矿井无轨胶轮车调度系统设计与应用分析

段昌盛,高祖彦

(恩施职业技术学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000)

煤矿工作面中开采获得的煤炭资源,需要利用运输工具将其运输到指定地点。无轨胶轮车以运输效率高、成本低等优势在煤矿领域的应用越来越广泛,已经成为矿井中重要的辅助运输装备[1]。但无轨胶轮车实际操作时存在一定的缺陷,比如矿井巷道比较狭窄、光线不好、结构复杂,车辆行驶过程中容易出现交通堵塞问题,严重时可能引发交通事故,造成财产损失和人员伤亡[2]。如何保证无轨胶轮车的行驶安全,是使用该类型运输装备时需要考虑的重点问题[3]。为了提升无轨胶轮车的运行安全性,成中华[4]以矿用防爆无轨胶轮车为研究对象,设计了安全保护监控系统,可以对车辆运行时的状态进行监测;韩鹏海[5]研究了煤矿无轨胶轮车的自动监控系统。但是利用监控系统只能对单个设备状态进行监测,矿井中通常同时存在多辆车辆运行,如何保证车辆之间不发生碰撞,需要通过车辆调度系统实现。使用传统的视频监控系统,难以满足实际使用要求。基于此,有必要结合矿井实际情况设计无轨胶轮车的调度系统,利用系统实时检测井下所有无轨胶轮车的位置,并对车辆的行驶过程进行调度[6]。不仅能在一定程度上提升车辆的行驶效率,从而提升运输效率,同时还能保障井下车辆的行驶安全。

1 调度系统的整体方案设计

无轨胶轮车调度系统的整体结构如图1所示。由图1可知,整个系统可以分为2大部分,分别为井上部分和井下部分,后者是系统的核心部分。井下部分设置有多个控制分站,在矿井中每间隔一定距离需要设置一个控制分站,控制分站数量视矿井结构及其大小确定。每个控制分站具有相同的硬件设施,控制分站主要包括传感器、信号灯、移动节点、检测节点、监测基站、工业摄像头等部分。利用传感器可以实时检测无轨胶轮车的工作状态,利用检测节点和移动节点可以获取无轨胶轮车的位置基础信息,检测的信息通过工业网络上传至控制分站中。控制分站对车辆的行驶状态及其位置进行分析,同时根据设置的调度策略,判断车辆是否可以进入下一个行驶区间,利用信号灯指导车辆行驶。井上部分主要包括主站控制器、工控机、数据存储器、数据服务器、终端显示器、监控大屏、打印机等部分。井下所有控制分站均与主站控制器进行连接,主站控制器综合分析矿井所有车辆信息和矿井结构特点,对井下信号灯进行控制,实现井下车辆的整体调度。利用数据服务器可以对所有车辆的轨迹信息及状态数据信息进行存储,并在屏幕上进行显示,工作人员可以实时了解并掌握井下车辆的状态信息和行驶轨迹[7]。

图1 无轨胶轮车调度系统的整体结构框Fig.1 Overall structure block diagram of the trackless rubber-tyred vehicle dispatching system

2 无轨胶轮车定位原理及调度策略

2.1 定位原理

(1)测距原理。根据调度系统的整体方案,无轨胶轮车上设置有移动节点,煤矿巷道上设置有检测节点。移动节点跟随无轨胶轮车移动,同时以一定的频率向外发射无线信号。信号可以被附近的检测节点接收,接收到的信号强度与移动节点和检测节点之间的距离存在紧密联系,距离越近则接收到的信号越强,距离越远则接收到的信号越弱。根据此特征可以分析无轨胶轮车与检测节点之间的距离[6]。基于此原理进行测距的方法称之为RSSI(Received Signal Strength Indicator)测距。移动节点与检测节点之间距离对信号强度的影响规律公式为:RSSI=-(10nlgd+A)。其中,RSSI为描述信号强度的数值;n和A为与现场环境有关的常数,需要根据现场情况测试后确定其数值;d为2个节点之间的距离。

