礦山井下狹窄巷道行人行車智能管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘" 要：礦山井下狹窄巷道行人行車智能管控裝置，是狹窄巷道兩端出入口頂部安裝的一種行人行車紅綠燈，控制器輸入端連接狹窄巷道的行車地磁傳感器，輸出端則連接行車紅燈與行人綠燈，保證礦山井下單向行車與雙向行人安全，為礦井狹窄巷道交通安全提供重要保障，防止發(fā)生礦山井下交通事故。該文基于礦山井下狹窄巷道施工背景，分析行人行車智能管控裝置的設(shè)計(jì)模式及實(shí)際應(yīng)用，以期能夠?yàn)榈V井安全施工提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：礦山井下；狹窄巷道；行人行車；智能管控裝置；交通安全

中圖分類號(hào)：TD525" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0138-04

Abstract： The intelligent control device for pedestrian driving in narrow tunnels underground is a pedestrian driving traffic light installed at the top of the entrances and exits at both ends of the narrow tunnel. The input end of the controller is connected to the driving geomagnetic sensor of the narrow tunnel， and the output end is connected to the driving red light and pedestrian green light， ensuring the safety of one-way and two-way pedestrians in the mine underground， providing important guarantees for traffic safety in narrow tunnels underground， and preventing traffic accidents in the mine. This article is based on the construction background of narrow tunnels in underground mines， analyzing the design mode and practical application of intelligent pedestrian driving control devices， in order to provide technical support for safe construction of mines.

Keywords： underground mine; narrow roadway; pedestrian driving; intelligent control device; traffic safety

在科技迅猛發(fā)展的現(xiàn)階段，智能控制裝置被廣泛用于各個(gè)行業(yè)中，例如交通控制、冶金鋼鐵以及汽車工業(yè)等，目前已升級(jí)為工業(yè)生產(chǎn)的調(diào)度指揮中心。然而，礦山井下350～380m的狹窄巷道、急彎及陡坡等特殊低端，因現(xiàn)有交通控制裝置無法應(yīng)用，造成礦山井下狹窄巷道的車輛與行人難以同時(shí)通行，安全隱患非常大，若車輛進(jìn)入巷道過程中，巷道兩側(cè)預(yù)留空間狹窄，導(dǎo)致行人無法避讓，極易發(fā)生安全事故[1]。所以，需要研發(fā)一種行車時(shí)無法通人，而行人時(shí)無法行車的智能管控裝置。本文提出井下狹窄巷道行人行車智能管控裝置，為礦井交通技術(shù)范疇，是具有較高通行效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及安全可靠的一種行人行車交通控制裝置。

1" 礦山井下狹窄巷道交通管控背景技術(shù)

以往礦井下與封閉巷道交通管控裝置，大多選擇人工控制模式，或者將電子標(biāo)簽安裝于礦車中，沿線裝置壓力傳感器或者射頻讀卡器等點(diǎn)狀分布的通信基站與位置傳感器，從而實(shí)現(xiàn)終端位置的智能化移動(dòng)檢測(cè)，以達(dá)到連接通訊目標(biāo)，對(duì)行車安全進(jìn)行有效控制[2]。然而，人工控制通行效率相對(duì)較低，再加上很難消除人為因素對(duì)礦山井下交通安全產(chǎn)生的影響。壓力傳感器、射頻傳感器等通信控制，可以有效杜絕人工控制缺陷，但因礦山井下施工環(huán)境非常惡劣，而且穩(wěn)定性不足，實(shí)用效率低，存在較大的維護(hù)難度?，F(xiàn)有技術(shù)下的很多礦井主支巷道因各種因素制約，會(huì)產(chǎn)生狹窄巷道，而且狹窄巷道地形比較復(fù)雜，很容易產(chǎn)生超載、坡陡以及彎急等特殊狀況，會(huì)大大加大狹窄巷道中車輛與行人同時(shí)通行的難度，一方面通行效率較低，另一方面安全隱患也非常大[3]。車輛進(jìn)入巷道過程中，巷道兩側(cè)預(yù)留空間距離十分狹窄，行人通行難度較大，極易引發(fā)礦山井下安全事故。隨著科技的發(fā)展，在冶金鋼鐵工業(yè)、交通控制、汽車工業(yè)等許多行業(yè)，其智能控制裝置被認(rèn)為是工業(yè)生產(chǎn)的“大腦”和“調(diào)度”的核心，占有極其關(guān)鍵的地位，尤其是在礦井下的運(yùn)用日益增多。礦井下的運(yùn)輸控制裝置對(duì)礦井作業(yè)工人的人身安全和礦車的正常行駛具有很大的影響。事實(shí)表明，安全有效的礦山井下狹窄巷道行人行車智能交通控制裝置，一方面有助于車輛及人員的人身裝備安全，另一方面還能大大提升井下生產(chǎn)和運(yùn)輸效率，更大程度地減少和避免礦井下發(fā)生交通安全事故。

