矿用无轨胶轮车调度系统的设计及应用分析

谢昌辰

（晋能控股集团寺河煤矿，山西 晋城 048200）

1 概况

与传统的有轨交通方式相比，无轨胶轮车更具优越性，在煤矿生产中得到了广泛的应用。然而，由于矿井路面不平、视线不佳、道路狭窄等诸多不利条件，严重影响着无轨胶轮车的安全。在矿井中，如果车辆运行调度不当，可能会引起矿井内车辆相撞，从而影响矿井的正常生产，甚至会引起重大的安全事故和人身伤亡。在煤矿井下，通过规划调度系统，实现无轨胶轮车的安全调度，是保证行车安全的一种行之有效的方法。本文就是以晋能控股煤业集团某煤矿为背景，对无轨胶轮车的调度系统进行了设计和研究，并在实践中收到了很好的应用效果[1]。

2 无轨胶轮车调度系统整体方案设计

2.1 整体方案

晋能控股煤业集团某煤矿无轨胶轮车调度系统的总体方案见图1。整个系统包括三个主要部分：井上运输调度中心、井下监测基站、通讯模块。井下监测基站主要由监控摄像机、信号灯、接收节点、发送节点组成，主要功能是采集井下无轨胶轮车的状态信号，同时还采集到重要路口的信号灯状况和视频监测信息。井上运输调度中心主要由服务器、监控屏、控制器等组成，其主要功能是通过对井下的数据进行分析、挖掘，从而判断出其具体的位置，并根据矿井的实际状况对车辆进行科学、安全的调度，以防止车辆在巷道中发生碰撞[2]。通讯系统主要是为了在监测基站和调度中心之间建立数据通讯。

图1 无轨胶轮车调度系统整体方案

2.2 定位原理

由于无轨胶轮车推进器在工作过程中是实时运动的，所以传输端和接收端是采用无线电通信。在无轨胶轮车上设置了一个传输节点，每个车辆都配备了一个传输节点，并且每个传输节点都具有特定的代码。在矿井中，接收节点按特定的间隔设置。在调度系统运行过程中，发送端以特定的频率发送带有数字和方位的数据，临近的接收节点会获取对应的频率信号，发送给运输调度中心的控制端进行数据处理，并最终进行车辆位置的确定[3]。

3 无轨胶轮车的调度过程分析

井下定位和接收指示信号的信号组成了一个调度系统。图2中显示了无轨道胶轮车的调度程序。在巷道内，每隔一定的间隔设一个避车硐室，在硐室的两边各设有一个信号灯，这两个硐室之间的空间叫做行车区域。当车辆进入避车硐室时，调度系统将自动判定前方行车区间内有无车辆通过，若无，该车辆可直接进入前方行车区间；若在前方行车区间内发现与本车辆相反的车辆，则进入避车硐室进行避让；当前方行车区域内有一辆车在行驶，并且在同一方向上行驶时，该车辆会在信号灯亮起的情况下与前面的车辆保持一定的安全距离；当交通信号灯为绿色时，该车辆才能进入前面的行车区域。

图2 无轨胶轮车调度过程

此外，在巷道的重要位置，例如斜度大、拐弯处，安装了高分辨率的防爆摄像机，可以让指挥中心的工作人员对重点区域进行监控。在遇到紧急状况时，指挥中心的工作人员可以人工控制交通信号，及时提醒小车驾驶员及时关注到异常情况，确保无轨胶轮车的行驶[4]。

4 调度系统主要硬件选型

4.1 处理器的选型

作为整个调度中心的处理器，其全部的信息都要经过通讯网络传送至处理器进行处理，并输出最终的计算结果。CPU 在进行数据分析后，会发出相应的控制指令，并通过发出相应控制信号来进行交通信号的控制。根据矿山的具体条件，可选择了西门子S7-200型智能控制装置，该型号控制装置在行业中得到了广泛的使用，具有性能稳定、编程方便、通用性强等优势，I/O 端口丰富，能够与各种类型的硬件设备相联接，保证了整个调度体系的扩展性。此款CPU已集成以太网RS485接口，能实现各种不同的通讯方式。

