交通信号控制及指挥系统在矿山井下斜坡道的应用

舒 丹

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

交通信号控制及指挥系统在矿山井下斜坡道的应用

舒 丹

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

针对凡口铅锌矿井下斜坡道内各种车辆运行所存在的问题,创新研制出矿山井下斜坡道交通信号控制及指挥系统,通过实时监测和定位指挥调度,实现了斜坡道车辆跟踪和自动交通管制,使车辆操作人员严格按照正常有序的行车规则进行工作,真正有效地解决了车辆避让、通道堵塞问题,彻底消除了撞车、追尾等事故隐患,自2006年9月投入使用以来,大大提高了矿山井下通道的运行效率和交通安全性。

无轨斜坡道;无线射频;交通信号控制;实时监测

无轨斜坡道在现代矿山生产中占有举足轻重的地位,由于其道路湿滑、路面狭窄、路况复杂等特点,极易造成撞车、追尾等事故的发生,严重影响生产,并带来安全隐患。同时,当上下行车辆都是重车时,避让难度相当大,汽车一旦在斜坡道内发生事故,将会严重堵塞道路和危及矿山安全生产;另外,井上人员也难以及时掌握井下汽车的动态分布及作业情况,不能及时安排处理问题。

长沙矿山研究院针对金属矿山斜坡道交通运输与控制管理难度大、安全隐患突出等特点,在国内外首次将无线射频身份识别技术、远距离有线通讯技术、计算机网络技术等高新技术集成创新应用于矿山井下斜坡道“交通信号控制及指挥系统”,很好地解决了斜坡道交通面临的难题,并在凡口铅锌矿生产实际中获得应用,取得了良好的效果。

1 凡口矿主斜坡道交通管理存在的问题

凡口铅锌矿主斜坡道已从地表+112m掘至地下-650m中段,平均横断面为4.2m×3.8m,直线坡度为15°,全程近9km,其中繁忙地段跨越16个作业中段,54个分段,设有2个避让硐室。矿山共有近60台各种车辆需在斜坡道内运行,包括地下汽车、井下铲运机、凿岩台车、井下装药车、吉普车等。

凡口铅锌矿井下斜坡道最初的交通管理是采用手拉开关式的控制系统,车辆在运行过程中的启停和避让完全是在人工干预下完成,既不安全也不方便。控制系统投入运行一段时间后,手拉开关即处于瘫痪状态,随之整个井下车辆的管理和控制也完全处于无序状态,导致交通事故频繁发生,严重影响安全生产和劳动效率。

2 井下交通信号控制及指挥系统

2.1 设计思路

常规交通信号系统通常是一个开环定时系统,其定时的长短需事先人为测算研究设定。对于地面交通信号系统,车辆无须考虑避让问题,而在井下运行的车辆只有规定的几个避让点,大多数道路相当于一个狭窄的单行道,一旦在其中堵车将很难倒车,而且采用开环定时系统在运行车辆较少时会降低生产效率。因此井下交通信号系统最理想的方案是采用一个车辆与交通信号连锁的闭环系统,利用无线射频定位技术,对井下车辆运行状态进行自动跟踪、定位,然后通过网络将车辆的状态信息反馈至后台控制系统,后台控制系统通过数据处理、逻辑判断,自动控制红绿灯状态,从而指挥井下车辆正常运行。

2.2 设计原则

系统设计依据行业标准,结合井下斜坡道的特点,以架构合理、安全可靠、产品主流、低成本、低维护量作为出发点,为矿山提供先进、安全、可靠、高效的系统解决方案。

2.3 指挥原则

(1)以斜坡道为主干道,次干道内不作错车指挥,只在其主干道交汇口装一组信号灯,确立次干道所有来车避让主干道来车的原则。

(2)所有旁路车道都看作次干道口,按丁字路原则指挥。

(3)主干道安装的射频ID收发器之间最少留10m盲区。

(4)主干道由下往上行车优先。

2.4 使用管理原则

本系统遵循“统一发卡、统一装备、统一管理”的原则,对准许下矿井的车辆实行“一车一卡”。具体实施措施如下:

(1)采矿生产单位在井下坑道、作业面的交叉道口安装井下分站设备;

(2)采矿生产单位为下井车辆安装标识卡;

(3)系统数据库记录该标识卡所对应车辆的基本信息,包括驾驶员、车牌号码等;

(4)生产单位对该标识卡进行授权后即生效,授权范围包括该车辆可以准入的坑道或作业面;

(5)进入坑道的车辆必须装配标识卡,当持卡车辆经过设置识别系统的地点时被系统识别,系统将读取该卡号信息,通过系统传输网络,将持卡车辆通过的地点、时间等资料传输存储至地面监控中心。

2.5 系统构成

整个系统由无线射频定位系统、光纤+电缆通讯系统、红绿灯控制系统、后台监控系统构成。为了提高系统的可靠性,在系统设计中利用空分多路(SDMA)、时分多路(TDMA)和码分多路(CDMA)等技术各自的优点,通过空分多路法限制每个区间采集器所控制的区域,以保证在该区域内的感应器数量只有一个;通过时分多路法、码分多路法来防止多标签的碰撞,使读头在某一时刻只接收一个射频标签的信号,从而使其能被可靠识别,成功解决了系统中的碰撞问题。

