煤矿运输安全智能监控信息系统的设计

韩雅洁

（霍州煤电集团李雅庄煤矿通风科，山西 霍州 031400）

1 项目概况

李雅庄煤矿井下辅助运输大多采用人工控制方式，各环节难以实现集中远程控制与信息融合交换，其复杂的运输协作关系，导致较多运输机车追尾、撞头、侧撞等事故的发生。针对该煤矿现有矿井监测系统无法同时传输图像信号、车辆调度控制靠人工、车辆周转慢、无法监控机车运行环境实现安全预警的问题，设计了一套矿井轨道运输安全智能监测系统。该系统可对井下车辆实现自动调度功能、机车定位及识别功能、巷道监控视频智能分析功能、架空人车优化节能与监控功能、交通信号灯显示控制子系统等功能，实现了在地面对井下和地面轨道运输、井下架空乘人装置的智能监控与综合调度。

2 矿井运输安全智能监控信息系统的设计

在李雅庄煤矿建立了集视频监视、视频联动、数据保存与分析、信息共享等功能为一体的运输监控调度中心，主要设备包括18块窄边液晶显示大屏幕、控制计算机、调度台、供电装置等。在集控室，通过基于智能监控的软硬件平台，对全矿运输系统（包括轨道和架空乘人装置）的设备进行实时监控，为全矿井的现代化建设管理提供基础。运输监控调度中心在很大程度上降低了调度人员和现场工作人员的劳动强度，提高了工作效率。地面调度人员，能实时浏览到运输系统中关键部位的视频信息，能对井下架空人车进行远程监控，对井下机车的调度和监测方便快捷，使运输系统的安全性大大提高。

3 矿井运输安全智能监控信息系统关键技术分析

3.1 矿井轨道机车视频智能分析系统

开发了基于机器视觉的矿井轨道机车视频智能分析系统，其通过高清网络摄像机对机车前行运行环境进行视频实时采集与障碍物检测，对机车运行起到智能预警作用。矿井轨道机车智能安全运行监控系统由高清网络摄像机、无线路由器、视频分析服务器、机车视频接收设备、报警装置等组成。由于轨道交通环境复杂，来往人员比较多，有时杂物出现乱堆乱放的现象，为了保障地面工作人员的安全和轨道机车的正常运行，本项目在机车、轨道沿线道岔、人员来往频繁处等关键位置安装高清网络摄像机，从而实现智能监控。

3.2 机车定位与识别系统

研制了由通讯分站、基于ZigBee无线传输模块的机车定位仪以及智能机车定位与识别服务器组成的机车定位与识别系统。

该煤矿现有的矿井机车定位系统，在井下潮湿、煤尘、噪声、强电磁干扰的恶劣环境下，定位效果不佳，存在安全隐患。基于该问题设计了基于ZigBee无线传感器网络技术的新型矿井机车定位系统，包括：（1）定位分站（通信分站），采用 Exit I，KJ399-Q机车定位仪，给调度与管理系统提供定位基础数据；（2）网络平台机车定位信号传输平台；（3）机车定位仪，带有机车的基本信息；（4）控制主机（服务器），定位信号接收、存储、处理，实现机车定位，判定机车行驶方向等。

该系统在井下巷道、作业面的轨道上设置定位基站，定位仪安装在运输机车上，定位仪实行一车一仪制，每个定位仪对应唯一编号。系统数据库记录该定位仪所对应的运输机车信息，在地面调度室可以通过该系统对机车实施精确定位。系统可对异常信息实现自动报警，并执行相应的安全管理程序。在该机车定位系统的设计中将RSSI、TDOA、AOA与案例推理技术相结合，通过案例推理技术对三种方法的定位结果进行智能处理。

3.3 矿井运输机车运维管理系统

设计了基于B/S架构的矿井运输机车运维管理系统，主要包括矿井运输设备健康状态估计子系统、机车调度子系统以及交通灯智能管控子系统。

3.3.1 矿井运输设备健康状态估计

该项目利用基于非参数的核密度估计和加权最小二乘估计的在线鲁棒极限学习机，实现时间序列对矿井机车轴承振动信号24个特征指标的映射，然后通过专家系统查找与运输机车轴承振动信号特征指标相对应的运输机车健康状态。