4.2 定位模块的选型

该定位系统由一个发送端和一个接收端组成。本设计采用CC2530型的单片机作为核心，采用Zigbee技术进行无线数据传送，其中包括了信号的接收、发送等多种应用，提高了系统的整体硬件和设备的兼容性，避免了因硬件不相容而造成的不稳定问题。CPU 采用8051处理器，其性能参数满足实际使用需求。CC2530系列的单片机，抗干扰性强，适用于矿井中较为复杂的矿井作业，其检测精度高，检测灵敏，该方法还提供了RSSI 的位置控制，使整个调度体系的架构得到了极大的优化，提高了定位结果的准确度。图3显示了无轨胶轮车的定位模组。

图3 无轨胶轮车定位模块通信

4.3 交换机的选型

交换机是通讯中的一个关键部件，它是井下和地下通讯的一个枢纽，在井下的各个地点，都必须用工业以太网的方式和中央交换器相连，以便与地面指挥中心实现信息交互和控制指令的发送。该系统采用KJJ18本质安全型交换机，其额定工作温度区间为0℃~40℃，相对湿度为95%，气压80~100kPa。KJJ18系列交换机能够实现RS485 和工业以太网通讯，其通讯速率超过100m，能有效地实现对视频数据的实时传送，具有高速和低延时的特点[5]。

5 调度系统的软件设计

调度系统的软件部分是整个系统的核心，同时也是实现系统功能的核心，井下软件程序作为系统功能实现的基础，本文将对软件程序进行重点介绍。井下段的主要功能是采集无轨胶轮车运行状态的参数信息，并通过获取的参数判断车辆实际的位置与行进的方向。同时，通过井上部件的控制命令，实现对信号灯的控制。井下的各个硬件模块必须与软件相配合，以达到各种功能。图4是整个矿井系统的软件结构方块图。

图4 井下部分软件整体构成

在该图中，最关键的是确定了无轨道胶车的位置和移动的方位，如图5所示，说明了该无轨胶轮车的定位方法的基本流程。在进行调度时，探测节点会持续地接收到从运动节点发送来的信号。在接收到三个由相同的运动结点发送的数据时，可以从中筛选出三个强度最大的信号，每个数据集都有一个唯一的RSSI，这个RSSI 值可以确定每个运动结点与探测结点的间距。通过RSSI 的数值，可以求出二者的间距，然后利用三角形中心的方法，求出运动结点的空间坐标，也就是车辆的精确定位。

图5 无轨胶轮车定位方法流程图

在对无轨胶轮车的运动方向进行判定时，主要依据在固定检测节点与移动节点间的RSSI 值。RSSI 越小，则表示二者之间的距离越远，反之，RSSI越大，则表示两者之间的距离越近，利用该方法可以对车辆的行驶方向进行判定[6]。

6 调度系统的实践应用分析

通过对晋能控股煤业集团某矿井的实际运行，对该矿井的各种性能指标进行了检测，试验历时3 个多月，以证实该方案的有效性[7]。

经反复试验，所研制的排程控制方案能够很好地完成各个功能，达到了预定的目标。在矿井内对该系统进行了调试后，进行了车辆的位置精度测试，并进行了10次测试，取得了良好的效果，图6为精度测量结果。汽车的位置精度为0.2~1.0m，可充分地适应矿井生产的要求。该系统能够精确地安排矿山内的交通工具，大大提高了调度的效率。采用本装置后，没有发生重大的无轨胶轮车相撞事件，为矿井生产提供了可靠的保障[8]。

图6 无轨胶轮车定位精度试验测量结果

7 结语

本文以晋能控股煤业集团某煤矿的无轨胶轮车为例，进行了无轨胶轮车的调度系统的设计与研制。该调度系统分为三个主要的模块，即井上运输调度中心、井下监测基站、井上与井下的数据信息交换的通信模块。该方法的基本思想是获取矿井内的无轨胶轮车的位置和行车的方位，并利用巷道内的交通信号来进行车辆的调配，避免由于井下的突发状况造成的意外事故。采用该方法研制的无轨胶轮车排程系统，取得了较好的经济效益，并达到了各方面的要求。