(2)定位原理。利用1个检测节点只能测量其与移动节点之间的距离,无法确定其方位,要想精确定位无轨胶轮车的坐标,至少需要3个检测节点的数据[7]。本研究基于三角质心定位原理确定无轨胶轮车的位置,三角质心定位原理如图2所示。图2中,A、B、C分别为检测节点的位置,d1、d2、d3分别为3个检测节点与无轨胶轮车之间的距离,3个圆圈分别为针对单个检测节点而言,无轨胶轮车可能的位置。理论上,3个圆应该交汇于一点,该点就是无轨胶轮车的准确位置。实际上,受测量精度影响,3个圆圈难以交汇于一点,会形成如图2所示的局面,即3个圆有一个叠加区域LMN。本研究将三角形LMN的质心作为无轨胶轮车的实际位置。虽然会存在一定的误差,但误差相对较小,可以满足实际使用需要。

图2 三角质心定位原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of triangular centroid positioning

(3)定位程序。无轨胶轮车的主要定位程序如图3所示。此程序由控制分站控制器执行。程序开始运行后,首先查询是否有检测节点上传数据,如果有检测节点上传数据,判断是否有3个及以上检测节点上传数据。若有3个及以上节点数据,则选择3个RSSI值最大的数据进行分析。根据获得的RSSI值对照数据库,将其转换成为距离信息,根据检测节点编号获得其位置坐标。基于三角质心定位原理对无轨胶轮车的位置坐标进行计算,获得车辆位置信息,自此整个过程结束。

图3 无轨胶轮车的主要定位程序Fig.3 Main positioning procedures for trackless rubber-tired vehicles

2.2 调度策略

(1)信号灯及检测节点布置。无轨胶轮车在矿井中运行时,可能遇到的情况可以分为3种类型[8]:①直行宽巷道;②直行窄巷道;③三岔巷道。其中,第3种情况比较复杂,本文以三岔巷道为例介绍信号灯及检测节点的布置情况。三岔路口信号灯及检测节点布置情况如图4所示。三岔巷道每个方向都可能有车辆行驶,且为双向行驶,所以需要在每个岔路口设置信号灯和避车室,信号灯能够指示车辆的行驶方向,向上、向左和向右箭头分别为直行、左拐和右拐。信号灯1设置在避车室右侧,作用是指示对向来车的前行和左拐;信号灯2设置在避车室左侧,作用是指示对向来车的直行和右拐;信号灯3设置在避车室右侧,作用是对岔道方向行驶车辆进行控制,指示其左拐和右拐。检测节点设置方面,在3个避车室的两边分别设置有检测节点,其他节点按照间隔50 m的方案进行设置。

图4 三岔路口信号灯及检测节点布置情况Fig.4 Layout of signal lights and detection nodes at trident intersections

(2)车辆调度策略。为保证行车安全,系统将无轨胶轮车行驶路线划分成为不同的区间,每个区间长度为200 m,要求每个区间内只能允许1辆车进入。车辆调度就是控制车辆是否需要停车等待或者进入避车室[9]。对每个行车区间进行编号,且明确所处的环境,比如直行宽巷道、直行窄巷道、三岔巷道。系统运行时,根据车辆定位提取对应行车区间编号,并明确巷道类型,进而调取对应的车辆调度程序,对附近的车辆进行调度控制。同样地,以三岔巷道的车辆调度基本过程为例进行介绍。考虑到三岔巷道部位行驶车辆较多且方向不确定,是事故高发点,为确保三岔巷道区域的安全,设计的系统只允许1辆车同时经过三岔巷道口,将三岔口单独设置1个行车区间。若三岔巷道没有车辆行驶,所有方向的信号灯全部为绿色,任何方向来车都能够正常通过。当有车辆正在通过三岔巷道口时,3个信号灯全部变成红色,禁止其他车辆驶入。三岔巷道车辆调度基本流程如图5所示。由图5可知,系统工作时,首先判断此行车区间内是否有其他车辆,若有车辆就进入避车室等待。若区间内没有车辆则还要判断是否多向来车,若有多向来车,需分析车辆优先级,优先级较高的车辆优先通过路口,优先级较低的车辆进入避车室等待。

