段昌盛,高祖彥

(恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

煤礦工作面中開采獲得的煤炭資源,需要利用運(yùn)輸工具將其運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。無軌膠輪車以運(yùn)輸效率高、成本低等優(yōu)勢在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,已經(jīng)成為礦井中重要的輔助運(yùn)輸裝備[1]。但無軌膠輪車實(shí)際操作時(shí)存在一定的缺陷,比如礦井巷道比較狹窄、光線不好、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,車輛行駛過程中容易出現(xiàn)交通堵塞問題,嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)交通事故,造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[2]。如何保證無軌膠輪車的行駛安全,是使用該類型運(yùn)輸裝備時(shí)需要考慮的重點(diǎn)問題[3]。為了提升無軌膠輪車的運(yùn)行安全性,成中華[4]以礦用防爆無軌膠輪車為研究對象,設(shè)計(jì)了安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng),可以對車輛運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測;韓鵬海[5]研究了煤礦無軌膠輪車的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。但是利用監(jiān)控系統(tǒng)只能對單個(gè)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,礦井中通常同時(shí)存在多輛車輛運(yùn)行,如何保證車輛之間不發(fā)生碰撞,需要通過車輛調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。使用傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng),難以滿足實(shí)際使用要求?；诖?有必要結(jié)合礦井實(shí)際情況設(shè)計(jì)無軌膠輪車的調(diào)度系統(tǒng),利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測井下所有無軌膠輪車的位置,并對車輛的行駛過程進(jìn)行調(diào)度[6]。不僅能在一定程度上提升車輛的行駛效率,從而提升運(yùn)輸效率,同時(shí)還能保障井下車輛的行駛安全。

1 調(diào)度系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知,整個(gè)系統(tǒng)可以分為2大部分,分別為井上部分和井下部分,后者是系統(tǒng)的核心部分。井下部分設(shè)置有多個(gè)控制分站,在礦井中每間隔一定距離需要設(shè)置一個(gè)控制分站,控制分站數(shù)量視礦井結(jié)構(gòu)及其大小確定。每個(gè)控制分站具有相同的硬件設(shè)施,控制分站主要包括傳感器、信號燈、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、檢測節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測基站、工業(yè)攝像頭等部分。利用傳感器可以實(shí)時(shí)檢測無軌膠輪車的工作狀態(tài),利用檢測節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以獲取無軌膠輪車的位置基礎(chǔ)信息,檢測的信息通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上傳至控制分站中?？刂品终緦囕v的行駛狀態(tài)及其位置進(jìn)行分析,同時(shí)根據(jù)設(shè)置的調(diào)度策略,判斷車輛是否可以進(jìn)入下一個(gè)行駛區(qū)間,利用信號燈指導(dǎo)車輛行駛。井上部分主要包括主站控制器、工控機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、終端顯示器、監(jiān)控大屏、打印機(jī)等部分。井下所有控制分站均與主站控制器進(jìn)行連接,主站控制器綜合分析礦井所有車輛信息和礦井結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對井下信號燈進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)井下車輛的整體調(diào)度。利用數(shù)據(jù)服務(wù)器可以對所有車輛的軌跡信息及狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ),并在屏幕上進(jìn)行顯示,工作人員可以實(shí)時(shí)了解并掌握井下車輛的狀態(tài)信息和行駛軌跡[7]。

圖1 無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框Fig.1 Overall structure block diagram of the trackless rubber-tyred vehicle dispatching system