2" 行人行車智能管控裝置

本文提出一種行人行車智能管控裝置，主要目的就是克服礦山井下狹窄巷道行人行車問題，該裝置主要包括殼體，是創(chuàng)設(shè)在殼體中的存儲(chǔ)器、微控制器、時(shí)鐘、氣壓傳感器、傳感信號(hào)接收器、CMOS開關(guān)、電源及行車電腦收發(fā)器等，主要特征在于，微控制器連接存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、傳感信號(hào)接收器、CMOS開關(guān)、電源及行車電腦收發(fā)器。其中，CMOS開關(guān)連接車輛行車記錄儀，駕駛記錄裝置與 LCD顯示屏和揚(yáng)聲器相連，駕駛計(jì)算機(jī)與汽車計(jì)算機(jī)相連，感知訊號(hào)接收裝置與汽車驅(qū)動(dòng)軸系中的霍爾感應(yīng)器相連，而網(wǎng)絡(luò)信號(hào)則與伺服器之間的信號(hào)經(jīng)由無線網(wǎng)路相連[4]。為了方便，在汽車進(jìn)入井下巷后，利用空氣壓力傳感器，霍爾傳感器向單片機(jī)傳送汽車的上行線和下行線的信息，來判定汽車的行駛車速是否超出了下行線的限制，如果汽車的車速超出了上下行線的限制，單片機(jī)就向行駛記錄裝置發(fā)射一個(gè)信號(hào)，使汽車的行駛車速達(dá)到了一定的上限，并將當(dāng)前的速度、時(shí)間存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，并利用Wi-Fi將存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)自動(dòng)地上傳到服務(wù)器，以便監(jiān)控車輛駕駛員。

單片機(jī)由STM32F103CBT6型單片機(jī)組成，單片機(jī)可與時(shí)鐘聯(lián)結(jié)，并經(jīng)感應(yīng)訊號(hào)接收端與車載驅(qū)動(dòng)軸系的霍爾感應(yīng)訊號(hào)聯(lián)結(jié)；鐘表使用PCF8563型的鐘表，以及CT357型的感測(cè)信號(hào)接收機(jī)，用于基于所收到的霍爾感應(yīng)器的轉(zhuǎn)速信號(hào)和所述鐘表所記載的時(shí)段，來推算所述時(shí)段中的平均值；其計(jì)算公式：速度（km/h）=0.003×車輛傳動(dòng)軸直徑（cm）×π/時(shí)間（s）。

單片機(jī)經(jīng)駕駛計(jì)算機(jī)接收端與車輛計(jì)算機(jī)相連，可從駕駛計(jì)算機(jī)中讀出車輛的車速。所述微型控制器被連接到具有AT24C256型的存貯器，并且在運(yùn)行速率的數(shù)值比預(yù)定速率的數(shù)值大時(shí)，所述微型控制器被判定為超速，并且在所述存貯器中存儲(chǔ)目前的時(shí)間和超速的數(shù)值。單片機(jī)由MG4953型CMOS轉(zhuǎn)換器與駕駛記錄裝置相連，由單片機(jī)控制操作駕駛記錄裝置。行車記錄儀與液晶顯示屏、喇叭和微控制器相聯(lián)系，微控制器將數(shù)據(jù)信息傳送到行車記錄儀，行車記錄儀將液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)信息（例如速度信息等）進(jìn)行傳送，并通過喇叭將聲音信息（例如超速提示音等）傳遞出去。單片機(jī)與BMP180型空氣壓力傳感器相連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣壓力的測(cè)量。電力供應(yīng)裝置被用來為設(shè)備的整體工作供電。該單片機(jī)與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)器相關(guān)聯(lián)，而該網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)器則是利用一種名為ESP-12S的Wi-Fi與該服務(wù)器的信號(hào)相聯(lián)系，在一輛正在運(yùn)行的汽車，在其進(jìn)入了一個(gè)特定的Wi-Fi的覆蓋區(qū)域之后，就可以利用Wi-Fi，把存儲(chǔ)在該區(qū)域內(nèi)的速度和時(shí)間等信息，自動(dòng)地上傳到該區(qū)域的服務(wù)器上來進(jìn)行監(jiān)控，從而避免了手動(dòng)傳輸?shù)葐栴}[5]，如圖1所示。礦井窄巷中的人行交通智能化控制設(shè)備的應(yīng)用，必須為每個(gè)汽車設(shè)定一個(gè)獨(dú)一無二的ID編號(hào)，以確保與相應(yīng)的汽車配套。