图5 三岔巷道车辆调度基本流程Fig.5 Basic flow chart of vehicle dispatching in trident roadways

3 主要设备选型设计

由于煤矿井下环境非常复杂,特别容易出现突发情况,所以在选择调度系统的硬件装置时,必须考虑这些情况,确保装置在特殊情况下能够保持稳定工作[10]。另外,矿井瓦斯浓度较高,选择的装置必须具备防爆功能。以下对系统主要硬件装置的选型进行介绍。

3.1 井下控制分站处理器

对于无轨胶轮车调度系统而言,井下控制分站处理器是整个系统的核心硬件,其性能好坏直接决定了调度系统的综合性能。控制分站处理器的作用是接收传感器的数据信息,分析判断车辆位置、行驶方向及其行驶状态等。还需要与主站控制器进行连接,接受后者的指令,对分站内的信号灯进行控制[11-14]。当前阶段,工业领域使用的控制器主要分为2种类型,分别为PLC和单片机。在综合考虑矿井工作环境及设备性能的基础上,本系统选用的是PLC控制器,此类型控制器具有更好的稳定性,具体型号为西门子的S7-200型PLC控制器。S7-200型PLC控制器在工业领域具有很好的通用性,编程比较便捷,能够适应不同的工况环境且稳定性良好。拥有较多的I/O接口,能同时与多个硬件装置进行连接,并对多路信息进行处理,提升信息处理速度,保证控制器性能。CPU模块上拥有工业以太网以及RS-485串口通信接口,可通过多种网络形式实现数据交互。具备信号板拓展功能,可以结合实际情况添加通信模块,进一步丰富通信功能。

3.2 车辆定位模块

无轨胶轮车定位模块主要包含2种硬件装置,分别为检测节点和移动节点。检测节点安装在煤矿巷道上,除关键位置必须设置检测节点外,相邻检测节点之间的距离设置为50 m。移动节点安装在无轨胶轮车上,随车辆一起运动,其位置坐标与无轨胶轮车相同。移动节点工作时会不断地向周围发射信号,包括温度、行驶速度、ID编号等。巷道上的检测节点可以接收信号,并分析信号强度值,即RSSI值。检测节点将接收到的信号数据及其RSSI值上传至控制分站的PLC控制器中。系统中检测节点与移动节点之间基于ZigBee无线传输技术进行数据传输,选用的定位模块核心板块芯片为CC2530。此型号芯片内置了RF收发器,具备信号发射和接收功能。CPU型号为增强型8051 CPU,SMAR的大小为8 KB。已有的应用实践表明,CC2530芯片具有很好的抗干扰能力,灵敏度较高,运行时功耗较低,RF无线收发器的工作频率为2.4 GHz。

无轨胶轮车定位模块通信过程如图6所示。

图6 无轨胶轮车定位模块通信过程示意Fig.6 Schematic diagram of communication process for positioning module of trackless rubber-tired vehicles

车载发射装置和检测节点接收装置中使用的芯片全部为CC2530,两者之间基于ZigBee协议进行数据的无线传输。每个移动节点和检测节点均设置有唯一的ID编号,通过移动节点ID编号可确定与之配套的无轨胶轮车。检测节点与控制分站之间基于RS-485总线进行数据传输,将接收到的信号及信号强度值上传至控制分站中进行分析,以确定移动节点的坐标位置。