2 無軌膠輪車定位原理及調(diào)度策略

2.1 定位原理

(1)測距原理。根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)的整體方案,無軌膠輪車上設(shè)置有移動(dòng)節(jié)點(diǎn),煤礦巷道上設(shè)置有檢測節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)跟隨無軌膠輪車移動(dòng),同時(shí)以一定的頻率向外發(fā)射無線信號。信號可以被附近的檢測節(jié)點(diǎn)接收,接收到的信號強(qiáng)度與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和檢測節(jié)點(diǎn)之間的距離存在緊密聯(lián)系,距離越近則接收到的信號越強(qiáng),距離越遠(yuǎn)則接收到的信號越弱。根據(jù)此特征可以分析無軌膠輪車與檢測節(jié)點(diǎn)之間的距離[6]。基于此原理進(jìn)行測距的方法稱之為RSSI(Received Signal Strength Indicator)測距。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與檢測節(jié)點(diǎn)之間距離對信號強(qiáng)度的影響規(guī)律公式為:RSSI=-(10nlgd+A)。其中,RSSI為描述信號強(qiáng)度的數(shù)值;n和A為與現(xiàn)場環(huán)境有關(guān)的常數(shù),需要根據(jù)現(xiàn)場情況測試后確定其數(shù)值;d為2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。

(2)定位原理。利用1個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)只能測量其與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離,無法確定其方位,要想精確定位無軌膠輪車的坐標(biāo),至少需要3個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)[7]。本研究基于三角質(zhì)心定位原理確定無軌膠輪車的位置,三角質(zhì)心定位原理如圖2所示。圖2中,A、B、C分別為檢測節(jié)點(diǎn)的位置,d1、d2、d3分別為3個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)與無軌膠輪車之間的距離,3個(gè)圓圈分別為針對單個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)而言,無軌膠輪車可能的位置。理論上,3個(gè)圓應(yīng)該交匯于一點(diǎn),該點(diǎn)就是無軌膠輪車的準(zhǔn)確位置。實(shí)際上,受測量精度影響,3個(gè)圓圈難以交匯于一點(diǎn),會(huì)形成如圖2所示的局面,即3個(gè)圓有一個(gè)疊加區(qū)域LMN。本研究將三角形LMN的質(zhì)心作為無軌膠輪車的實(shí)際位置。雖然會(huì)存在一定的誤差,但誤差相對較小,可以滿足實(shí)際使用需要。

圖2 三角質(zhì)心定位原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of triangular centroid positioning

(3)定位程序。無軌膠輪車的主要定位程序如圖3所示。此程序由控制分站控制器執(zhí)行。程序開始運(yùn)行后,首先查詢是否有檢測節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù),如果有檢測節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù),判斷是否有3個(gè)及以上檢測節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。若有3個(gè)及以上節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),則選擇3個(gè)RSSI值最大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)獲得的RSSI值對照數(shù)據(jù)庫,將其轉(zhuǎn)換成為距離信息,根據(jù)檢測節(jié)點(diǎn)編號獲得其位置坐標(biāo)。基于三角質(zhì)心定位原理對無軌膠輪車的位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,獲得車輛位置信息,自此整個(gè)過程結(jié)束。

圖3 無軌膠輪車的主要定位程序Fig.3 Main positioning procedures for trackless rubber-tired vehicles

2.2 調(diào)度策略

(1)信號燈及檢測節(jié)點(diǎn)布置。無軌膠輪車在礦井中運(yùn)行時(shí),可能遇到的情況可以分為3種類型[8]:①直行寬巷道;②直行窄巷道;③三岔巷道。其中,第3種情況比較復(fù)雜,本文以三岔巷道為例介紹信號燈及檢測節(jié)點(diǎn)的布置情況。三岔路口信號燈及檢測節(jié)點(diǎn)布置情況如圖4所示。三岔巷道每個(gè)方向都可能有車輛行駛,且為雙向行駛,所以需要在每個(gè)岔路口設(shè)置信號燈和避車室,信號燈能夠指示車輛的行駛方向,向上、向左和向右箭頭分別為直行、左拐和右拐。信號燈1設(shè)置在避車室右側(cè),作用是指示對向來車的前行和左拐;信號燈2設(shè)置在避車室左側(cè),作用是指示對向來車的直行和右拐;信號燈3設(shè)置在避車室右側(cè),作用是對岔道方向行駛車輛進(jìn)行控制,指示其左拐和右拐。檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)置方面,在3個(gè)避車室的兩邊分別設(shè)置有檢測節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)按照間隔50 m的方案進(jìn)行設(shè)置。

