煤矿辅助运输智能调度平台的设计与实现

张立祥，左瑞龄,2，靳华伟,2，闫宣宣,2，王 鼎,2

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽省淮南市山南新区泰丰大街168号 232001；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南市山南新区泰丰大街168号 232001)

为了加快煤矿智能化发展，国家重点研发计划将复杂地质条件下煤矿辅助运输机器人列入了智慧矿山的建设中，并且2019年、2020年随着国家煤矿安全监察局、发改委、科技部等发布相关文件，愈发彰显了国家对煤矿辅助运输智能调度机器人发展的重视。张鹏[1]对智慧矿山大数据体系进行了描述，提出一种智能矿山大数据体系架构。吴群英等[2]从宏观上介绍了智慧矿山的含义，指出了智慧矿山建设所需要的先进技术，并提出智慧矿山的建设需要不断完善。范京道等[3]将5G技术融入到煤炭发展中，向读者阐述了智能煤矿的总体架构，并对该架构可以运用的核心场景进行了说明。刘宏杰、赵思敏和曾钰[4-6]则分别对井下的辅助运输设备：无轨胶轮车、单轨吊和有轨电机车进行了研究并分别开发了三种设备的专用调度管理软件。谭章禄等[7]则从解决信息孤岛问题入手，对煤矿调度指挥集成平台的各个功能模块进行设计，有效提高了调度管理效率。杜建平[8]则从制定数据编码规则和数据传输方向，设计了一种基于组态软件的煤矿安全生产平台。赵长红、杨金锋、高峰[9-11]分别对煤矿辅助运输中的无轨系统和运输车辆的专业化服务进行了分析，提出了适合煤矿辅助运输发展的应用。以上学者对煤矿辅助运输调度的理论框架、车辆调度、单一设备的调度平台设计等方向都进行了研究，但是多数学者主要阐述的是辅助运输的设计框架，或者设计了某个单个设备的调度软件，而并未深入研究各个设备的协同工作，没有考虑到各个模块的相互沟通，因此实现智能化、少人化辅助运输调度，急需构建涵盖整个煤矿井下辅助运输设备的智能调度系统。

1 智能调度平台基本含义

煤矿井下辅助运输智能调度平台主要任务就是通过煤矿井下各类辅助运输机器人，将物料运送至需求点。在上述过程满足矿井下巷道调度任务和煤矿安全的多种复杂约束条件的前提下，辅助运输智能调度平台需要对井下辅助运输机器人进行智能化调度，使辅助运输机器人在执行调度任务时，能够智能选取调度策略，安全高效的将物料运送至井下需求点。

首先要明确建立煤矿辅助运输智能调度平台需要以下部分，如图1所示：

(1)地面中央调度室:用于查看井下辅助运输各设备的状态，调度人员可通过中央调度室下发调度指令，控制所有辅助运输设备，对整个辅助运输流程进行规划。由主控计算机、服务器、无线传输装置以及显示器、电源等组成。

图1 智能调度系统拓扑图Fig.1 Topology of intelligent scheduling system

(2)分布于井下各个变电所的数据传输接口：通过接口协议来选择性传输主控设备存储在井下分站的数据，实现井上于井下的数据互联。

(3)布置于井下的辅助运输巷道的关键点控制分站：负责及时管控分站固定设备，及时上报流动设备状态，保证所属区域内设备的正常运行，与中央调度室实时沟通，并能够向中央调度室及时反馈信息，从而确保调度的及时性准确性，能够让总控人员及时管控整个调度过程。

(4)基于5G传输的检测硬件和智能设备：检测设备通过5G无线传输信号，井下设备通过各个分站进行数据传输，智能电机车、绞车、单轨吊等设备进行工作。

(5)井下无线信号传输所需要的基站设备：分布于井下各平直巷道的数个5G分站，分站与信号机、读卡器、转辙机相交互。例电机车上的电子标签通过5G信号传输其位置信息至读卡器。

2 调度平台总体架构

煤矿井下辅助运输智能调度平台旨在减少煤矿行业工作人员的负担，用于煤矿井下的日常调度，包括井下工作，一览提供数字化智能管理，在提高煤矿井下物料调度效率、减轻工作人员工作量的同时保障了矿业工作者的安全。调度平台需要搭建识别控制层，用来接收和识别煤矿生产的各种资料、排班信息和数据，实现平台对辅助运输过程的数据收集和处理。在此基础上，结合网络设施层、数据传输层来将所有信息和数据进行汇总，筛选有用信息，进行传输，解决矿井数据不互联的问题。调度平台通过应用系统层来分析调度数据信息，通过交互层、用户层来实现调度平台的智能调度。煤矿井下辅助运输智能调度平台的总体架构如图2所示。

