單成偉，劉豐幀，呂小強，陳曉晶

(1.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015；2.中國煤炭科工集團 常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

近年來，在我國礦井輔助運輸中無軌膠輪車應(yīng)用越來越多,主要是這種車無軌道的限制，具有機動靈活、適應(yīng)性強、安全高效、應(yīng)用范圍廣等特點。它作為礦井運輸系統(tǒng)的補充，承擔礦井的人員、物料、設(shè)備及部分煤炭的運輸任務(wù)。以神東礦區(qū)為代表的大型礦井都采用無軌膠輪車擔負運送人員、物料及設(shè)備的任務(wù)。與傳統(tǒng)軌道機車運輸相比，輔助運輸減員70%，效率也提高5倍以上[1]。但我國大多數(shù)礦井的輔助運輸狀況相對落后，其行駛巷道狹窄且交叉點多。隨著生產(chǎn)運輸任務(wù)的增加，運輸車輛逐漸增多，給行車造成了很大的困難，尤其是巷道存在一定坡度的情況下，車輛之間不能相互看清，容易在區(qū)域引起堵塞。于是車輛頻繁的倒車造成運輸效率低下，嚴重時導(dǎo)致碰頭、追尾等事故的發(fā)生。

膠輪車運輸監(jiān)控的核心是實時、準確地監(jiān)測膠輪車位置?，F(xiàn)有的膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)大多采用RSSI射頻技術(shù)來實現(xiàn)膠輪車的區(qū)域定位，其車輛位置識別范圍較大，當避讓硐室較密集時，射頻信號重疊，容易造成位置識別錯誤[2]。部分礦井也通過基于物理檢測的方式(如檢測地磁變化的機車位置傳感器或檢測巷道高度變化的超聲波物位傳感器)，來獲得車輛的出入列信息。但受到地壓影響及井下巷道開挖預(yù)埋地磁傳感器等諸多的不便，不利于系統(tǒng)的大面積推廣。為此，本文提出了一種基于CSS技術(shù)的膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用SDS-TWR定位算法和定位管理協(xié)議，不需要進行時鐘的同步，即可實現(xiàn)礦車的高定位精度，增強系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

1 無線測距方法

現(xiàn)有的無線傳感器是基于測距的定位方法，包括RSSI、TOA、TDOA和AOA等?；赗SSI的定位方法雖然滿足低功率、低成本的要求，但測距誤差較大；基于TOA的定位方法要求節(jié)點有精確的時間同步，但很難大規(guī)模應(yīng)用于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)定位；TDOA定位方法受到超聲波傳播距離和非視距問題的限制；AOA定位方法需要額外的硬件，在成本和功耗上受到限制，而且還受外部環(huán)境的影響[3]。在地面上，傳統(tǒng)的方法還有GPS輔助定位技術(shù)。該技術(shù)只適用于無遮擋的室外環(huán)境，在井下環(huán)境無法使用。

CSS線性調(diào)頻擴頻技術(shù)是一種應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的新型技術(shù)，其在中短距離內(nèi)具有良好的定位精度和穩(wěn)定性，非常適合井下、室內(nèi)等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位。CSS技術(shù)是一種時分多址的定制應(yīng)用。它利用脈沖壓縮使得接收脈沖能量非常集中而極易被檢測出來，不但提高了抗干擾和多徑效應(yīng)能力，而且具有很好的魯棒性。

2 基于CSS精確定位技術(shù)的運輸監(jiān)控系統(tǒng)具體架構(gòu)

基于CSS精確定位技術(shù)的膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)由車輛標識卡、位置識別分站、車輛調(diào)度控制分站、信號燈等組成，如圖1所示。

圖1 基于CSS精確定位的膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)具體架構(gòu)

調(diào)度控制分站是膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)的核心，每臺調(diào)度控制分站具有2路獨立的RS-485接口，用于掛接車輛位置識別分站和信號機。它將車輛信息、設(shè)備狀態(tài)信息等通過CAN總線傳輸至地面主機和其他調(diào)度控制分站，并接收其他調(diào)度控制分站的信號機控制命令[4]。調(diào)度控制分站能定時巡檢沿線設(shè)備獲取車輛的出入列信息，通過RS-485總線控制信號機。當系統(tǒng)傳輸通道出現(xiàn)故障時，各RS-485回路仍能正常運行。CAN總線信號經(jīng)礦用數(shù)據(jù)光端機轉(zhuǎn)換為高速網(wǎng)絡(luò)信號，又經(jīng)光纖上井或直接接入礦井已有的環(huán)網(wǎng)交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息由井下調(diào)度控制分站到系統(tǒng)主機的遠距離傳輸。

