煤矿无轨胶轮车调度系统的设计与应用研究

李宁波

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 木瓜煤矿，山西 吕梁 033100）

1 概 况

无轨胶轮车与有轨运输方式相比较具有很大优势，在煤矿领域的应用越来越广泛。但煤矿巷道存在路面不平整、视线不好、比较狭窄等不利因素，对无轨胶轮车的运行安全构成了严重威胁。如果车辆行驶调度不当，轻则导致车辆在井下发生碰撞，影响煤矿正常生产，重则引发严重的煤矿安全生产事故，造成人员伤亡。设计调度系统对井下所有无轨胶轮车进行安全调度，是保障车辆行驶安全的有效措施和手段。针对该问题，结合木瓜煤矿巷道实际情况，设计研究了无轨胶轮车的调度系统，实践中取得了良好效果。

2 无轨胶轮车调度系统整体方案设计

2.1 整体方案

设计的木瓜煤矿无轨胶轮车调度系统整体方案如图1所示。系统整体上由3大部分构成，分别为井上调度中心、井下检测基站和通信系统。井下检测基站主要由摄像头、信号灯、接受节点和发射节点等构成，作用是对井下所有运行的无轨胶轮车状态信号进行收集，也收集信号灯状态信息和关键路口的视频监控信息。井上调度中心主要由服务器、监控大屏、控制器等构成，作用是将井下采集到的数据信息进行分析和挖掘，判断无轨胶轮车的具体位置，结合煤矿巷道实际情况对车辆进行科学、安全调度，避免车辆在巷道中发生碰撞。通信系统的作用是实现检测基站与调度中心之间的数据通信连接。

图1 无轨胶轮车调度系统整体方案Fig.1 The overall scheme of trackless rubber-tyred vehicle scheduling system

2.2 定位原理

考虑到无轨胶轮车工作时处于实时运动状态，发射节点与接受节点之间通讯通过无线方式。发射节点安装在无轨胶轮车身上，每辆车配置一个发射节点，且具有唯一的编号。接受节点以一定的间距安装在煤矿巷道中。调度系统工作时，发射节点以一定的频率将带编号和位置的信息向外发射，附近的接受节点会获取这些信息，并传输到调度中心的控制器中进行分析，判断车辆的具体位置。

3 无轨胶轮车的调度过程分析

井下的定位系统加上接受指令控制的信号灯共同构成了调度系统。无轨胶轮车调度过程如图2所示。在巷道中每间隔一段距离设置避车硐室，硐室两侧均布置有信号灯，2个硐室之间的区域称为行车区间。当车辆行驶至一个避车硐室时，调度系统判断前方行车区间内是否有车辆行驶，如果没有则本车辆可以直接进入前方行车区间；如果检测发现前方行车区间内有车辆行驶且方向与本车辆相反，则本车辆进入避车硐室进行避让；如果前方行车区间内有车辆行驶且行驶方向相同，为了与前方车辆保持安全距离，此时信号灯亮红灯，本车辆停车等待前方驶出行车区间后，信号灯亮绿灯，本车辆方可驶入前方行车区间。

图2 无轨胶轮车调度过程Fig.2 Scheduling process of trackless rubber-tyred vehicle

另外，在巷道中的一些关键部位，比如坡度较大、急拐弯的地方，设置防爆高清摄像头，调度中心的工作人员可以实时观察关键部位的现场情况。如有特殊情况，调度人员可以通过语音对驾驶人员进行喊话或者对这些位置的信号灯进行手动控制，保障无轨胶轮车的行车安全。

4 调度系统主要硬件选型

4.1 处理器的选型

处理器是调度系统的核心，所有的数据都需要通过通信网络传输到处理器中进行分析和处理。CPU对数据进行处理后给出对应的决策，并下达控制指令对信号灯进行控制。结合木瓜煤矿实际情况，选用西门子S7-200控制器，该型号控制器在工业领域有非常广泛的应用，具有良好的性能和稳定性，编程方便、通用性强，且有非常丰富的I/O接口，可以与多种型号的其他硬件设施进行连接，确保了调度系统的可拓展性。该型号的CPU模块中已经集成有以太网和RS485接口，可以实现多种形式的数据通信。

4.2 定位模块的选型

定位模块包括发射节点和接收节点。系统基于Zigbee技术实现无线数据传输，使用的芯片型号为CC2530，该芯片中同时包含有信号的收发功能，发射节点和接收节点都可以使用该型号芯片，提升了整个系统硬件设备的兼容性，规避了由于硬件之间不兼容导致的系统运行不稳定的问题。CPU信号为8051，性能满足实际需要。CC2530型号芯片具有良好的抗干扰能力，适合使用在煤矿巷道比较复杂的工作环境中，灵敏度高，可以获得比较准确的结果，同时支持RSSI定位算法，简化了整个调度系统的结构。无轨胶轮车定位模块通信如图3所示。

图3 无轨胶轮车定位模块通信Fig.3 Communication of trackless rubber-tyred vehicle positioning module

4.3 交换机的选型

交换机是通信系统中的重要构成部分，是井上与井下之间的联络站，井下不同位置的检测基站都需要通过工业以太网的形式与核心交换机进行连接，实现与地面调度中心的连接。本系统选用的是KJJ18本质安全型交换机，设备正常使用环境温度0～40℃，湿度需要控制在95%范围内，大气压力需要控制在80～100 kPa。KJJ18型号设备可以同时进行RS485通信和工业以太网通信，通信速度可以达到百兆级以上，满足视频信息实时传输的需求。

5 调度系统的实践应用分析

将上述的煤矿无轨胶轮车调度系统应用到木瓜煤矿工程实践中，对其各项功能进行测试，测试时间3个月，验证设计方案的可行性。

连续测试表明，设计的调度系统各项功能均能良好实现，达到了预期设计效果。在煤矿中对调度系统完成部署工作后，开展了车辆定位精度试验工作，共开展了10次试验，结果如图4所示。车辆的定位精度控制在0.2～1.0 m，完全能够满足煤矿实际使用需要。调度系统可以对矿井中的车辆进行准确调度，调度效率有了显著提升。应用该系统后，没有出现严重的无轨胶轮车碰撞事故，为煤矿安全奠定了良好的基础。

图4 无轨胶轮车定位精度试验测量结果Fig.4 Measurement results of trackless rubber-tyred vehicle positioning accuracy test

6 结 语

以木瓜煤矿无轨胶轮车为研究对象，对该矿无轨胶轮车调度系统进行设计和研究。设计的调度系统可以划分成为3大部分，分别为位于井上部位的调度中心、位于井下部位的检测基站、实现井上和井下数据信息交互的通信系统。系统的主要原理是通过对井下车辆的位置及行驶方向进行判断，配合使用巷道中设置的信号灯，实现车辆的调度。设计的无轨胶轮车调度系统在木瓜煤矿中应用效果良好，各项功能得以实现，创造了良好的安全效益。