图2 调度平台总体架构Fig.2 Overall structure of scheduling platform

(1)识别控制层：通过ZigBee定位、红外设备等短距离传输数据的设备，使用井下流行的射频识别技术(RFID)、超宽带技术(UWB)感知并识别存储好的数据，并将数据通过井下基站传输至调度平台中，操作人员能够通过相关按钮，从调度中心发送指令至井下，从而实现井上对井下物料的识别控制。

(2)网络设施层：网络设施层通过电信网、互联网和电视网，构融合网络平台，实现井下与井上的实时互联。通过多个通信体系，利用电缆、无线、光纤或者一些井下特殊的电磁系统来发射和接收特殊定义的标识、文字、图片、声音等相关信号。

(3)数据传输层：信息资源管理中心负责接收各类数据，并对数据进行处理，基础数据库来存储从网络设施层接收到的相关运行数据，业务数据库存储从应用系统层发送的相关任务单数据，而决策数据库通过对比基础数据库和业务数据，对决定后的任务派发情况进行存储。

(4)应用系统层：是整个调度平台的中心模块，通过调取各种数据中的数据信息，对物料及人员进行分配，生成调度任务，通过对各级任务单的选择性派发，并根据井上、井下各关键点的实时观察，实现煤矿辅助运输的智能调度。

(5)交互层、用户层：相关平台操作人员、相关部门负责人通过账号登陆对平台的相关部分进行操作，通过软件平台进行信息交互。

3 调度平台子系统设计

3.1 开发模式

目前的PC端应用有两种开发模式C/S和B/S。B/S架构即Browser/Server(浏览器/服务器)结构，在需要的情况下，安装维护一个服务器，使用人员只需在PC端使用浏览器来运行软件即可。相比于C/S架构需要安装专门的客户端程序，B/S架构则更简单便捷，只需有网络和浏览器即可实时查询、浏览页面，只需更改页面信息就能同时添加服务器功能，并且维护便捷，可以做到远程维护，故就维护难度、操作便捷程度以及是否能够跨平台使用方面，毫无疑问是B/S架构更胜一筹，因此本平台使用B/S架构。

3.2 平台服务器系统设计

平台服务器接收基站上传的单轨吊、电机车、显示大屏、风门控制器、道岔主控器、UWB定位、基站状态等数据，并通过数据平滑算法和数据自动填补算法对数据进行分析处理，得到分布于各地的基站信息、多种辅助运输设备的运行数据、风门道岔的控制器信息，并将多种数据存储于数据库中，平台使用者根据相关权限对数据进行查看并发出调度指令。该系统的模块关系图如图3所示。

图3 服务器模块关系图Fig.3 The relationship diagram of server modules

(1)UWB通讯模块设计

UWB通讯模块可以根据距离、时间、速度三者间的关系来判定分布于各个不同位置的基站状态、判定各个移动的辅助运输设备的位置信息，并且能够接收风门道岔控制器的状态数据，通过UWB与服务器之间的接口协议，将数据传输至缓存模块，方便数据库通讯模块提取。

接口采用WebSocket方式进行传输，通过不同的接口名称对接口进行分类描述，且不同的接口请求参数也不一致，有些信息数据变化不大的接口请求参数时只需先初始化推送一次，然后在有变化时再请求推送。工作流程图如图4。

图4 UWB通讯模块工作流程图Fig.4 Workflow of UWB communication module

(2)红绿灯规则设计

按照电机车、单轨吊等运行中的设备所处实际位置，依据UWB定位为技术，测出运行设备与道岔、风门以及车场的位置，根据前后位置信息判断关键位置的红绿灯转换，从而控制所有红绿灯的转换。使用Mark标记当前位置，在一定范围内，Mark标记有效，当Mark组改变时，则红绿灯的逻辑相应改变，从而改变红绿灯颜色。工作流程图如图5。

图5 红绿灯规则模块工作流程Fig.5 Red and green light rules module workflow

(3)缓存模块设计

缓存模块主要是存储一些使用较多的数据，如电机车、单轨吊等设备的位置信息，以及人员的实时定位信息，并且能够及时更新设备在运动过程中产生的数据，并将更新前的数据存入数据库中，减少CPU反应时间，提高CPU读取缓存命中率，减少对系统数据的访问，减轻系统工作负担。

