矿山轨道运输监控系统应用的可行性

江小峰，李 冰

(广西锡山矿业有限公司，广西 南宁 530022)

0 前 言

矿井运输是生产的重要组成部分，安全高效的运输，对提高生产效率和改善矿井的技术、经济指标有相当大的影响。矿物、人员和设备的运输都依靠轨道运输，随着矿井的产量不断增加，电机车台数也相应增加，这样就对轨道运输的安全提出了更高的要求。广西锡山矿业有限公司(以下简称为锡山公司)拥有32台架线式电机车，分为多点多面运输，部分运输线路只有一条主巷，且是多工区共用线路，这就极易造成机车碰撞事故。随着全球数字化矿业的发展，是否引进先进的技术手段预防安全事故的发生起着关键性的作用。

1 矿山工况

以锡山公司220 m水平0～12号线区域为例，整个运输线路从0～12号线全长2 400 m,中间穿插有25条穿脉、11条联络巷以及1个环形道，岔道口繁多。该运输线路由2个不同的工区共同使用，高峰期有多达7辆轨道运输机车、88辆装矿矿车作业，需要将矿石运至0号线胶带斜井矿仓倾卸。0～12号线运输线路简况见图1。

图1 0～12号线运输线路简况

井下轨道运输条件比地面铁路运输更加恶劣，主要反映在以下几种情况上。

1)机车行驶的巷道狭窄，内径一般为2.5 m×2.5 m或2.7 m×3.0 m，顶板有淋水，轨道常有积水。

2)由于地下开采井巷条件的设计，运输线路主要分为主运输巷、采准运输巷和穿脉联络运输巷，轨道运输线路错综复杂，机车发生事故的概率大，若发生事故，将造成矿井局部停产等较大影响。

3)电机车在井下行驶，仅依靠机车本身的照明和大巷照明，能见度较差；井下轨道转弯半径小，在行驶至弯道处司机视野狭窄；井下岔道多，岔道口扳道器由人工控制，费时耗力。

4)随着电机车数量增多，列车分布密度大，前后两列车间隔小。

据统计造成矿山生产事故和人员伤亡的主要原因有3个：顶板、有毒有害气体、运输。由此可见运输在安全生产中所占地位之重。而造成轨道运输事故原因是多方面的，运输线路布置不合理、管理不善、设备维修不及时和带病工作，除此之外还有一个最重要的原因就是没有一套可行可靠的机车运输监控调度系统。

2 运输监控调度系统应用研究

采用机车运输监控调度系统，电机车调度更加及时和合理，因此可以加速车辆的周转，提高运输能力，这在实际运行中已得到证实。有的矿井没有安装系统前日产3 000 t，运输比较紧张，经常发生事故，造成人员伤亡和设备损坏。安装系统后，通过能力大大增强，日产量达到6 000 t，调度员一人就能比较轻松地调度车辆，除了安全得到保障外，运输能力也有很大的提高。

2.1 技术路线

系统设计采用先进的通信、监测、信息处理、计算机等技术构建以无线传感器网络为技术基础的井下机车运输监控系统[1-2],机车运输监控调度系统具备两种功能：①保障机车运输安全运行；②提高生产效率增加经济效益。系统通过对电机车运行状态的实时监测(包括电机车位置、车号、列车矿车数量)对运输系统实现自动化控制[3]。

2.2 系统特点

矿山轨道运输监控系统采用最新物联网硬件技术和软件技术，对运输监控功能进行深入研究后大胆进行多项技术创新。本系统除了基本信集闭功能外，具备如下创新功能。

1)精确机车定位，采用独创的惯性定位技术，定位精度可达3 m内，准确多轨识别。实时精确动画显示机车位置、车号、运行机车状、车型、方向等。

2)智能调度机制，具有一个智能调度功能模块，采用科学数学模型进行底层调度运算，可在全自动调度状态下人工参与对机车经行行程设定，具有全自动调度与手动调度同时进行的科学调度方式，使国内矿山轨道运输监控系统进入了实用阶段。

