江小峰，李 冰

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 前 言

礦井運輸是生產(chǎn)的重要組成部分，安全高效的運輸，對提高生產(chǎn)效率和改善礦井的技術(shù)、經(jīng)濟指標有相當大的影響。礦物、人員和設(shè)備的運輸都依靠軌道運輸，隨著礦井的產(chǎn)量不斷增加，電機車臺數(shù)也相應增加，這樣就對軌道運輸?shù)陌踩岢隽烁叩囊蟆V西錫山礦業(yè)有限公司(以下簡稱為錫山公司)擁有32臺架線式電機車，分為多點多面運輸，部分運輸線路只有一條主巷，且是多工區(qū)共用線路，這就極易造成機車碰撞事故。隨著全球數(shù)字化礦業(yè)的發(fā)展，是否引進先進的技術(shù)手段預防安全事故的發(fā)生起著關(guān)鍵性的作用。

1 礦山工況

以錫山公司220 m水平0～12號線區(qū)域為例，整個運輸線路從0～12號線全長2 400 m,中間穿插有25條穿脈、11條聯(lián)絡巷以及1個環(huán)形道，岔道口繁多。該運輸線路由2個不同的工區(qū)共同使用，高峰期有多達7輛軌道運輸機車、88輛裝礦礦車作業(yè)，需要將礦石運至0號線膠帶斜井礦倉傾卸。0～12號線運輸線路簡況見圖1。

圖1 0～12號線運輸線路簡況

井下軌道運輸條件比地面鐵路運輸更加惡劣，主要反映在以下幾種情況上。

1)機車行駛的巷道狹窄，內(nèi)徑一般為2.5 m×2.5 m或2.7 m×3.0 m，頂板有淋水，軌道常有積水。

2)由于地下開采井巷條件的設(shè)計，運輸線路主要分為主運輸巷、采準運輸巷和穿脈聯(lián)絡運輸巷，軌道運輸線路錯綜復雜，機車發(fā)生事故的概率大，若發(fā)生事故，將造成礦井局部停產(chǎn)等較大影響。

3)電機車在井下行駛，僅依靠機車本身的照明和大巷照明，能見度較差；井下軌道轉(zhuǎn)彎半徑小，在行駛至彎道處司機視野狹窄；井下岔道多，岔道口扳道器由人工控制，費時耗力。

4)隨著電機車數(shù)量增多，列車分布密度大，前后兩列車間隔小。

據(jù)統(tǒng)計造成礦山生產(chǎn)事故和人員傷亡的主要原因有3個：頂板、有毒有害氣體、運輸。由此可見運輸在安全生產(chǎn)中所占地位之重。而造成軌道運輸事故原因是多方面的，運輸線路布置不合理、管理不善、設(shè)備維修不及時和帶病工作，除此之外還有一個最重要的原因就是沒有一套可行可靠的機車運輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。

2 運輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)應用研究

采用機車運輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，電機車調(diào)度更加及時和合理，因此可以加速車輛的周轉(zhuǎn)，提高運輸能力，這在實際運行中已得到證實。有的礦井沒有安裝系統(tǒng)前日產(chǎn)3 000 t，運輸比較緊張，經(jīng)常發(fā)生事故，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。安裝系統(tǒng)后，通過能力大大增強，日產(chǎn)量達到6 000 t，調(diào)度員一人就能比較輕松地調(diào)度車輛，除了安全得到保障外，運輸能力也有很大的提高。

2.1 技術(shù)路線

系統(tǒng)設(shè)計采用先進的通信、監(jiān)測、信息處理、計算機等技術(shù)構(gòu)建以無線傳感器網(wǎng)絡為技術(shù)基礎(chǔ)的井下機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)[1-2],機車運輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)具備兩種功能：①保障機車運輸安全運行；②提高生產(chǎn)效率增加經(jīng)濟效益。系統(tǒng)通過對電機車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測(包括電機車位置、車號、列車礦車數(shù)量)對運輸系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制[3]。

