劉 毅，王帥龍，沈博源，陳浩浩

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

煤炭是我國的主要能源，礦井軌道運輸是煤炭生產(chǎn)的重要運輸方式，軌道運輸列車受物料等異物灑落、超速、追尾、及其他人為因素影響，易發(fā)生掉車、脫軌等事故，一旦發(fā)生安全事故，不僅給列車本身帶來了損壞，更威脅到了工作人員的生命健康，也嚴(yán)重影響礦井運輸?shù)男屎兔旱V的正常運營?，F(xiàn)有煤礦井下列車安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以沿軌道安裝的各類開關(guān)傳感器為主，這種方法所需傳感器數(shù)量多，建設(shè)成本高，不易維護(hù)，維護(hù)成本高。列車自身安裝的傳感器一般只能監(jiān)測牽引機車的運行狀態(tài)，無法監(jiān)測整個列車的運行狀態(tài)。所以急切需要一種成本低，工程實施簡單，可準(zhǔn)確對礦井軌道運輸列車整體的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確有效地對掉車、脫軌等事故隱患進(jìn)行預(yù)警和報警的方法與系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于延時數(shù)據(jù)監(jiān)測的礦井軌道運輸感知系統(tǒng)，主要包括速度檢測單元、列車檢測單元、無線通信網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控終端。

所述速度檢測單元部署在礦井運輸軌道周邊，包括位置開關(guān)、測速模塊、數(shù)據(jù)處理器A，位置開關(guān)、測速模塊通過電纜連接數(shù)據(jù)處理器A；所述位置開關(guān)靠近安裝軌道安裝，用于監(jiān)測列車的位置；所述測速模塊安裝在軌道上方的頂板或支架上，用于測量列車的行駛速度；所述光通信發(fā)送模塊臨近測速模塊安裝，用于發(fā)送包括列車的行駛速度數(shù)據(jù)的光信號。

所述列車檢測單元部署在列車上，包括光通信接收模塊、加速度測量組、數(shù)據(jù)處理器B和聲光報警模塊，無線通信模塊；所述光通信接收模塊安裝在列車的車頭位置，用于接收光信號，獲取列車行駛速度數(shù)據(jù)，通過有線或無線通信方式連接數(shù)據(jù)處理器B進(jìn)行通信。所述加速度測量組包括至少兩個加速度傳感器，傳感器1和傳感器M，分別安裝在列車的牽引機車車頭和車位位置，加速度傳感器通過有線或無線通信方式連接數(shù)據(jù)處理器B進(jìn)行通信。所述數(shù)據(jù)處理器B負(fù)責(zé)處理加速度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)，通過車頭和車尾的加速度數(shù)據(jù)判定列車行駛狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常則控制聲光報警單元發(fā)出聲光報警信號，并控制無線通信模塊通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控終端發(fā)送報警信息。

1.2 工作過程

系統(tǒng)檢測列車行駛狀態(tài)的工作過程為：

（1）列車行駛中觸發(fā)位置開關(guān)，數(shù)據(jù)處理器A接收開關(guān)信號。

（2）數(shù)據(jù)處理器A控制測速模塊對列車行駛速度進(jìn)行測量。

（3）數(shù)據(jù)處理器A控制光通信發(fā)送模塊發(fā)送包括列車的行駛速度的光信號。

（4）數(shù)據(jù)處理器B通過光通信接收模塊接收光信號，獲取列車行駛速度數(shù)據(jù)ν。

（5）數(shù)據(jù)處理器B以采樣頻率f連續(xù)采集加速度傳感器的加速度數(shù)據(jù)S秒為傳感器1和傳感器M的直線距離，f為設(shè)定值。

（6）數(shù)據(jù)處理器B參考列車行駛速度，通過車頭和車尾的加速度數(shù)據(jù)判定列車行駛狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)滿足預(yù)警條件，則控制聲光報警單元發(fā)出聲光報警信號，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)滿足報警條件，則控制列車緊急制動停車。

2 系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)