3)多种车联网报警，现车设备不通过上位机可以实现防追尾、防超速、防丢车、打点报警、弯道报警、人车报站、双驾驶室机车车载机联网数据同步等功能。

4)模块化扩展功能具体表现为4个方面：①如果在关键轨道路口安装车辆管理读卡器，在每辆车上安装车皮信标，系统软件可按位置、车号或车皮号、时间进行车皮定位查询，同时还能生成运输生产报表并实时监控机车所带载车皮信息；②如果井下关键路口或停车场接入本公司LED信息发布屏，可实现系统信息发布到现场的功能；③如果在井下关键路口或停车场安装网络摄像仪，可以实现系统主画面为地理信息与视频监控无缝融合，让调度员能快速找到需要查看的视频信息；④后续只要在每辆机车上增加无人驾驶子系统硬件模块，不需要再增加其他通信设备就可以实现无人驾驶运输调度系统。

2.3 系统结构

系统上位机软件采用B/S构架，可以实现多WEB客户端应用。硬件采用CAN总线和以太网作为传输层进行通信，现场CAN总线连接的所有无线基站(无线网关)到CAN-以太网网关，然后接入上位机所在的工业以太网[1]。其他所有现场设备都是通过无线自组织网络和无线基站通信。车载机作为移动设备可以快速在无线基站间数据漫游。现场道岔控制器和信号灯等非移动设备都可以作为无线路由中继对无线数据进行路由，大量减少了设备使用量，减少了用户投资。网络结构见图2。

3 方案应用

本方案针对锡山公司220 m水平段设计运输大巷全长5 500 m，共有架线机车14辆。为了保障运输安全、提高调度指挥效率、增加经济效益，在井下安装机车运输监控系统，对进一步加强矿井的安全生产、提高运输效率及企业信息化建设有着重要意义。

矿山轨道运输监控系统适用于地下开采等恶劣环境的分布式工业控制系统，系统以在地面调度室设置一台工控机作为服务器，在井下配一台隔爆兼本安电脑由调度员进行调度操作[4]。现场主要地段设置本安型摄像仪作为远程监视、联系手段在主控室对井下机车运输实现实时监控和自动调度[5]。能实时显示井下各机车的位置、轨道区域占用情况、信号灯运行状态、岔道盘位置、机车编号、机车行驶方向等情况，自动实现巷道运输线路的闭锁，不允许双向信号同时开放，保障机车安全运行。系统能及时反馈设备和各传感器的工作状态，自动诊断和报警，并记录机车运行过程的数据，具有报警、自动记录等功能。监控系统能实现岔道信号上传并实现道岔的集中监视和控制。

3.1 主要功能

1)精确定位显示功能。①精确定位：定位相对精度小于3 m；②精确识别轨道：可以精确识别机车所走轨道，完全杜绝因轨道识别不准确而产生信号灯和道岔控制不正确的问题；③高速实时响应：设备状态变化到上位机响应可在1 s内完成。

2)可视化监视功能。在计算机上以动画、图形、表格、汉字等形式实时显示机车位置、车号、运行方向、运行速度以及井下各道岔位置和信号灯等运行状态信息。

3)信号闭锁功能。系统根据机车位置，自动、半自动或手动控制信号灯进行敌对进来信号闭锁，有效指挥机车运行，提高运输效率。

4)智能调度功能。系统软件包含具有科学算法的智能调度模块。分为全自动、半自动和手动模式。①全自动调度模式：在全自动调度模式下，调度模块根据运输计划预先设定的运输线路选择需要的线路给机车，软件具有行程进路自动冲突检测功能，实现自动调度控制功能；②手动调度模式：进入手动调度状态后，调度员可以远程控制道岔、信号灯来开放或闭锁运输路线，实现远程手动调度功能。

5)系统报警功能。可实现远程超速报警、闯红灯报警、道岔不到位报警及设备故障报警等功能，上位机以图形提示报警并可进行报警报表查询。

6)车联网报警功能。现场设备不通过上位机可以实现防追尾(需要配备无线尾灯)、防丢车(需要配备无线尾灯)、防超速、打点报警(需要配备无线发射器)、人车报站功能(车载系统增加声光报警器)、弯道报警功能(需配备无线声光报警器)、双驾驶室机车双车载机联网等功能。