2.2 系統(tǒng)特點

礦山軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)采用最新物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，對運輸監(jiān)控功能進行深入研究后大膽進行多項技術(shù)創(chuàng)新。本系統(tǒng)除了基本信集閉功能外，具備如下創(chuàng)新功能。

1)精確機車定位，采用獨創(chuàng)的慣性定位技術(shù)，定位精度可達3 m內(nèi)，準確多軌識別。實時精確動畫顯示機車位置、車號、運行機車狀、車型、方向等。

2)智能調(diào)度機制，具有一個智能調(diào)度功能模塊，采用科學數(shù)學模型進行底層調(diào)度運算，可在全自動調(diào)度狀態(tài)下人工參與對機車經(jīng)行行程設(shè)定，具有全自動調(diào)度與手動調(diào)度同時進行的科學調(diào)度方式，使國內(nèi)礦山軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)進入了實用階段。

3)多種車聯(lián)網(wǎng)報警，現(xiàn)車設(shè)備不通過上位機可以實現(xiàn)防追尾、防超速、防丟車、打點報警、彎道報警、人車報站、雙駕駛室機車車載機聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步等功能。

4)模塊化擴展功能具體表現(xiàn)為4個方面：①如果在關(guān)鍵軌道路口安裝車輛管理讀卡器，在每輛車上安裝車皮信標，系統(tǒng)軟件可按位置、車號或車皮號、時間進行車皮定位查詢，同時還能生成運輸生產(chǎn)報表并實時監(jiān)控機車所帶載車皮信息；②如果井下關(guān)鍵路口或停車場接入本公司LED信息發(fā)布屏，可實現(xiàn)系統(tǒng)信息發(fā)布到現(xiàn)場的功能；③如果在井下關(guān)鍵路口或停車場安裝網(wǎng)絡攝像儀，可以實現(xiàn)系統(tǒng)主畫面為地理信息與視頻監(jiān)控無縫融合，讓調(diào)度員能快速找到需要查看的視頻信息；④后續(xù)只要在每輛機車上增加無人駕駛子系統(tǒng)硬件模塊，不需要再增加其他通信設(shè)備就可以實現(xiàn)無人駕駛運輸調(diào)度系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上位機軟件采用B/S構(gòu)架，可以實現(xiàn)多WEB客戶端應用。硬件采用CAN總線和以太網(wǎng)作為傳輸層進行通信，現(xiàn)場CAN總線連接的所有無線基站(無線網(wǎng)關(guān))到CAN-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，然后接入上位機所在的工業(yè)以太網(wǎng)[1]。其他所有現(xiàn)場設(shè)備都是通過無線自組織網(wǎng)絡和無線基站通信。車載機作為移動設(shè)備可以快速在無線基站間數(shù)據(jù)漫游?，F(xiàn)場道岔控制器和信號燈等非移動設(shè)備都可以作為無線路由中繼對無線數(shù)據(jù)進行路由，大量減少了設(shè)備使用量，減少了用戶投資。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)見圖2。

3 方案應用

本方案針對錫山公司220 m水平段設(shè)計運輸大巷全長5 500 m，共有架線機車14輛。為了保障運輸安全、提高調(diào)度指揮效率、增加經(jīng)濟效益，在井下安裝機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)，對進一步加強礦井的安全生產(chǎn)、提高運輸效率及企業(yè)信息化建設(shè)有著重要意義。

