 CPU,SMAR的大小為8 KB。已有的應用實踐表明,CC2530芯片具有很好的抗干擾能力,靈敏度較高,運行時功耗較低,RF無線收發(fā)器的工作頻率為2.4 GHz。
無軌膠輪車定位模塊通信過程如圖6所示。
圖6 無軌膠輪車定位模塊通信過程示意Fig.6 Schematic diagram of communication process for positioning module of trackless rubber-tired vehicles
車載發(fā)射裝置和檢測節(jié)點接收裝置中使用的芯片全部為CC2530,兩者之間基于ZigBee協(xié)議進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。每個移動節(jié)點和檢測節(jié)點均設置有唯一的ID編號,通過移動節(jié)點ID編號可確定與之配套的無軌膠輪車。檢測節(jié)點與控制分站之間基于RS-485總線進行數(shù)據(jù)傳輸,將接收到的信號及信號強度值上傳至控制分站中進行分析,以確定移動節(jié)點的坐標位置。
由于礦井環(huán)境比較特殊,為了保證無軌膠輪車在井下的行駛安全,需要對車輛行駛狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測,需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包括油溫、油壓、車速以及環(huán)境瓦斯?jié)舛?。一旦上述關鍵指標參數(shù)超過了系統(tǒng)設定的安全閾值,系統(tǒng)會立即向外發(fā)出報警信息,提醒司機及監(jiān)控人員及時進行處理,避免小問題引發(fā)嚴重的安全生產事故。系統(tǒng)中使用的監(jiān)測模塊型號為YE0.3/24柴油機車保護監(jiān)控儀。此型號設備滿足相關標準要求,可以對無軌膠輪車運行過程中的關鍵參數(shù)進行采集并存儲。該儀器正常工作時的電流和電壓分別為300 mA和DC 15~30 V,環(huán)境溫度宜在-20~80 ℃,可以測量的轉速范圍、溫度范圍、甲烷濃度范圍、車速范圍分別為0~5 000 r/min、0~160 ℃、0~4%、0~150 km/s。
交換機的作用是實現(xiàn)井上和井下的網絡連接,提升長距離網絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文中使用的交換機型號為KJJ18,屬于礦用本質安全型裝置,可以在環(huán)境復雜的礦井下穩(wěn)定工作。交換機共有10路接口,其中千兆以太網光纖接口數(shù)量為4路,百兆以太網光纖接口數(shù)量為4路,RS-485總線通信接口數(shù)量為1路。
控制主站需要與井下所有的控制分站進行連接,并接受分站上傳的數(shù)據(jù)信息。在對所有信息進行綜合分析處理的基礎上,下達指令對井下的信號燈進行控制,確保無軌膠輪車的安全運行。系統(tǒng)中使用的主站控制器型號為610-H/L,此型號控制器不僅擁有豐富的I/O接口,方便與其他硬件裝置進行連接拓展功能,也具有豐富的通信接口,可以進行工業(yè)以太網、RS-485、RS-232等多種形式的通信。數(shù)據(jù)處理速度也較快,能滿足本系統(tǒng)的使用要求。
為了對無軌膠輪車調度系統(tǒng)的可靠性進行分析,根據(jù)上文的設計方案,將其應用到煤礦工程實踐中,并對系統(tǒng)的各項性能進行了綜合測試,重點對車輛的定位精度進行了分析。為了驗證系統(tǒng)的定位精度,測試時開展了10次實驗工作,統(tǒng)計了10次實驗的定位精度,無軌膠輪車定位誤差的實驗結果統(tǒng)計情況如圖7所示。由圖7可知,在10次實驗工作中,定位誤差分布在0.32 ~ 0.98 m。雖然車輛定位存在一定的誤差,但是該誤差相對較小,不會影響車輛調度,完全能滿足本系統(tǒng)的實際使用要求。
圖7 無軌膠輪車定位誤差實驗結果Fig.7 Experimental results of the positioning error of the trackless rubber-tired vehicles
完成調度系統(tǒng)的現(xiàn)場測試工作以后正式投入應用,目前系統(tǒng)在工程中的應用時間有6個月左右。通過對系統(tǒng)的實踐應用情況進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)達到了預期效果。系統(tǒng)可以對無軌膠輪車進行精確定位,并結合礦井結構特點對信號燈進行控制,實現(xiàn)車輛的有效調度。設置在井上的監(jiān)控大屏可以實時顯示井下無軌膠輪車的行駛軌跡,所有信息存儲在數(shù)據(jù)服務器中,隨時根據(jù)需要調取查詢。實踐操作中,若駕駛人員不按照信號燈指示行駛,系統(tǒng)可以利用喇叭對其進行提示,并記錄在案,可以作為工作人員考核的重要依據(jù)??傊?設計的調度系統(tǒng)在煤礦中的應用能顯著提升無軌膠輪車行駛安全,在系統(tǒng)使用的6個月內,煤礦中沒有出現(xiàn)無軌膠輪車碰撞事故,保證了煤礦的安全生產。
以煤礦領域使用的無軌膠輪車為研究對象,結合礦井實際設計了車輛的調度系統(tǒng),將其部署到實踐中,達到了預期效果。
(1)系統(tǒng)整體分為2部分,即井上和井下部分,井下部分由多個控制分站構成,作用是對車輛行駛數(shù)據(jù)信息進行采集并判斷車輛位置,井上部分作用是對車輛進行監(jiān)控并控制信號燈。
(2)基于三角質心定位原理確定車輛位置坐標,在此基礎上利用信號燈對礦井中所有的無軌膠輪車進行調度。
(3)通過現(xiàn)場測驗發(fā)現(xiàn)車輛定位精度可以控制在1 m內,在系統(tǒng)使用的6個月內,礦井沒有出現(xiàn)車輛碰撞安全事故,驗證了系統(tǒng)的有效性。