7)信息管理功能。可以对机车和车皮运行进行自动统计管理，有行车记录及图表，并能生成各种生产管理报表。

8)远程控制功能。系统软件可以下发命令到信号灯、道岔、车载机，对道岔具有远程集中控制、司机遥控、手动及闭锁控制方式。①集中控制：是由调度员在地面集控中心的主控微机的图形上通过点击道岔指挥机车运行；②司机遥控：为机车司机使用司机室的车载机远距离遥控道岔动作；③手动控制：方式为现场人员可以就地操作道岔动作；④闭锁控制：为上位机可以发送闭锁命令给道岔设备，让现场不能手动控制或遥控。

9)重演功能。能全天候24 h实时记录系统运行情况，并能根据记录的运行数据在显示设备上重演规定时间内的实际运行过程，为分析事故原因、改进调度策略提供根据，记录存储时间为1 a。

10)故障诊断与维护功能。系统能随时反应系统设备和传感器的工作状态，能自动进行本系统的故障诊断并完成报警。

11)双机备份功能。上位机可采用主备双系统结构，确保系统运行的安全可靠性，当任一台发生故障时，另一台备用机可以起到主机的监控作用。其中一台可兼作为工程师站，允许远程编辑、调整设备的运行状态和运行参数。

12)集成联网功能。系统具有OPC软件功能，能平滑地接入自动化集中控制信息平台，可直接采用IE浏览器浏览本系统的监控画面。

13)车辆定位管理扩展功能。如果在关键轨道路口安装车辆管理读卡器，在每个车辆上安装车皮信标，系统软件可按位置、车号或车皮号、时间进行车皮定位查询；生成运输生产报表；实时监控机车所带载车皮信息。

14)LED屏信息发布扩展功能。井下关键路口或停车场接入LED信息发布屏到系统总线，上位机软件可发布信息到LED屏。在系统软件的信息发布界面输入任何文字，就可以让井下任何一个LED屏显示想要的信息，显示的同时还可同步发语音。

15)视频监控扩展功能。井下关键路口或停车场安装本公司网络摄像仪，可实现以系统主画面为地理信息的视频监控功能。只要在主画面中点击需要查看的摄像仪图标，就可以打开那个摄像仪的视频画面。

16)无人驾驶调度扩展功能。系统具有精确的机车定位及轨道识别能力，具有自动冗余的总线带宽适应性和快速响应能力，加上基于科学算法的智能调度模块，为后续无人驾驶调度功能扩展打下坚实的基础。只要在每台机车上增加无人驾驶子系统硬件模块，不需要再增加其他通信设备就可以实现无人驾驶运输调度功能，因此本系统具有后续的无人驾驶系统无缝扩展能力，并能有效减少二次投资。

3.2 其他功能

各硬件设备、系统线路自检功能的查询，历史数据的显示、查询、报表、打印等等。

4 结 语

目前锡山公司没有机车运输监控调度系统，机车行驶主要依靠人工控制，车辆行驶情况没有统一调度，自制的信号装置功能不全，各运输区间之间几乎没有闭锁，这种单靠人工控制的机车运行方式存在很大的安全隐患，不能保证机车的安全运行。

如果引进该系统并建立完成后，将能够实现井下机车精确定位显示功能、可视化监视功能、信号闭锁功能、智能调度功能、系统报警功能、车皮计数管理、道岔自动运行、弯道报警、LED屏信息发布、机车防追尾等功能。从而保证调度员可以迅速、准确、及时地指挥站内接发车和调车，保障行车安全，提高机车作业效率，提高运输线路通过能力。为了保障运输安全、提高生产效率、增加经济效益，在主要运输大巷安装矿用机车运输监控系统，对进一步加强矿山安全和建设数字化企业具有重要意义，为企业的发展保驾护航。