地面定位服務(wù)器可通過網(wǎng)絡(luò)獲取井下設(shè)備監(jiān)測、控制信息，實現(xiàn)井下和地面的整個網(wǎng)絡(luò)信息的監(jiān)控，實時地顯示各個巷道和工作面人員及移動設(shè)備的數(shù)量、分布狀況、活動軌跡,并可查詢?nèi)我恢付ň氯藛T在當前或指定時刻所處的區(qū)域、坐標、活動軌跡等信息，對井下設(shè)備進行遠程管理。地面定位服務(wù)器依據(jù)車輛調(diào)度控制分站獲得的車輛數(shù)量、方向等信息進行決策，并直接控制信號燈，實現(xiàn)自動調(diào)度控制功能,也可在地面通過上位機下達控制命令到井下調(diào)度控制分站，實現(xiàn)信號燈的手動控制。該系統(tǒng)通常情況下運行于分站自動控制模式下，若井下有特殊要求時,可進行信號燈手動控制[5]。

3 車輛標識卡設(shè)計

車輛標識卡可以使用電池和外接直流電源兩種供電方式。在使用外接電源時，一般采取從車輛電源箱取電的方式。為兼容特殊的應(yīng)用場景和存量市場用戶的使用習慣，仍保留電池供電的形式。但殼體內(nèi)澆封電源及電池模塊不同時工作。

定位卡的工作由MCU控制完成，它根據(jù)配置信息控制RFID射頻電路進行信息的定時發(fā)送和與標識器之間距離測算。車輛標識卡發(fā)起定位數(shù)據(jù)包，可對定位的數(shù)據(jù)包和空中傳輸時間進行處理，計算與位置識別分站的距離，并把距離數(shù)據(jù)和一些傳感控制信息組成數(shù)據(jù)包，通過無線信道發(fā)送給位置識別分站。MCU選用飛思卡爾的MKL15Z系列，運動監(jiān)測功能使用振動傳感器，必要時可以休眠降低本機功耗，產(chǎn)品原理如圖2所示。

圖2 車輛標識卡原理

4 試驗結(jié)果分析

為驗證所采取的CSS精確定位技術(shù)在井下的定位精度和傳輸性能，在內(nèi)蒙古門克慶煤礦進行了實地測試。實地巷道的環(huán)境溫度為20 ℃，濕度為35%，車輛標識卡和無線定位基站的發(fā)射功率為20 dBm(前端設(shè)計了20 dBm的功率放大電路)，接收靈敏度為-95 dBm。在井下實際環(huán)境中，針對不同的地形條件、不同位置、不同的干擾因素和運動狀況等進行一系列試驗測試，部分測試結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可知：

1) 巷道中停放大型車輛時，不會對定位精度造成明顯的影響。

2) 巷道不同的橫向位置，對定位的精度和距離沒有明顯的影響

3) 彎道(半圓彎道，較為平緩，總長度35 m)和T型路口支巷的定位精度基本接近平直巷道的情況。

4) 當標識卡與讀卡器水平高度差太大時，信號接收距離會有所降低?；趯嶋H定位卡的安裝高度，讀卡器在不高于3.5 m的情況下，盡量選擇較高的位置安裝。

5) 牛鼻子型轉(zhuǎn)彎位置，讀卡器應(yīng)盡量安裝在鼻尖位置，或者鼻尖的對側(cè)，以保證接收距離覆蓋3個來車的方向。

6) 在人體近距離接觸并阻擋標識卡時，會對設(shè)備的天線場特性產(chǎn)生影響，故標識卡在安裝時，應(yīng)該盡量選取距離人體50 cm以上，安裝位置前方視距無屏蔽遮擋的位置。

7) 有轎廂的人車、指揮車、材料車推薦安裝在擋風玻璃下方位置；無封閉轎廂的工程材料車，可安裝在轎廂支柱或無遮擋物的臺面上;封閉式轎廂5T工程車,推薦安裝在轎廂外側(cè)的固定板上。

表1 試驗測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

經(jīng)實踐表明，基于CSS精確定位方式可有效地識別膠輪車位置，通過車載調(diào)節(jié)器供電，解決了原先便攜式的車輛標識卡需要定期充電維護的問題，大大減輕了系統(tǒng)的施工工作量，為礦井膠輪車輔助運輸提供了可靠的避車信號。與傳統(tǒng)基于射頻方式的膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)相比，新設(shè)計的系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，具有一定的推廣價值。