3.3.2 机车调度

矿井运输机车调度问题主要是在一定目标和满足所有的需求的情况下找到一组最优的车辆分配方案。在煤矿生产过程中，受市场影响其优化目标有时发生变化，一般情况下以费用极小为优化目标，但当订单较任务紧迫时，一般采用时间最少的优化目标。为实现不同优化任务，项目研究了具有一定普遍适用性的基于Lagrange近似次梯度优化算法。其思路是将矿井运输机车调度问题提炼为一般的科学问题进行研究，从而在优化目标和运输时间限制、运输数量要求、运输能力限制各类约束条件变化时，仍然能够很好地合理安排运输机车。局部调车功能：机车在全线自动化道岔控制的基础上增加局部调车功能，司机可先通过机车载无线基站给调度中心发出请求，在安全的情况下，调度中心可对局部道岔权限开放，实现局部轨道道岔有司机用车载无线基站对道岔进行司控，调车轨道线路两端头进路口实现信号闭锁，井底调车场调车完毕后机车司机通过车载无线WiFi基站给地面调度中心发出调车完毕的请求信息，调度中心可把原先轨道线路进口闭锁信息解除。

3.3.3 交通灯智能管控系统

所研制的交通灯智能管控采用如下设计逻辑：（1）信号灯控制逻辑的设置要能确保敌对进路之间的闭锁。在同一时间，两个敌对进路不能同时开放信号（敌对进路为两条不能同时开放的道路，即一条路上有车前进，则另一条路必须闭锁）。（2）在岔口处实现信号灯互锁功能，不能同时开放岔口处信号灯状态，防止撞车。（3）通过手动设置来设置信号灯闭锁，可以实现紧急情况下，手动指定区间的封锁区间占用。（4）应在同一复用区段锁死区段两端信号，防止出现双向单行道路会车现象。（5）信号灯逻辑可通过软件根据现场的具体情况进行二次修正，方便升级改进。本系统可根据各类矿山（煤矿山、非煤矿山）、各种车辆（有轨胶轮车、无轨胶轮车）以及井下道路特点（有无避车道）和车辆管理模式（上行或下行、同向或双向复用等），建立合适的交通信号控制模型和控制逻辑，满足不同矿山和管理者的需求。

3.4 架空乘人装置的优化节能和智能监控信息系统

研制了根据乘坐人员数量和上车时间的井下架空乘人装置的优化节能和智能监控信息系统，实现了井下架空乘人装置的智能启停控制研制的架空乘人装置电控系统，由防爆PLC控制柜、本安操作箱、远程I/O分站、语音报警器、各种保护等组成。其中PLC控制柜和本安操作箱安装在猴车机头，PLC控制箱是集控系统的大脑，用于处理本安操作箱按钮信号和读取各远程I/O分站采集的数据。本安操作箱上配备高分辨率触摸屏，用于模拟显示猴车运行情况和显示系统信息（包括运行时间、在线人数、运行速度、保护信息等）。远程I/O分站分别固定在猴车沿线，用于采集各甩道开、停车信号和各种保护装置信号。PLC控制箱与远程分站间采用Profibus总线通信。井下防爆PLC控制箱通过光缆与矿1000M环网相连。

系统实现的主要功能包括：（1）控制功能。系统拥有自动连续运行、远程集控、就地近控、检修方式、就地纯手控制五种控制模式。（2）显示功能。能够通过地面计算机显示架空乘人装置的运行状态（动态画面）、系统运行主要参数（包括电机电流、运行速度、运行时间等）以及保护传感器动作的位置和故障信息。（3）语音及报警。沿途设置语言报警装置，开车前有预警，下人点设置警示信号，通话装置能够与地面集控室通话。（4）保护功能。在机头、机尾或中途大变坡点设置脱绳保护；在上人地点设置人员上车确认开关；下人地点设乘员越位报警，其后设置紧急越位开关，越位开关动作后系统能自动停车；设置减速机变速箱或液压站温度监测功能；设置钢丝绳过速和欠速保护；设置液压系统油温保护、油位保护和油压保护等；设置尾轮重锤张紧装置限位（包括上、下限位）保护；设置拉线急停保护装置。（5）系统闭锁。按下初始启动按钮后系统发出启动预报警信号，报警完毕才能启动制动油泵，解除安全制动后启动电机，乘人装置投入运行；所有初始启动按钮间具备闭锁功能；任何一处的安全保护装置动作后，必须靠复位才能使系统重新进入启动程序。

4 结论

矿井运输实现安全智能监控，不仅能对井下架空人车进行远程监控，根据坐乘人员数量和上车时间，进行优化节能控制，而且能够实现井下运输的视频监视、智能监控及优化调度，达到井下巷道无人值守，少人巡检，减轻工人劳动强度，改善工人工作环境，对于提高整个煤矿辅助运输的自动化水平和科学管理水平具有重要意义。