3.3 车辆信息监测模块

由于矿井环境比较特殊,为了保证无轨胶轮车在井下的行驶安全,需要对车辆行驶状态信息进行实时监测,需要监测的数据主要包括油温、油压、车速以及环境瓦斯浓度。一旦上述关键指标参数超过了系统设定的安全阈值,系统会立即向外发出报警信息,提醒司机及监控人员及时进行处理,避免小问题引发严重的安全生产事故。系统中使用的监测模块型号为YE0.3/24柴油机车保护监控仪。此型号设备满足相关标准要求,可以对无轨胶轮车运行过程中的关键参数进行采集并存储。该仪器正常工作时的电流和电压分别为300 mA和DC 15～30 V,环境温度宜在-20～80 ℃,可以测量的转速范围、温度范围、甲烷浓度范围、车速范围分别为0～5 000 r/min、0～160 ℃、0～4%、0～150 km/s。

3.4 交换机

交换机的作用是实现井上和井下的网络连接,提升长距离网络传输的稳定性。本文中使用的交换机型号为KJJ18,属于矿用本质安全型装置,可以在环境复杂的矿井下稳定工作。交换机共有10路接口,其中千兆以太网光纤接口数量为4路,百兆以太网光纤接口数量为4路,RS-485总线通信接口数量为1路。

3.5 控制主站

控制主站需要与井下所有的控制分站进行连接,并接受分站上传的数据信息。在对所有信息进行综合分析处理的基础上,下达指令对井下的信号灯进行控制,确保无轨胶轮车的安全运行。系统中使用的主站控制器型号为610-H/L,此型号控制器不仅拥有丰富的I/O接口,方便与其他硬件装置进行连接拓展功能,也具有丰富的通信接口,可以进行工业以太网、RS-485、RS-232等多种形式的通信。数据处理速度也较快,能满足本系统的使用要求。

4 调度系统的应用分析

为了对无轨胶轮车调度系统的可靠性进行分析,根据上文的设计方案,将其应用到煤矿工程实践中,并对系统的各项性能进行了综合测试,重点对车辆的定位精度进行了分析。为了验证系统的定位精度,测试时开展了10次实验工作,统计了10次实验的定位精度,无轨胶轮车定位误差的实验结果统计情况如图7所示。由图7可知,在10次实验工作中,定位误差分布在0.32 ～ 0.98 m。虽然车辆定位存在一定的误差,但是该误差相对较小,不会影响车辆调度,完全能满足本系统的实际使用要求。

图7 无轨胶轮车定位误差实验结果Fig.7 Experimental results of the positioning error of the trackless rubber-tired vehicles

完成调度系统的现场测试工作以后正式投入应用,目前系统在工程中的应用时间有6个月左右。通过对系统的实践应用情况进行统计分析,发现达到了预期效果。系统可以对无轨胶轮车进行精确定位,并结合矿井结构特点对信号灯进行控制,实现车辆的有效调度。设置在井上的监控大屏可以实时显示井下无轨胶轮车的行驶轨迹,所有信息存储在数据服务器中,随时根据需要调取查询。实践操作中,若驾驶人员不按照信号灯指示行驶,系统可以利用喇叭对其进行提示,并记录在案,可以作为工作人员考核的重要依据。总之,设计的调度系统在煤矿中的应用能显著提升无轨胶轮车行驶安全,在系统使用的6个月内,煤矿中没有出现无轨胶轮车碰撞事故,保证了煤矿的安全生产。

5 结论

以煤矿领域使用的无轨胶轮车为研究对象,结合矿井实际设计了车辆的调度系统,将其部署到实践中,达到了预期效果。

(1)系统整体分为2部分,即井上和井下部分,井下部分由多个控制分站构成,作用是对车辆行驶数据信息进行采集并判断车辆位置,井上部分作用是对车辆进行监控并控制信号灯。

(2)基于三角质心定位原理确定车辆位置坐标,在此基础上利用信号灯对矿井中所有的无轨胶轮车进行调度。

(3)通过现场测验发现车辆定位精度可以控制在1 m内,在系统使用的6个月内,矿井没有出现车辆碰撞安全事故,验证了系统的有效性。