3 系统在凡口铅锌矿的应用

凡口铅锌矿交通管理系统由服务器、光纤转换器、中段口和分段口处理器、区间采集器、无线射频模块、红绿灯模块等构成,共计120台设备,现场配置及网络总体结构见图1。

从图1可以看出,系统的通讯网络由光纤+电缆构成,具体布局为从调度室至坑口采用光纤通讯,坑口以下为电缆连接;电缆网络是基于RS485的现场通讯总线的网络。在系统设计中,RS485网络采用网络拓扑结构,分为485主网和485内网,主网上挂有16个中段口处理器,对应凡口铅锌矿主斜坡道的16个受控中段,可以被后台监控中心通过网络直接访问。中段口处理器通过485内网,管理每个中段的所有测点和红绿灯控制设备,每个中段各自成为一个独立的通讯子系统,互不影响,同时工作,从而极大地提高了通讯效率。由于采用RS485网络拓扑结构,后台监控中心只需查询16个中段口处理器即可实现对系统120台装置的管理和控制,大大加快了系统的通讯速度,提高了系统的实时响应能力。

图1 凡口铅锌矿井下大斜坡道智能交通管制系统

3.1 系统工作原理

在矿山井下斜坡道作业的每辆车上安装1个射频ID发射卡,车辆的信息存储在卡中,在井下需管制的各区段安装射频接收装置,射频接收装置之间通过网络与后台建立联接,当带有射频ID卡的车辆通过射频接收装置时,接收装置将读取射频ID卡中的信息,并通过网络将信息反馈到后台监控中心,后台监控中心通过访问接收装置,即可了解下井车辆的运行状态、位置状态等,经分析处理后,自动控制红绿灯的转换,从而自动指挥车辆的运行。

3.2 系统主要技术特点

(2)利用间歇触发式通讯技术,提高了系统的抗干扰和可靠性,同时也降低了井下高频电磁污染。系统所开发的车载卡(射频ID卡)静态工作电流仅为2μA,电池的理论用电时长可达2a。

(3)采用先进的多支路差分式通讯中继技术,区间断电、自身诊断自动旁路设计,使井下9km长斜坡道不致因某区段停电或中继装置自身故障而影响其它区间的交通指挥。

(4)采用先进的多拓扑状态监测技术,对系统自身故障有多种自检方法和手段,分别设计了装置通讯巡检、信号变位位置状态监测、井下每台装置除设计了CPU自检板内芯片功能,对信号输出还设计了变位状态位置反馈监测和输出回路电流状态反馈监测,每个中段所配的中段处理器设计了局域分支状态巡检,后台负责主干状态巡检。因此系统的主干、支干上任何装置出现故障时,后台会立刻报警并明确指示故障点及故障类型。

(5)后台监控系统软件采用了先进的模块化结构设计,矿井斜坡道交通逻辑控制软件与斜坡道后台Flash动画演示界面之间以数据库形式交换数据,构成强大的网络版监控系统(见图2),井下交通、车辆运行生产及安全状态不仅坑口调度室可一目了然,而且在矿区局域网的任何点上都可监视,如坑长办公室、安全部办公室、矿长办公室、急救中心等,为矿山各管理层及时了解井下情况提供了方便。

图2 井下斜坡道交通信号控制及指挥系统模拟界面

(6)后台监控、管理软件功能强大,所设计的控键内容有:井下交通监控图、下井车辆登录管理、计算机管理人员登记、终端处理器登记维护、用户类型登记、系统参数设置等诸多内容。

3.3 系统主要功能

(1)根据主干道优先原则和先入为主原则智能化指挥斜坡道车辆运行;

(2)车辆运行和定位图像显示(显示井下斜坡道图形全貌及车辆运行状态、红绿灯状态、测点装置故障状态等信息);

(3)斜坡道车辆超速检测记录并告警;

通过对设备资产实现综合管理，根据点检、在线监控或第三方配合等手段，实现“发现问题”到采用趋势分析及综合评价一体化管理，实现“分析问题”再到维修及缺陷处理的解决方案，最终实现全厂的设备安全运行、减员增效、提升效能等目标。

(4)斜坡道车辆违章记录并告警;

(5)实时查询车辆上、下井、通过监测点时间;

(6)实时查看井下车辆运行轨迹;

(7)自动检测控制装置并故障告警;

(8)手动控制指挥灯(井下发生紧急情况时,后台可直接点控各避让段的红绿灯)。

4 结 论

系统自2006年9月在凡口铅锌矿井下斜坡道运行以来,近4a时间内,系统解决了井下大型设备、电源不稳定而带来的干扰,克服了井下湿度大、粉尘大等难题,并且具有强大的巡检和设备自诊断功能,给系统维护带来了很大的方便。同时,系统运行稳定,数据准确,对斜坡道各种运行车辆进行实时监测、定位和指挥调度,实现了自动交通管制,促使车辆操作人员严格按照正常有序的行车规则进行工作,真正有效地解决了车辆避让问题,彻底消除了撞车、追尾等带来的人员伤亡及严重影响生产的安全隐患,大大提高了车辆的生产效率,为井下车辆高效安全作业发挥了积极作用。

该系统有效地解决了我国金属矿山井下斜坡道各种运输车辆动态追踪及自动指挥调度技术的“瓶颈”问题,实现了该领域革命性的技术跨越。该系统的成功运用,为我国井下无轨设备及人员的安全管理提供了一个成功的范例。

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2010-05-02)

舒 丹(1960-),女,湖南长沙人,高级工程师,主要从事矿山计算机自动控制系统研究。