基于延時數(shù)據(jù)監(jiān)測的礦井軌道運輸感知系統(tǒng)實施如圖1所示，系統(tǒng)包括：

圖1 基于延時數(shù)據(jù)監(jiān)測的礦井軌道運輸感知系統(tǒng)示意圖

（1）數(shù)據(jù)處理器B（101），數(shù)據(jù)處理器B負(fù)責(zé)處理加速度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)，通過車頭和車尾的加速度數(shù)據(jù)判定列車行駛狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常則控制聲光報警單元發(fā)出聲光報警信號，并控制無線通信模塊通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控終端發(fā)送報警信息。數(shù)據(jù)處理器B可采用可編程控制器或以單片機為核心處理芯片并帶有完整外圍輔助電路的裝置，本示例采用可編程控制器。

（2）光通信接收模塊（102），光通信接收模塊安裝在列車的車頭位置，用于接收光信號，獲取列車行駛速度數(shù)據(jù)，通過有線或無線通信方式連接數(shù)據(jù)處理器B進(jìn)行通信。光通信接收模塊采用以光敏二級管為核心元件，并具有放大電路和濾波電路的裝置。

（3）傳感器1（103），傳感器1通過有線或無線通信方式連接數(shù)據(jù)處理器B進(jìn)行通信，采用以三軸加速度傳感器為核心元件，且具有完整輔助電路和有線或無線通信功能的模塊。傳感器1安裝在列車的牽引機車車頭位置，平行于列車的車廂底板平面安裝，z軸垂直于列車車廂底板平面，x軸平行于列車行駛方向。

（4）傳感器M（104），傳感器M通過有線或無線通信方式連接數(shù)據(jù)處理器B進(jìn)行通信，采用以三軸加速度傳感器為核心元件，且具有完整輔助電路和有線或無線通信功能的模塊。傳感器M安裝在列車的牽引機車尾部，平行于列車的車廂底板平面安裝，z軸垂直于列車車廂底板平面，x軸平行于列車行駛方向。

（5）無線通信模塊（105），無線通信模塊為無線通信網(wǎng)絡(luò)的移動通信終端設(shè)備，用于列車與井上監(jiān)控終端通信。

（6）聲光報警模塊（106），具有聲光報警功能，受數(shù)據(jù)處理器B（101）控制進(jìn)行聲光報警。

（7）位置開關(guān)（107），位置開關(guān)可采用紅外接近感應(yīng)開關(guān)、紅外對射感應(yīng)開關(guān)或行程開關(guān)，本示例采用紅外接近感應(yīng)開關(guān)，靠近軌道安裝。

（8）測速模塊（108），本示例測速模塊采用多普勒測速模塊，通過電纜連接數(shù)據(jù)處理器A，測速數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理器A根據(jù)多普勒測速模塊產(chǎn)生脈沖頻率計算得到。

（9）光通信發(fā)送模塊（109），光通信發(fā)送模塊負(fù)責(zé)發(fā)送包括列車的行駛速度數(shù)據(jù)的光信號，采用以發(fā)光二級管為核心元件的模塊。

（10）數(shù)據(jù)處理器A（110），數(shù)據(jù)處理器A負(fù)責(zé)根據(jù)位置開關(guān)的脈沖信號驅(qū)動測速模塊進(jìn)行測速，并控制光通信發(fā)送模塊發(fā)送包括列車的行駛速度數(shù)據(jù)的光信號。數(shù)據(jù)處理器B可采用可編程控制器或以單片機為核心處理芯片并帶有完整外圍輔助電路的裝置，本示例采用以單片機為核心的裝置。

（11）無線通信基站（111），是無線通信網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)備，負(fù)責(zé)包括無線通信模塊（105）在內(nèi)的移動通信終端設(shè)備的無線接入通信，與井下交換機（112）通過有線方式連接通信。

（12）井下交換機（112），是有線通信網(wǎng)絡(luò)的井下交換設(shè)備，負(fù)責(zé)井下有線通信設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，多個井下交換機可組成礦用數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)，通過通信線纜連接核心交換機（113）。

