舒 丹

(長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng)在礦山井下斜坡道的應(yīng)用

舒 丹

(長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)凡口鉛鋅礦井下斜坡道內(nèi)各種車輛運(yùn)行所存在的問題,創(chuàng)新研制出礦山井下斜坡道交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng),通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位指揮調(diào)度,實(shí)現(xiàn)了斜坡道車輛跟蹤和自動(dòng)交通管制,使車輛操作人員嚴(yán)格按照正常有序的行車規(guī)則進(jìn)行工作,真正有效地解決了車輛避讓、通道堵塞問題,徹底消除了撞車、追尾等事故隱患,自2006年9月投入使用以來,大大提高了礦山井下通道的運(yùn)行效率和交通安全性。

無軌斜坡道;無線射頻;交通信號(hào)控制;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

無軌斜坡道在現(xiàn)代礦山生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位,由于其道路濕滑、路面狹窄、路況復(fù)雜等特點(diǎn),極易造成撞車、追尾等事故的發(fā)生,嚴(yán)重影響生產(chǎn),并帶來安全隱患。同時(shí),當(dāng)上下行車輛都是重車時(shí),避讓難度相當(dāng)大,汽車一旦在斜坡道內(nèi)發(fā)生事故,將會(huì)嚴(yán)重堵塞道路和危及礦山安全生產(chǎn);另外,井上人員也難以及時(shí)掌握井下汽車的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況,不能及時(shí)安排處理問題。

長(zhǎng)沙礦山研究院針對(duì)金屬礦山斜坡道交通運(yùn)輸與控制管理難度大、安全隱患突出等特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外首次將無線射頻身份識(shí)別技術(shù)、遠(yuǎn)距離有線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)集成創(chuàng)新應(yīng)用于礦山井下斜坡道“交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng)”,很好地解決了斜坡道交通面臨的難題,并在凡口鉛鋅礦生產(chǎn)實(shí)際中獲得應(yīng)用,取得了良好的效果。

1 凡口礦主斜坡道交通管理存在的問題

凡口鉛鋅礦主斜坡道已從地表+112m掘至地下-650m中段,平均橫斷面為4.2m×3.8m,直線坡度為15°,全程近9km,其中繁忙地段跨越16個(gè)作業(yè)中段,54個(gè)分段,設(shè)有2個(gè)避讓硐室。礦山共有近60臺(tái)各種車輛需在斜坡道內(nèi)運(yùn)行,包括地下汽車、井下鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車、井下裝藥車、吉普車等。

凡口鉛鋅礦井下斜坡道最初的交通管理是采用手拉開關(guān)式的控制系統(tǒng),車輛在運(yùn)行過程中的啟停和避讓完全是在人工干預(yù)下完成,既不安全也不方便。控制系統(tǒng)投入運(yùn)行一段時(shí)間后,手拉開關(guān)即處于癱瘓狀態(tài),隨之整個(gè)井下車輛的管理和控制也完全處于無序狀態(tài),導(dǎo)致交通事故頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)和勞動(dòng)效率。

2 井下交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)思路

常規(guī)交通信號(hào)系統(tǒng)通常是一個(gè)開環(huán)定時(shí)系統(tǒng),其定時(shí)的長(zhǎng)短需事先人為測(cè)算研究設(shè)定。對(duì)于地面交通信號(hào)系統(tǒng),車輛無須考慮避讓問題,而在井下運(yùn)行的車輛只有規(guī)定的幾個(gè)避讓點(diǎn),大多數(shù)道路相當(dāng)于一個(gè)狹窄的單行道,一旦在其中堵車將很難倒車,而且采用開環(huán)定時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行車輛較少時(shí)會(huì)降低生產(chǎn)效率。因此井下交通信號(hào)系統(tǒng)最理想的方案是采用一個(gè)車輛與交通信號(hào)連鎖的閉環(huán)系統(tǒng),利用無線射頻定位技術(shù),對(duì)井下車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤、定位,然后通過網(wǎng)絡(luò)將車輛的狀態(tài)信息反饋至后臺(tái)控制系統(tǒng),后臺(tái)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷,自動(dòng)控制紅綠燈狀態(tài),從而指揮井下車輛正常運(yùn)行。

2.2 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合井下斜坡道的特點(diǎn),以架構(gòu)合理、安全可靠、產(chǎn)品主流、低成本、低維護(hù)量作為出發(fā)點(diǎn),為礦山提供先進(jìn)、安全、可靠、高效的系統(tǒng)解決方案。

2.3 指揮原則

(1)以斜坡道為主干道,次干道內(nèi)不作錯(cuò)車指揮,只在其主干道交匯口裝一組信號(hào)燈,確立次干道所有來車避讓主干道來車的原則。

(2)所有旁路車道都看作次干道口,按丁字路原則指揮。

(3)主干道安裝的射頻ID收發(fā)器之間最少留10m盲區(qū)。

(4)主干道由下往上行車優(yōu)先。

2.4 使用管理原則

本系統(tǒng)遵循“統(tǒng)一發(fā)卡、統(tǒng)一裝備、統(tǒng)一管理”的原則,對(duì)準(zhǔn)許下礦井的車輛實(shí)行“一車一卡”。具體實(shí)施措施如下:

