井下行車管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：膠輪車在井下輔助運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但井下行車主要還是采用人工管理方式，存在效率較低、安全隱患較大等問題。為適應(yīng)智慧礦山的發(fā)展趨勢(shì)，提高井下膠輪車的行車效率和安全性，設(shè)計(jì)一套膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)，分析和研究井下運(yùn)輸?shù)臄?shù)學(xué)模型和典型的三叉巷道的行車管理策略，并對(duì)行車管理系統(tǒng)軟件框架及主要子程序流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。這套系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下行車狀況并對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)配和管理，大大提高井下車輛行車管理的效率和智能化程度。

關(guān)鍵詞：無軌膠輪車；管理系統(tǒng)；軟件；車輛管理；智能化

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0123-04

Abstract： Rubber-tyred vehicles are becoming more and more widely used in the field of underground auxiliary transportation， but underground driving mainly adopts manual management methods， which has problems such as low efficiency and large safety hazards. In order to adapt to the development trend of smart mines and improve the driving efficiency and safety of underground rubber-tyred vehicles， a rubber-tyred vehicle transportation management system is designed; the mathematical model of underground transportation and the driving management strategy of typical three-pronged roadways are analyzed and studied; and the software framework and main subroutine flow chart of the traffic management system are designed. This system can monitor underground driving conditions in real time and deploy and manage vehicles， greatly improving the efficiency and intelligence of underground vehicle driving management.

Keywords： trackless rubber-tyred vehicle; management system; software; vehicle management; intelligence

煤礦井下輔助運(yùn)輸是煤炭生產(chǎn)的重要組成部分，主要用于井下物料和人員的運(yùn)輸。近年來，無軌膠輪車憑借靈活機(jī)動(dòng)、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)成為了輔助運(yùn)輸?shù)闹饕b備[1-2]。由于無軌膠輪車在井下行車存在自由性較大、工況環(huán)境惡劣、巷道條件復(fù)雜和照明不夠充分等不利因素，如果沒有一個(gè)統(tǒng)一和規(guī)范的管理，容易發(fā)生交通混亂、擁堵，4wafY+ci18Bm6dyJedGYZo2SDkRJL1u1yhf20u8yTpE=影響煤礦生產(chǎn)過程的連續(xù)性，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡事故。針對(duì)該問題，有必要結(jié)合礦井實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究無軌膠輪車的運(yùn)輸管理和調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)礦井中運(yùn)行的車輛進(jìn)行有效管理，避免發(fā)生交通安全事故[3]。此外，煤礦信息化歷經(jīng)數(shù)字礦山和感知礦山階段的建設(shè)，當(dāng)前正朝著智慧礦山邁進(jìn)[4]。已經(jīng)批量使用無軌膠輪車的礦井，在制定相應(yīng)車輛管理和行車規(guī)范制度的同時(shí)，還應(yīng)該提高井下輔助運(yùn)輸管理和調(diào)度的智能化程度。配置一套井下車輛運(yùn)輸管理系統(tǒng)，不僅是搭建智慧礦山的重要環(huán)節(jié)，而且對(duì)提高井下無軌輔助運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效性都有重要的意義。

1 系統(tǒng)的功能及構(gòu)成

井下膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)由井上和井下2部分組成，井下部分還包括網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層。井上部分是系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，通過收集井下分節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)反饋回的車輛行車交通信息，經(jīng)過服務(wù)器的邏輯計(jì)算，給井下各個(gè)巷道分節(jié)點(diǎn)和車輛發(fā)出調(diào)度和管理命令，并把井下行車情況和交通信息呈現(xiàn)在指揮中心的終端顯示屏上，以便管理人員監(jiān)控和干預(yù)。井下部分中的網(wǎng)絡(luò)層通過有線網(wǎng)絡(luò)和井上層相連接，為井上部分提供井下的車輛情況，并接受上級(jí)指令，同時(shí)還通過布置在輔助運(yùn)輸巷道的無線節(jié)點(diǎn)和處于設(shè)備層的車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收車輛的位置和車況信息并根據(jù)上層指令對(duì)車輛進(jìn)行管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)具有管理和調(diào)度、可視化監(jiān)測(cè)、通信和報(bào)警等功能。

井上層主要由服務(wù)器和交換機(jī)組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總和運(yùn)算，以及下級(jí)系統(tǒng)的調(diào)度和管理。