图6 缓存模块工作流程图Fig.6 Working diagram of cache module

(4)服务器通讯模块设计

服务器通信模块将基站的信息、道岔状态、红绿灯状态以及警报数据等传输至客户端，客户端能够实时观测基站、辅助运输设备的状态，并且能够给服务器派发调度指令，通过对服务器增删改数据信息来完成对辅助运输设备、人员、风门、道岔的调度。

使用TCP/IP网络协议来实现服务器与客户端的通信，传统的TCP/IP只有四层结构，所以，本系统取TCP/IP和OSI两者之长，采取具有应用层、运输层、网路层、数据链路层和物理层的五层协议体系。具体协议组成如图7所示。

图7 TCP/IP协议的组成Fig.7 Composition of TCP / IP protocol

(5)数据库通讯模块设计

数据库主要是对调度流程上所有运输设备、调度物资等信息的改变而产生的数据进行记录，不同部门的员工拥有不同的权限去调取相应的数据库信息。

使用MySql关系型数据库，支持多种操作系统，且能够有效与本软件结合，支持TCP/IP协议链接，并且该软件优化了SQL的查询算法，大大提高了查询速度。根据某矿上调研信息可知，数据库信息包括用户、车辆、物料、定位信息、道岔信息、地图编辑等各种实体，各种实体分别对应各种联系。具体数据库E-R图如图8。

(2)引导家长使用电话教育孩子。学校给家长画了一条底线：每学期至少探望孩子一次，每周至少与孩子通一次电话。学校要求学生在家校联系簿每周有一次与父母的电话记录。

图8 数据库E-R图Fig.8 Database E-R diagram

(6)多设备接口模块设计

由于井下辅助运输设备种类型号繁多，且不同厂家接口信息不同需要设计特定接口协议进行数据互联。根据不同设备需要设计一套接口协议清单，具体格式如下：

{

“cmd”:100,

“data”:[]

}

4 调度平台实现

本系统根据前期调研、需求分析和架构设计描述井下辅助运输智能调度平台的具体实现过程：

开发环境：数据库MySql，开源环境Visual Studio，操作系统Windows10。

平台系统框架技术实现主要分为以下几部分：

(1)系统环境：Java EE 8、Servlet 3.0、Apache Maven 3。

(2)主框架：Spring Boot 2.3.x、Spring Cloud Hoxton.SR9、Spring Framework 5.2.x、Spring Security 5.2.x。

(3)持久层：Apache MyBatis 3.5.x、Hibernate Validation 6.0.x、Alibaba Druid 1.2.x。

(4)视图层：Vue 2.6.x、Axios 0.21.0、Element 2.14.x。

后端技术主要使用Spring Boot框架，主要使用main函数，内嵌了Tomcat、Jetty、Underrtow等web容器，并且能够提供运行时的应用监控。前端技术主要使用npm、ECMAScript6、vue-cli、vue-router、vuex element-ui。煤矿井下辅助运输智能调度平台由基础管理、调度管理、监测管理、警报处理、信息管理、日志管理等六个主要功能模块组成，各个模块相辅相成，互相协同工作，共同实现辅助运输的智能调度。

调度管理主要包括：车辆调度和调度信息处理。车辆调度包含班次管理、计划排程、排班管理、调度管理、交车管理、报站语音、等信息，辅助运输设备和司机的相应信息，调度人员在软件上指定车辆的车牌号和车辆类型，安排好司机和司机编号后，派发任务单。并且系统具有存储功能，能够及时存储调度员所下发的调度指令。图9为车辆语音播报。

图9 车辆语音播报Fig.9 Vehicle voice broadcast

GIS地图管理根据GIS技术复现某矿井下的二维平面图形，用户通过调度平台可以对地图进行编辑，创建关键节点，并设置该节点的车辆数，保证辅助运输的正常进行。图10为GIS地图管理。

图10 GIS地图管理Fig.10 GIS map management

5 结束语

针对煤矿辅助运输人工调度处理突发事件不够及时，智能化程度低等问题，通过对煤矿环境的调研，依据煤矿现有的工作方式，设计了一款煤矿井下辅助运输智能调度平台。该平台提高了煤矿辅助运输的智能化运转效率，能够做到井上实时观测辅助运输物料状态，能够对井下做出的警报进行及时处理，有效实现了信息的及时反馈，并能对井下各人员与设备进行随时调度，能够提高工作人员的工作效率，减少工作人员数量，使得煤矿辅助运输少人化的目标更进一步。但该辅助运输智能调度基础是以某矿为背景，专门设计的一款辅助运输智能调度平台，并未考虑到与其他煤矿的环境结合，后期将继续研究是否可以开发成开源软件，使之适用于其他煤矿。