本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：借助空氣壓力傳感器、霍爾傳感器等，可以很容易地向單片機(jī)傳送汽車的上下方向的信號(hào)，從而在汽車駛?cè)刖孪锖?，就可以?duì)汽車行駛車速進(jìn)行判定，并在汽車車速超出上下方向的限速數(shù)值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)向行駛記錄器傳送訊號(hào)，并啟動(dòng)揚(yáng)聲器，以提醒汽車超速行駛，并將當(dāng)前的速度、時(shí)間存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。在車輛進(jìn)入Wi-Fi覆蓋的區(qū)域之后，就可以利用Wi-Fi，將存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的速度、時(shí)間等相應(yīng)數(shù)據(jù)及參數(shù)，自動(dòng)上傳到服務(wù)器，這樣就方便了管理者對(duì)司機(jī)進(jìn)行監(jiān)督，避免了手工傳送等問題，從而提升了安全管理水平，防止道路交通意外，保證生產(chǎn)和運(yùn)輸安全。

3" 設(shè)備功能

礦山井下狹窄巷道智能管控裝置的主要功能在于：①對(duì)每個(gè)路口的車輛、行人進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)交通流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)路口的交通信號(hào)燈進(jìn)行智能化的控制，并使車輛有序行駛，不僅可以提升車輛的行駛效率，還可以減少交通事故的發(fā)生。②能夠?qū)囕v進(jìn)行分類，判斷是重型卡車還是載人卡車，或者是上坡的車輛，從而能夠?qū)χ匦汀⑤d人和下坡的車輛進(jìn)行優(yōu)先放行。③辨別有無人通過的十字路口，在發(fā)現(xiàn)有人通過的情況下，十字路口的聲光報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出聲音，提醒路人及駕駛員注意交通安全。④能夠識(shí)別行人和車輛闖紅燈的違規(guī)行為，在發(fā)生違規(guī)行為的時(shí)候，通過聲光報(bào)警來提示行人和駕駛員違規(guī)行為，并將違規(guī)信息上傳到地上，可以進(jìn)行歷史違規(guī)行為的查詢。⑤對(duì)單車道的車流量進(jìn)行控制，避免兩輛汽車在車道中會(huì)車而引起較大的安全性問題。⑥增加了對(duì)汽車超速的捕捉和對(duì)地區(qū)速度測(cè)量的擴(kuò)充。

4" 礦山井下狹窄巷道行人行車智能管控裝置的設(shè)計(jì)

礦山井下狹窄巷道智能管控裝置，依照井下路口狀況，具體分為區(qū)間測(cè)速、巷道岔口以及單行巷道等多種應(yīng)用場(chǎng)景。礦井狹窄巷道智能管控裝置主要用于智能化管控井下岔口紅綠燈，單行巷道紅綠燈控制主要用于控制出入口紅綠燈，而區(qū)間測(cè)速則主要用于控制巷道車輛限速。

4.1" 礦井狹窄巷道岔口紅綠燈管控

裝置分井上、井下2個(gè)大模塊，其中，井上模塊主要用于錄像、報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄與顯示，并在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下交通信號(hào)燈的遙控操作。礦井下段是十字路口信號(hào)燈的中心，其能與上面段單獨(dú)工作，并能對(duì)十字路口的車流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)十字路口信號(hào)燈的自動(dòng)控制。在需要的時(shí)候，還可以對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行手工的控制。在每一個(gè)十字路口，都會(huì)有2個(gè)安全攝像頭，1個(gè)交通信號(hào)燈，1個(gè)聲音報(bào)警。在十字路口的旁邊有攝影機(jī)，可以記錄來往的汽車以及穿過十字路口的情況，而另外一個(gè)攝像頭，則是距離十字路口最遠(yuǎn)的地方，正好可以看到那幾輛車的行駛軌跡。

4.2" 區(qū)間測(cè)速

在要求限速的道路上，在起點(diǎn)各設(shè)置一臺(tái)本圖像處理（智能抓拍）攝影機(jī)，對(duì)經(jīng)過的車輛展開拍攝，利用計(jì)算和測(cè)量的經(jīng)過起點(diǎn)的時(shí)間，來判定該車輛是否超速，并對(duì)超速車輛進(jìn)行警告和記錄?，F(xiàn)場(chǎng)安裝了聲光報(bào)警及LED屏幕，提示駕駛員。

4.3" 裝置度量?jī)?yōu)點(diǎn)