井下層的第一層為網(wǎng)絡(luò)層，井下基站通過礦用本安交換機(jī)和控制分站來連通網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)與井上層設(shè)備相連接，控制分站連接到終端的礦用本安攝像頭、交通信號(hào)燈、無線定位節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)。井下布置定位節(jié)點(diǎn)可采用UWB定位技術(shù)，UWB抗干擾性強(qiáng)，定位準(zhǔn)確，更加適用于煤礦井下人員和車輛定位[5]。井下數(shù)據(jù)無線通信可以采用Wi-Fi技術(shù)，已經(jīng)經(jīng)過多個(gè)煤礦的應(yīng)用檢驗(yàn)，高效穩(wěn)定；可以考慮在巷道中布置Wi-Fi基站，在無軌膠輪車上安裝帶有無線Wi-Fi信號(hào)發(fā)射設(shè)備來傳輸無軌膠輪車的運(yùn)行參數(shù)[6]。

井下層的第二層為設(shè)備層，無軌膠輪車通過車載信號(hào)發(fā)射器與網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)將無軌膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄现笓]中心并接收上級(jí)指令。

2 巷道行車管理策略

2.1 策略方案設(shè)計(jì)

無軌膠輪車在井下巷道的行車有3種常見的巷道類型，分別是單車巷道、雙車巷道、三岔巷道。

由于地質(zhì)和工程規(guī)劃等因素，井下有些運(yùn)輸巷道只能容納單車道行駛。在這些單車巷道中，為了解決雙向行車問題，就需要在約100～200 m的距離建設(shè)一個(gè)會(huì)車硐室，會(huì)車硐室一般可設(shè)置在出井的行車方向一側(cè)，每次會(huì)車時(shí)，出井的車輛停靠會(huì)車硐室避讓前方來車[7-8]。

雙車巷道較寬，可以容納兩車相向行駛，行車需要注意的是要保持前后車距，既要避免因車距過近而出現(xiàn)安全隱患，又要避免車距過大降低運(yùn)輸效率。

三岔巷道綜合性較強(qiáng)，由于3個(gè)方向都可能有車輛往來，巷道的寬窄也不相同，行車路況較為復(fù)雜。通常把三岔巷道交匯處作為重點(diǎn)管理區(qū)域，根據(jù)3個(gè)巷道的行車特點(diǎn)，以單行巷道為例，規(guī)劃三岔巷道的優(yōu)化行車管理策略方案，如圖2所示。

圖2中D表示行車方向，三岔巷道一共有2種直行和4種拐彎方向；圖中H表示會(huì)車硐室，在三岔巷道設(shè)置了3個(gè)會(huì)車硐室；圖中L表示信號(hào)燈，設(shè)置了4個(gè)信號(hào)燈。該方案中，D2方向來車為最高優(yōu)先行車等級(jí)。當(dāng)D1和D2直行方向有來往車輛時(shí)，L3為紅燈，L1和L2根據(jù)會(huì)車車距變?yōu)榧t燈，D1方向車輛避入會(huì)車硐室H1或H2，D2方向車輛暢通直行。當(dāng)車輛由D1或D2向D4轉(zhuǎn)向時(shí)，L3燈變?yōu)榧t燈，D3方向車輛避入會(huì)車硐室H3。當(dāng)車輛由D3方向往D1或D2轉(zhuǎn)向時(shí)，L1變?yōu)榧t燈。岔道中還設(shè)置有手動(dòng)控制信號(hào)燈L4，可在必要時(shí)停止D2方向行車。

2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及算法

依據(jù)輔助運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)要求，設(shè)計(jì)算法求解運(yùn)輸系統(tǒng)的行駛路徑策略，得到最佳車、貨配置和路徑的運(yùn)輸方案。數(shù)學(xué)模型中將完成運(yùn)輸任務(wù)的最低運(yùn)輸總量作為目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式

M=min∑∑wdijvij，（1）

式中：M為運(yùn)輸總量；w為膠輪車的種類；vij為從裝料庫(kù)i到卸料點(diǎn)j的運(yùn)輸量；dij為從裝料庫(kù)i到卸料點(diǎn)j的距離；m，n為倉(cāng)庫(kù)和工作面總數(shù)。

數(shù)學(xué)模型的約束函數(shù)主要有運(yùn)能約束、裝載效率約束和道路約束等。其中的運(yùn)能約束是指每臺(tái)膠輪車的裝載量有限時(shí)，在滿足安全性的情況下膠輪車的最大運(yùn)載量，表達(dá)式為