礦山軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)適用于地下開采等惡劣環(huán)境的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以在地面調(diào)度室設(shè)置一臺工控機作為服務器，在井下配一臺隔爆兼本安電腦由調(diào)度員進行調(diào)度操作[4]?，F(xiàn)場主要地段設(shè)置本安型攝像儀作為遠程監(jiān)視、聯(lián)系手段在主控室對井下機車運輸實現(xiàn)實時監(jiān)控和自動調(diào)度[5]。能實時顯示井下各機車的位置、軌道區(qū)域占用情況、信號燈運行狀態(tài)、岔道盤位置、機車編號、機車行駛方向等情況，自動實現(xiàn)巷道運輸線路的閉鎖，不允許雙向信號同時開放，保障機車安全運行。系統(tǒng)能及時反饋設(shè)備和各傳感器的工作狀態(tài)，自動診斷和報警，并記錄機車運行過程的數(shù)據(jù)，具有報警、自動記錄等功能。監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)岔道信號上傳并實現(xiàn)道岔的集中監(jiān)視和控制。

3.1 主要功能

1)精確定位顯示功能。①精確定位：定位相對精度小于3 m；②精確識別軌道：可以精確識別機車所走軌道，完全杜絕因軌道識別不準確而產(chǎn)生信號燈和道岔控制不正確的問題；③高速實時響應：設(shè)備狀態(tài)變化到上位機響應可在1 s內(nèi)完成。

2)可視化監(jiān)視功能。在計算機上以動畫、圖形、表格、漢字等形式實時顯示機車位置、車號、運行方向、運行速度以及井下各道岔位置和信號燈等運行狀態(tài)信息。

3)信號閉鎖功能。系統(tǒng)根據(jù)機車位置，自動、半自動或手動控制信號燈進行敵對進來信號閉鎖，有效指揮機車運行，提高運輸效率。

4)智能調(diào)度功能。系統(tǒng)軟件包含具有科學算法的智能調(diào)度模塊。分為全自動、半自動和手動模式。①全自動調(diào)度模式：在全自動調(diào)度模式下，調(diào)度模塊根據(jù)運輸計劃預先設(shè)定的運輸線路選擇需要的線路給機車，軟件具有行程進路自動沖突檢測功能，實現(xiàn)自動調(diào)度控制功能；②手動調(diào)度模式：進入手動調(diào)度狀態(tài)后，調(diào)度員可以遠程控制道岔、信號燈來開放或閉鎖運輸路線，實現(xiàn)遠程手動調(diào)度功能。

5)系統(tǒng)報警功能?？蓪崿F(xiàn)遠程超速報警、闖紅燈報警、道岔不到位報警及設(shè)備故障報警等功能，上位機以圖形提示報警并可進行報警報表查詢。

6)車聯(lián)網(wǎng)報警功能?，F(xiàn)場設(shè)備不通過上位機可以實現(xiàn)防追尾(需要配備無線尾燈)、防丟車(需要配備無線尾燈)、防超速、打點報警(需要配備無線發(fā)射器)、人車報站功能(車載系統(tǒng)增加聲光報警器)、彎道報警功能(需配備無線聲光報警器)、雙駕駛室機車雙車載機聯(lián)網(wǎng)等功能。

7)信息管理功能?？梢詫C車和車皮運行進行自動統(tǒng)計管理，有行車記錄及圖表，并能生成各種生產(chǎn)管理報表。

8)遠程控制功能。系統(tǒng)軟件可以下發(fā)命令到信號燈、道岔、車載機，對道岔具有遠程集中控制、司機遙控、手動及閉鎖控制方式。①集中控制：是由調(diào)度員在地面集控中心的主控微機的圖形上通過點擊道岔指揮機車運行；②司機遙控：為機車司機使用司機室的車載機遠距離遙控道岔動作；③手動控制：方式為現(xiàn)場人員可以就地操作道岔動作；④閉鎖控制：為上位機可以發(fā)送閉鎖命令給道岔設(shè)備，讓現(xiàn)場不能手動控制或遙控。

9)重演功能。能全天候24 h實時記錄系統(tǒng)運行情況，并能根據(jù)記錄的運行數(shù)據(jù)在顯示設(shè)備上重演規(guī)定時間內(nèi)的實際運行過程，為分析事故原因、改進調(diào)度策略提供根據(jù)，記錄存儲時間為1 a。