利用視頻智能識(shí)別分析、智能識(shí)別和追蹤技術(shù)，智能控制井下膠輪車通行的交通信號(hào)燈，從而可以高效地完成對(duì)每個(gè)交通路口車輛、行人的識(shí)別和管理，智能管理交通信號(hào)燈路口秩序通行，這既可以提升裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，又可以避免出現(xiàn)安全隱患。利用通訊協(xié)定，向管理伺服器提供交通信號(hào)燈的實(shí)時(shí)狀況，由AI管理服務(wù)器對(duì)交通信號(hào)燈的交通訊號(hào)進(jìn)行分析，并經(jīng)由該通訊協(xié)定向隔離與安全一體化接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送交通信號(hào)燈的訊號(hào)；同時(shí)，按照預(yù)先設(shè)定好的每一個(gè)子程序，精確地輸出交通信號(hào)燈及聲光報(bào)警信號(hào)，從而確保礦井下的交通工具的高效運(yùn)行及人身的安全。能夠辨別出哪些車是重型卡車，哪些是爬山車。該裝置能夠?qū)τ袩o人通過的十字路口進(jìn)行判斷，在發(fā)現(xiàn)有人通過的情況下，十字路口的聲光報(bào)警裝置還能發(fā)出聲音，提醒行人及駕駛員注意交通安全。能夠識(shí)別行人和車輛違章闖紅燈的行為，在發(fā)生違章的時(shí)候，會(huì)第一時(shí)間使用十字路口的聲光報(bào)警裝置來提示行人和司機(jī)違章行為，并把違章信息上傳到地面。使用管理軟件對(duì)違規(guī)情況進(jìn)行彈窗口展示，還可以對(duì)違規(guī)情況進(jìn)行查詢。

5" 行人行車智能管控裝置的應(yīng)用方式

該微處理器U2的30管腳和31管腳連接到該駕駛計(jì)算機(jī)的接收端，該微處理器U2用來讀取該駕駛計(jì)算機(jī)上的該旋轉(zhuǎn)速度和該速度信息。存儲(chǔ)部分使用了AT24C256單片機(jī)U5，其5管腳和6管腳分別連接到單片機(jī)的21管腳和22管腳上。在所算出的速率值比所述預(yù)定速率值大時(shí)，判定為超速，并在所述存儲(chǔ)器中寫入所述當(dāng)前時(shí)刻和所述超速信息以進(jìn)行存儲(chǔ)。CMOS切換電路 J的MG4953的晶片U6的第2和4管腳連接到單片機(jī)U2的42和43管腳，第7管腳連接到駕駛記錄器的電源切換控制上，如圖2所示。所述的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)使用了一個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通訊器U3，該U3是ESP-12S型，該U3具有一個(gè)1管腳，一個(gè)21管腳和一個(gè)22管腳，以及一個(gè)11管腳和一個(gè)單片機(jī)U2；12個(gè)管腳，13個(gè)管腳連在一起，在行駛中的汽車進(jìn)入特定的Wi-Fi覆蓋區(qū)域時(shí)，Wi-Fi會(huì)自動(dòng)把存儲(chǔ)的速度和時(shí)間等信息通過Wi-Fi上傳到服務(wù)器監(jiān)控，省去了手動(dòng)傳送等繁瑣的工作。氣壓傳感器使用的是一種型號(hào)為BMP180的氣壓傳感器，其與微處理器的45管腳、46管腳相連接，氣壓傳感器每隔1 s就會(huì)對(duì)當(dāng)前的大氣壓強(qiáng)進(jìn)行采集，如果氣壓值逐漸升高，那么就會(huì)判定車輛處于下坡狀態(tài)。如果壓力值逐步降低，就可以判定汽車是在上坡行駛。根據(jù)上下行車狀況，比較目前行車速度有無超出設(shè)定限速，井下巷道一般采用20 km/h的下行限速，30 km/h的上行限速，確保井下巷道行車安全。時(shí)鐘電路使用的是PCF8563的時(shí)鐘芯片U4，其中的5管腳、6管腳與微控制器的27管腳、28管腳相連接，其被用來采集時(shí)鐘的運(yùn)行信號(hào)，并用來提供整個(gè)設(shè)備的工作用電。

6" 效益分析

礦井下狹窄巷道智能監(jiān)控設(shè)備的主要功能是依靠相機(jī)監(jiān)測(cè)及智能化的分析計(jì)算，成本低、安裝方便及工作穩(wěn)定。該設(shè)備不但對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行了智能化改造，還大大提高了地下交通監(jiān)控設(shè)備的性能。改善礦井下的運(yùn)輸安全，提升礦井運(yùn)輸?shù)男省Ｊ沟V井的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度下降，從而使礦井的運(yùn)力得到了極大的提升。

7" 結(jié)束語

總而言之，礦洞里都是坑洞，光線很弱，遇到人和車，根本找不到躲避的地方。而且礦工們?cè)诤推渌囕v擦肩而過時(shí)，幾乎沒有閃避的余地，因此必須將其他車輛分開。在礦山，“車不能人”的智能監(jiān)視器，可以對(duì)礦山狹窄巷道的路面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果有一輛礦車和一輛礦車在同一個(gè)十字路口，監(jiān)視器會(huì)第一時(shí)間向行人示警，提醒其避開，并提醒駕駛員小心開車，以免傷害到其他人。

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