朱實(shí)強(qiáng)

（蘭州城市學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

礦山開采在生產(chǎn)過程中需要利用運(yùn)用大型運(yùn)輸工具對已經(jīng)開發(fā)出來的礦產(chǎn)資源進(jìn)行運(yùn)輸，由于礦產(chǎn)資源產(chǎn)量較大，并且礦山運(yùn)輸環(huán)境比較差，為了保證礦山運(yùn)輸效率，最初是利用人工調(diào)度的方式來控制和管理礦山運(yùn)輸?shù)奈恢煤蜖顟B(tài)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，在這種大的科技背景下，礦山開采以及運(yùn)輸正在朝向智能化、信息化以及數(shù)字化方向發(fā)展，為了提高礦山運(yùn)輸效率以及保證礦山運(yùn)輸過程中的安全，部分學(xué)者開始提出對礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，并且取得了一定的研究成果，目前現(xiàn)有的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)種類比較多，常見且應(yīng)用效果較好的運(yùn)輸系統(tǒng)主要有基于人工智能算法的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)，以及基于大數(shù)據(jù)的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)在運(yùn)輸數(shù)據(jù)處理方面具有良好的優(yōu)勢，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)需要依靠無線通信來發(fā)送運(yùn)輸指令和調(diào)度指令，并可用無線通信接收到各個(gè)運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行情況，在該方面?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)因無線通信質(zhì)量較差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)輸指令發(fā)送延遲，因而導(dǎo)致礦山運(yùn)輸效率較低，為此提出基于UWB的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于UWB的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 UWB無載波通信裝置選型與設(shè)計(jì)

為了更好的完成系統(tǒng)各個(gè)單元與模塊之間的通信，此次在礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)硬件中設(shè)計(jì)了UWB無載波通信裝置，UWB無載波通信裝置可以實(shí)現(xiàn)近距離的高速度數(shù)據(jù)傳輸，利用納秒到微秒級的正弦波超寬帶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，它的應(yīng)用可以有效提高礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速度[1]。根據(jù)礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，此次選擇JOSD-A2DA型號UWB作為系統(tǒng)的無載波通信裝置，該裝置內(nèi)部含有FREE RTOS芯片，能夠自動(dòng)傳輸信息，通信距離為1500m；供電形式為POE，可以利用太陽能進(jìn)行充電，具有良好的環(huán)保性，同時(shí)該裝置尺寸大小為12mm×30mm×40mm，易于安裝，并且整體采用塑膠材料制成，不易被損壞[2]。將其安裝在礦山運(yùn)輸通道的兩側(cè)，利用USB接口與電源連接，通過配對將該裝置與系統(tǒng)其它硬件設(shè)備以及服務(wù)器鏈接。

1.2 傳送裝置選型與設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上還對傳送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的運(yùn)輸工具利用傳輸裝置代替，由系統(tǒng)控制傳送裝置完成對礦產(chǎn)資源的運(yùn)輸，該裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示。

如圖1所示，A表示為自動(dòng)傳送裝置的導(dǎo)軌滾輪；B表示為自動(dòng)傳送裝置的載重臂V槽面；C表示為鋼絲繩。d1表示為與裝置基座相連接的連桿，d2表示為與d1相連接的連桿，d3表示為與d2相連接的連桿，其中d1可以在范圍內(nèi)以基座為軸進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)，d2可以在水平方向上進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)[3]。在計(jì)算載重臂的運(yùn)行角度時(shí)，應(yīng)考慮裝置運(yùn)輸?shù)膫魉臀矬w自重下滑力必須大于本身的摩擦力，摩擦力的最大系數(shù)應(yīng)為0.45。根據(jù)力學(xué)分析可知，假設(shè)上傳與下方各傳送物體時(shí)載重臂與地面之間所形成的夾角為21.0°，則坡道與載重臂之間的夾角為35.0°，坡道與地面之間的夾角為62.5°[4]。由于傳送物體放置在載重臂上進(jìn)行傳送時(shí)，必須通過一定的動(dòng)力推動(dòng)。因此，在載重臂上增加一個(gè)帶有PLC可編程邏輯控制器的滑動(dòng)小車，從而通過滑動(dòng)小車對運(yùn)輸?shù)V產(chǎn)資源起到推動(dòng)作用。在下放傳送物體時(shí)還可以通過改變PLC的控制參數(shù)，形成阻滯作用，從而防止礦產(chǎn)資源在運(yùn)輸?shù)倪^程中受到重力和角度的影響而出現(xiàn)失速下滑現(xiàn)象[5]。通過一臺工業(yè)計(jì)算機(jī)可以有效控制小車上的PLC裝置，并通過操作臺上的多個(gè)按鈕隨意切換不同的控制動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同載重臂的操作畫面。傳送裝置的控制處理器選用數(shù)字信號處理器，與上位機(jī)之間的連接和通訊通過UWB無載波通信裝置進(jìn)行同時(shí)通信，也可以通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源的智能運(yùn)輸。