10)故障診斷與維護功能。系統(tǒng)能隨時反應系統(tǒng)設(shè)備和傳感器的工作狀態(tài)，能自動進行本系統(tǒng)的故障診斷并完成報警。

11)雙機備份功能。上位機可采用主備雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)運行的安全可靠性，當任一臺發(fā)生故障時，另一臺備用機可以起到主機的監(jiān)控作用。其中一臺可兼作為工程師站，允許遠程編輯、調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)。

12)集成聯(lián)網(wǎng)功能。系統(tǒng)具有OPC軟件功能，能平滑地接入自動化集中控制信息平臺，可直接采用IE瀏覽器瀏覽本系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。

13)車輛定位管理擴展功能。如果在關(guān)鍵軌道路口安裝車輛管理讀卡器，在每個車輛上安裝車皮信標，系統(tǒng)軟件可按位置、車號或車皮號、時間進行車皮定位查詢；生成運輸生產(chǎn)報表；實時監(jiān)控機車所帶載車皮信息。

14)LED屏信息發(fā)布擴展功能。井下關(guān)鍵路口或停車場接入LED信息發(fā)布屏到系統(tǒng)總線，上位機軟件可發(fā)布信息到LED屏。在系統(tǒng)軟件的信息發(fā)布界面輸入任何文字，就可以讓井下任何一個LED屏顯示想要的信息，顯示的同時還可同步發(fā)語音。

15)視頻監(jiān)控擴展功能。井下關(guān)鍵路口或停車場安裝本公司網(wǎng)絡攝像儀，可實現(xiàn)以系統(tǒng)主畫面為地理信息的視頻監(jiān)控功能。只要在主畫面中點擊需要查看的攝像儀圖標，就可以打開那個攝像儀的視頻畫面。

16)無人駕駛調(diào)度擴展功能。系統(tǒng)具有精確的機車定位及軌道識別能力，具有自動冗余的總線帶寬適應性和快速響應能力，加上基于科學算法的智能調(diào)度模塊，為后續(xù)無人駕駛調(diào)度功能擴展打下堅實的基礎(chǔ)。只要在每臺機車上增加無人駕駛子系統(tǒng)硬件模塊，不需要再增加其他通信設(shè)備就可以實現(xiàn)無人駕駛運輸調(diào)度功能，因此本系統(tǒng)具有后續(xù)的無人駕駛系統(tǒng)無縫擴展能力，并能有效減少二次投資。

3.2 其他功能

各硬件設(shè)備、系統(tǒng)線路自檢功能的查詢，歷史數(shù)據(jù)的顯示、查詢、報表、打印等等。

4 結(jié) 語

目前錫山公司沒有機車運輸監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，機車行駛主要依靠人工控制，車輛行駛情況沒有統(tǒng)一調(diào)度，自制的信號裝置功能不全，各運輸區(qū)間之間幾乎沒有閉鎖，這種單靠人工控制的機車運行方式存在很大的安全隱患，不能保證機車的安全運行。

如果引進該系統(tǒng)并建立完成后，將能夠?qū)崿F(xiàn)井下機車精確定位顯示功能、可視化監(jiān)視功能、信號閉鎖功能、智能調(diào)度功能、系統(tǒng)報警功能、車皮計數(shù)管理、道岔自動運行、彎道報警、LED屏信息發(fā)布、機車防追尾等功能。從而保證調(diào)度員可以迅速、準確、及時地指揮站內(nèi)接發(fā)車和調(diào)車，保障行車安全，提高機車作業(yè)效率，提高運輸線路通過能力。為了保障運輸安全、提高生產(chǎn)效率、增加經(jīng)濟效益，在主要運輸大巷安裝礦用機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)，對進一步加強礦山安全和建設(shè)數(shù)字化企業(yè)具有重要意義，為企業(yè)的發(fā)展保駕護航。