(1)采礦生產(chǎn)單位在井下坑道、作業(yè)面的交叉道口安裝井下分站設(shè)備;

(2)采礦生產(chǎn)單位為下井車輛安裝標(biāo)識(shí)卡;

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄該標(biāo)識(shí)卡所對(duì)應(yīng)車輛的基本信息,包括駕駛員、車牌號(hào)碼等;

(4)生產(chǎn)單位對(duì)該標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行授權(quán)后即生效,授權(quán)范圍包括該車輛可以準(zhǔn)入的坑道或作業(yè)面;

(5)進(jìn)入坑道的車輛必須裝配標(biāo)識(shí)卡,當(dāng)持卡車輛經(jīng)過設(shè)置識(shí)別系統(tǒng)的地點(diǎn)時(shí)被系統(tǒng)識(shí)別,系統(tǒng)將讀取該卡號(hào)信息,通過系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò),將持卡車輛通過的地點(diǎn)、時(shí)間等資料傳輸存儲(chǔ)至地面監(jiān)控中心。

2.5 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)由無線射頻定位系統(tǒng)、光纖+電纜通訊系統(tǒng)、紅綠燈控制系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。為了提高系統(tǒng)的可靠性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用空分多路(SDMA)、時(shí)分多路(TDMA)和碼分多路(CDMA)等技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn),通過空分多路法限制每個(gè)區(qū)間采集器所控制的區(qū)域,以保證在該區(qū)域內(nèi)的感應(yīng)器數(shù)量只有一個(gè);通過時(shí)分多路法、碼分多路法來防止多標(biāo)簽的碰撞,使讀頭在某一時(shí)刻只接收一個(gè)射頻標(biāo)簽的信號(hào),從而使其能被可靠識(shí)別,成功解決了系統(tǒng)中的碰撞問題。

3 系統(tǒng)在凡口鉛鋅礦的應(yīng)用

凡口鉛鋅礦交通管理系統(tǒng)由服務(wù)器、光纖轉(zhuǎn)換器、中段口和分段口處理器、區(qū)間采集器、無線射頻模塊、紅綠燈模塊等構(gòu)成,共計(jì)120臺(tái)設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)配置及網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

從圖1可以看出,系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)由光纖+電纜構(gòu)成,具體布局為從調(diào)度室至坑口采用光纖通訊,坑口以下為電纜連接;電纜網(wǎng)絡(luò)是基于RS485的現(xiàn)場(chǎng)通訊總線的網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,RS485網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分為485主網(wǎng)和485內(nèi)網(wǎng),主網(wǎng)上掛有16個(gè)中段口處理器,對(duì)應(yīng)凡口鉛鋅礦主斜坡道的16個(gè)受控中段,可以被后臺(tái)監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問。中段口處理器通過485內(nèi)網(wǎng),管理每個(gè)中段的所有測(cè)點(diǎn)和紅綠燈控制設(shè)備,每個(gè)中段各自成為一個(gè)獨(dú)立的通訊子系統(tǒng),互不影響,同時(shí)工作,從而極大地提高了通訊效率。由于采用RS485網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),后臺(tái)監(jiān)控中心只需查詢16個(gè)中段口處理器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)120臺(tái)裝置的管理和控制,大大加快了系統(tǒng)的通訊速度,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

圖1 凡口鉛鋅礦井下大斜坡道智能交通管制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)工作原理

在礦山井下斜坡道作業(yè)的每輛車上安裝1個(gè)射頻ID發(fā)射卡,車輛的信息存儲(chǔ)在卡中,在井下需管制的各區(qū)段安裝射頻接收裝置,射頻接收裝置之間通過網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)建立聯(lián)接,當(dāng)帶有射頻ID卡的車輛通過射頻接收裝置時(shí),接收裝置將讀取射頻ID卡中的信息,并通過網(wǎng)絡(luò)將信息反饋到后臺(tái)監(jiān)控中心,后臺(tái)監(jiān)控中心通過訪問接收裝置,即可了解下井車輛的運(yùn)行狀態(tài)、位置狀態(tài)等,經(jīng)分析處理后,自動(dòng)控制紅綠燈的轉(zhuǎn)換,從而自動(dòng)指揮車輛的運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

(2)利用間歇觸發(fā)式通訊技術(shù),提高了系統(tǒng)的抗干擾和可靠性,同時(shí)也降低了井下高頻電磁污染。系統(tǒng)所開發(fā)的車載卡(射頻ID卡)靜態(tài)工作電流僅為2μA,電池的理論用電時(shí)長(zhǎng)可達(dá)2a。

(3)采用先進(jìn)的多支路差分式通訊中繼技術(shù),區(qū)間斷電、自身診斷自動(dòng)旁路設(shè)計(jì),使井下9km長(zhǎng)斜坡道不致因某區(qū)段停電或中繼裝置自身故障而影響其它區(qū)間的交通指揮。