Ci≤∑Li，i=1，2，…，n， （2）

式中：C為某任務(wù)中總運(yùn)載質(zhì)量；L為未派車輛最大運(yùn)能。

為了將交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)算法問題，將車輛的運(yùn)輸要求和運(yùn)輸路線方案轉(zhuǎn)換為編碼，對(duì)車輛選擇運(yùn)輸路徑問題運(yùn)算求解，就可得到優(yōu)化的運(yùn)輸方案。

3 軟件的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上的分析，以井上的主站管理系統(tǒng)為核心，以井下各個(gè)基站的數(shù)據(jù)采集和控制為實(shí)施節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)井下無軌膠輪車行車的監(jiān)控、調(diào)配、路線規(guī)劃和調(diào)度等功能。對(duì)井下膠輪車行車管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要由井下行車管理模塊、膠輪車參數(shù)監(jiān)控模塊、遠(yuǎn)程控制及通信模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等部分組成，軟件框架圖如圖3所示。

膠輪車參數(shù)監(jiān)控模塊對(duì)井下車輛車況數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、處理，對(duì)照安全要求及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛問題。遠(yuǎn)程控制及通信模塊負(fù)責(zé)主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的控制以及數(shù)據(jù)的傳輸、人員通信等。井下行車管理模塊是實(shí)施井下車輛交通管理的關(guān)鍵模塊，軟件框架圖如圖4所示。

井下行車管理模塊主要包括行車規(guī)劃、行車控制程序。行車規(guī)劃程序用來根據(jù)運(yùn)輸需求制定運(yùn)輸方案。行車控制程序用來對(duì)巷道中的車輛行駛進(jìn)行調(diào)度和管理，包括車輛定位、行車方向判斷、調(diào)度控制、紅綠燈控制和人工干預(yù)等程序。

車輛定位和行車方向判斷程序流程圖如圖5所示?；緦?shí)時(shí)監(jiān)控定位節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)收到定位數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不少于3個(gè)時(shí)，從中篩選最強(qiáng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的位置信息，三角質(zhì)心算法求出車輛坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)膠輪車的定位。當(dāng)定位坐標(biāo)累積超過2個(gè)，根據(jù)坐標(biāo)位置的變化，對(duì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，求出車輛的行駛方向。

調(diào)度控制程序根據(jù)巷道分布和車道情況不同而調(diào)用不同的子程序。其中較為重要的是三岔巷道的行車控制程序。根據(jù)三岔巷道的行車管理策略，設(shè)計(jì)了三岔巷道的控制程序流程如圖6所示。

程序開始執(zhí)行時(shí)需要對(duì)區(qū)域內(nèi)是否有車進(jìn)行判斷，如果區(qū)域內(nèi)有車，根據(jù)策略對(duì)區(qū)域內(nèi)車輛進(jìn)行調(diào)度。區(qū)域內(nèi)的車輛駛出區(qū)域之后，區(qū)域外的車輛允許進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)，程序根據(jù)車輛定位和行駛方向數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)來車為多向時(shí)，根據(jù)行車優(yōu)先級(jí)的策略對(duì)往來車輛進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)來車為單向時(shí)，則允許車輛直接通行。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)井下無軌膠輪車行車智能化管理問題，進(jìn)行了以下研究。

1）設(shè)計(jì)了一套采用井上層和井下層多系統(tǒng)融合的膠輪車行車管理系統(tǒng)，對(duì)其智能化需求、功能以及組成進(jìn)行了分析說明，該設(shè)計(jì)方案可以滿足井下行車管理的應(yīng)用需求。

2）研究了膠輪車在井下車輛行車的管理策略，對(duì)三岔路口的行車管理策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在保證安全性的同時(shí)提高車輛運(yùn)行效率。并對(duì)車輛運(yùn)輸方案的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型做了分析。

3）研究了系統(tǒng)軟件架構(gòu)，設(shè)計(jì)了主站管理系統(tǒng)軟件及井下行車管理模塊軟件的框架圖，對(duì)關(guān)鍵功能的軟件程序運(yùn)行流程進(jìn)行了繪制和分析。

本研究對(duì)膠輪車高效、安全運(yùn)輸和煤礦生產(chǎn)增值提效都有積極意義，為煤礦建設(shè)智慧礦山提供理論支持。

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