（13）核心交換機（113），是有線通信網(wǎng)絡(luò)的核心交換設(shè)備，負(fù)責(zé)有線通信網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

（14）監(jiān)控終端（114），負(fù)責(zé)顯示礦井軌道運輸列車的運行狀態(tài)，為系統(tǒng)使用人員提供人機管理界面和接口。監(jiān)控終端具有聲光報警功能，當(dāng)接收到列車異常的預(yù)警或報警信息，則聲光報警。

3 監(jiān)測具體流程

基于延時數(shù)據(jù)監(jiān)測的礦井軌道運輸感知系統(tǒng)監(jiān)測流程如圖2所示：

圖2 基于延時數(shù)據(jù)監(jiān)測的礦井軌道運輸感知系統(tǒng)監(jiān)測流程圖

（1）數(shù)據(jù)處理器A檢測位置開關(guān)信號，如有信號輸入則執(zhí)行步驟2，否則繼續(xù)檢測。

（2）數(shù)據(jù)處理器A控制測速模塊對列車行駛速度進(jìn)行測量。

（3）數(shù)據(jù)處理器A控制光通信發(fā)送模塊發(fā)送包括列車的行駛速度的光信號。

（4）數(shù)據(jù)處理器B通過光通信接收模塊接收光信號，獲取列車行駛速度數(shù)據(jù)ν。

（5）數(shù)據(jù)處理器B連續(xù)采集加速度傳感器的加速度數(shù)據(jù)。

（6）數(shù)據(jù)處理器B參考列車行駛速度，對車頭和車尾的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（7）根據(jù)步驟6的數(shù)據(jù)處理結(jié)果判定是否滿足報警條件，如滿足則執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟9。

（8）數(shù)據(jù)處理器B控制列車緊急制動。

（9）根據(jù)步驟6的數(shù)據(jù)處理結(jié)果判定是否滿足預(yù)警條件，如滿足則執(zhí)行步驟10，否則返回步驟1繼續(xù)檢測。

（10）數(shù)據(jù)處理器B控制聲光報警模塊發(fā)出聲光報警信號。

（11）數(shù)據(jù)處理器B控制無線通信模塊發(fā)出列車報警信息。

（12）列車報警信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控終端，監(jiān)控終端顯示報警信息并聲光報警。

根據(jù)以上流程所述，系統(tǒng)監(jiān)測列車的次數(shù)與系統(tǒng)速度檢測單元部署密度相關(guān)，要提高監(jiān)測實時性則需增加速度檢測單元數(shù)量，增加速度檢測單元數(shù)量，則會增加系統(tǒng)硬件和維護(hù)成本。為解決這一矛盾問題，需列車檢測單元具有自主速度檢測能力和監(jiān)測自主觸發(fā)能力，不完全依靠速度檢測單元。因此，可在列車上增加通過檢查車輪轉(zhuǎn)速的速度傳感器，并在數(shù)據(jù)處理器B設(shè)置定時器，自動定時啟動監(jiān)測流程，進(jìn)一步保證系統(tǒng)實時性。此外可在列車中部每個車廂安裝了加速度傳感器，所述傳感器安裝方法與（103）、（104）相同，可進(jìn)一步保證系統(tǒng)監(jiān)測的精度和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)設(shè)計了一種基于延時數(shù)據(jù)監(jiān)測的礦井軌道運輸感知系統(tǒng)，用于對礦井軌道運輸列車整體運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。本系統(tǒng)設(shè)計核心組成部分為2個加速度傳感器，通過這2個設(shè)備可實現(xiàn)礦井列車整體運行狀態(tài)監(jiān)測所需數(shù)據(jù)的采集，通過對采集的延時數(shù)據(jù)的處理，可實現(xiàn)對列車整車縱向和橫向的異常變化的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果可靠，易于工程實施。本系統(tǒng)可結(jié)合井下無線定位技術(shù)和系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，提高系統(tǒng)的實時性，限于篇幅，本文不再對具體方案進(jìn)行贅述。