(4)采用先進(jìn)的多拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)系統(tǒng)自身故障有多種自檢方法和手段,分別設(shè)計(jì)了裝置通訊巡檢、信號(hào)變位位置狀態(tài)監(jiān)測(cè)、井下每臺(tái)裝置除設(shè)計(jì)了CPU自檢板內(nèi)芯片功能,對(duì)信號(hào)輸出還設(shè)計(jì)了變位狀態(tài)位置反饋監(jiān)測(cè)和輸出回路電流狀態(tài)反饋監(jiān)測(cè),每個(gè)中段所配的中段處理器設(shè)計(jì)了局域分支狀態(tài)巡檢,后臺(tái)負(fù)責(zé)主干狀態(tài)巡檢。因此系統(tǒng)的主干、支干上任何裝置出現(xiàn)故障時(shí),后臺(tái)會(huì)立刻報(bào)警并明確指示故障點(diǎn)及故障類型。

(5)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用了先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),礦井斜坡道交通邏輯控制軟件與斜坡道后臺(tái)Flash動(dòng)畫演示界面之間以數(shù)據(jù)庫(kù)形式交換數(shù)據(jù),構(gòu)成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)版監(jiān)控系統(tǒng)(見圖2),井下交通、車輛運(yùn)行生產(chǎn)及安全狀態(tài)不僅坑口調(diào)度室可一目了然,而且在礦區(qū)局域網(wǎng)的任何點(diǎn)上都可監(jiān)視,如坑長(zhǎng)辦公室、安全部辦公室、礦長(zhǎng)辦公室、急救中心等,為礦山各管理層及時(shí)了解井下情況提供了方便。

圖2 井下斜坡道交通信號(hào)控制及指揮系統(tǒng)模擬界面

(6)后臺(tái)監(jiān)控、管理軟件功能強(qiáng)大,所設(shè)計(jì)的控鍵內(nèi)容有:井下交通監(jiān)控圖、下井車輛登錄管理、計(jì)算機(jī)管理人員登記、終端處理器登記維護(hù)、用戶類型登記、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等諸多內(nèi)容。

3.3 系統(tǒng)主要功能

(1)根據(jù)主干道優(yōu)先原則和先入為主原則智能化指揮斜坡道車輛運(yùn)行;

(2)車輛運(yùn)行和定位圖像顯示(顯示井下斜坡道圖形全貌及車輛運(yùn)行狀態(tài)、紅綠燈狀態(tài)、測(cè)點(diǎn)裝置故障狀態(tài)等信息);

(3)斜坡道車輛超速檢測(cè)記錄并告警;

通過對(duì)設(shè)備資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)綜合管理，根據(jù)點(diǎn)檢、在線監(jiān)控或第三方配合等手段，實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)問題”到采用趨勢(shì)分析及綜合評(píng)價(jià)一體化管理，實(shí)現(xiàn)“分析問題”再到維修及缺陷處理的解決方案，最終實(shí)現(xiàn)全廠的設(shè)備安全運(yùn)行、減員增效、提升效能等目標(biāo)。

(4)斜坡道車輛違章記錄并告警;

(5)實(shí)時(shí)查詢車輛上、下井、通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間;

(6)實(shí)時(shí)查看井下車輛運(yùn)行軌跡;

(7)自動(dòng)檢測(cè)控制裝置并故障告警;

(8)手動(dòng)控制指揮燈(井下發(fā)生緊急情況時(shí),后臺(tái)可直接點(diǎn)控各避讓段的紅綠燈)。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)自2006年9月在凡口鉛鋅礦井下斜坡道運(yùn)行以來,近4a時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)解決了井下大型設(shè)備、電源不穩(wěn)定而帶來的干擾,克服了井下濕度大、粉塵大等難題,并且具有強(qiáng)大的巡檢和設(shè)備自診斷功能,給系統(tǒng)維護(hù)帶來了很大的方便。同時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,對(duì)斜坡道各種運(yùn)行車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定位和指揮調(diào)度,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)交通管制,促使車輛操作人員嚴(yán)格按照正常有序的行車規(guī)則進(jìn)行工作,真正有效地解決了車輛避讓問題,徹底消除了撞車、追尾等帶來的人員傷亡及嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全隱患,大大提高了車輛的生產(chǎn)效率,為井下車輛高效安全作業(yè)發(fā)揮了積極作用。

該系統(tǒng)有效地解決了我國(guó)金屬礦山井下斜坡道各種運(yùn)輸車輛動(dòng)態(tài)追蹤及自動(dòng)指揮調(diào)度技術(shù)的“瓶頸”問題,實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域革命性的技術(shù)跨越。該系統(tǒng)的成功運(yùn)用,為我國(guó)井下無軌設(shè)備及人員的安全管理提供了一個(gè)成功的范例。

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2010-05-02)

舒 丹(1960-),女,湖南長(zhǎng)沙人,高級(jí)工程師,主要從事礦山計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究。