圖1 傳送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于UWB的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能礦山運(yùn)輸系統(tǒng)的功能要求，此次在系統(tǒng)軟件方面設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)輸狀態(tài)分析模塊、運(yùn)輸調(diào)度模塊以及運(yùn)輸情況實(shí)時(shí)顯示模塊四大功能模塊，其實(shí)現(xiàn)礦山智能運(yùn)輸過程如下。

第一步：由系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到礦山需要完成的運(yùn)輸量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)調(diào)度中心向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送指令，該模塊接到指令后自動(dòng)讀取無線傳感單元采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度中心。

第二步：調(diào)度中心接收到數(shù)據(jù)后，向運(yùn)輸狀態(tài)分析模塊發(fā)送指令，該模塊根據(jù)目前系統(tǒng)知識庫中最新的運(yùn)輸數(shù)據(jù)對運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算到運(yùn)輸裝置空閑的運(yùn)輸空間。

第三步：運(yùn)輸狀態(tài)分析模塊將處于停止運(yùn)輸狀態(tài)的裝置信息傳遞給運(yùn)輸調(diào)度模塊，由該模塊向外發(fā)送運(yùn)輸執(zhí)行指令，系統(tǒng)根據(jù)生成的指令控制處于停止運(yùn)輸狀態(tài)的運(yùn)輸裝置開始運(yùn)行。

第四步：由運(yùn)輸情況實(shí)時(shí)顯示模塊將目前礦山運(yùn)行情況進(jìn)行展示，供用戶及時(shí)查閱礦山運(yùn)輸情況。利用以上四個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能運(yùn)輸，以此完成基于UWB的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

本文以某礦山作為實(shí)驗(yàn)對象，該礦山需要運(yùn)輸?shù)牡V產(chǎn)資源為5000噸，初步設(shè)計(jì)該礦山礦產(chǎn)資源需要在3天內(nèi)完成運(yùn)輸，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該礦山進(jìn)行智能運(yùn)輸，實(shí)驗(yàn)將基于UWB的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)定為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)定為對照組，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中將UWB無載波通信裝置的通信頻率設(shè)定為2.14Hz，將其通信降噪系數(shù)設(shè)定為1.05，將其運(yùn)行功率設(shè)定為4.5KW。實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)計(jì)為5h，在實(shí)驗(yàn)過程中需要傳輸?shù)恼{(diào)度指令數(shù)據(jù)量為1000bit，實(shí)驗(yàn)利用MKH軟件對兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)度指令延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和分析，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對兩種系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩種系統(tǒng)調(diào)度指令延遲對比（ms）

從上表可以看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中傳輸指令延遲時(shí)間比較短，基本可以控制在1ms以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對調(diào)度指令的實(shí)時(shí)傳輸；而傳統(tǒng)系統(tǒng)相比于設(shè)計(jì)系統(tǒng)，調(diào)度指令延遲時(shí)間較長，因此實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)更適用于礦山智能運(yùn)輸。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合目前礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)存在的問題，利用UWB技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了一套新的礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)，解決礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度指令發(fā)送延遲的問題，提高礦山智能運(yùn)輸效率。此次研究礦山智能化建設(shè)和信息化建設(shè)具有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)有利于無載波通信技術(shù)在礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用推廣，改善礦山運(yùn)輸質(zhì)量，降低礦山運(yùn)輸成本，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。