圖4 三岔路口信號燈及檢測節(jié)點(diǎn)布置情況Fig.4 Layout of signal lights and detection nodes at trident intersections

(2)車輛調(diào)度策略。為保證行車安全,系統(tǒng)將無軌膠輪車行駛路線劃分成為不同的區(qū)間,每個(gè)區(qū)間長度為200 m,要求每個(gè)區(qū)間內(nèi)只能允許1輛車進(jìn)入。車輛調(diào)度就是控制車輛是否需要停車等待或者進(jìn)入避車室[9]。對每個(gè)行車區(qū)間進(jìn)行編號,且明確所處的環(huán)境,比如直行寬巷道、直行窄巷道、三岔巷道。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),根據(jù)車輛定位提取對應(yīng)行車區(qū)間編號,并明確巷道類型,進(jìn)而調(diào)取對應(yīng)的車輛調(diào)度程序,對附近的車輛進(jìn)行調(diào)度控制。同樣地,以三岔巷道的車輛調(diào)度基本過程為例進(jìn)行介紹?？紤]到三岔巷道部位行駛車輛較多且方向不確定,是事故高發(fā)點(diǎn),為確保三岔巷道區(qū)域的安全,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只允許1輛車同時(shí)經(jīng)過三岔巷道口,將三岔口單獨(dú)設(shè)置1個(gè)行車區(qū)間。若三岔巷道沒有車輛行駛,所有方向的信號燈全部為綠色,任何方向來車都能夠正常通過。當(dāng)有車輛正在通過三岔巷道口時(shí),3個(gè)信號燈全部變成紅色,禁止其他車輛駛?cè)?。三岔巷道車輛調(diào)度基本流程如圖5所示。由圖5可知,系統(tǒng)工作時(shí),首先判斷此行車區(qū)間內(nèi)是否有其他車輛,若有車輛就進(jìn)入避車室等待。若區(qū)間內(nèi)沒有車輛則還要判斷是否多向來車,若有多向來車,需分析車輛優(yōu)先級,優(yōu)先級較高的車輛優(yōu)先通過路口,優(yōu)先級較低的車輛進(jìn)入避車室等待。

圖5 三岔巷道車輛調(diào)度基本流程Fig.5 Basic flow chart of vehicle dispatching in trident roadways

3 主要設(shè)備選型設(shè)計(jì)

由于煤礦井下環(huán)境非常復(fù)雜,特別容易出現(xiàn)突發(fā)情況,所以在選擇調(diào)度系統(tǒng)的硬件裝置時(shí),必須考慮這些情況,確保裝置在特殊情況下能夠保持穩(wěn)定工作[10]。另外,礦井瓦斯?jié)舛容^高,選擇的裝置必須具備防爆功能。以下對系統(tǒng)主要硬件裝置的選型進(jìn)行介紹。

3.1 井下控制分站處理器

對于無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)而言,井下控制分站處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心硬件,其性能好壞直接決定了調(diào)度系統(tǒng)的綜合性能?？刂品终咎幚砥鞯淖饔檬墙邮諅鞲衅鞯臄?shù)據(jù)信息,分析判斷車輛位置、行駛方向及其行駛狀態(tài)等。還需要與主站控制器進(jìn)行連接,接受后者的指令,對分站內(nèi)的信號燈進(jìn)行控制[11-14]。當(dāng)前階段,工業(yè)領(lǐng)域使用的控制器主要分為2種類型,分別為PLC和單片機(jī)。在綜合考慮礦井工作環(huán)境及設(shè)備性能的基礎(chǔ)上,本系統(tǒng)選用的是PLC控制器,此類型控制器具有更好的穩(wěn)定性,具體型號為西門子的S7-200型PLC控制器。S7-200型PLC控制器在工業(yè)領(lǐng)域具有很好的通用性,編程比較便捷,能夠適應(yīng)不同的工況環(huán)境且穩(wěn)定性良好。擁有較多的I/O接口,能同時(shí)與多個(gè)硬件裝置進(jìn)行連接,并對多路信息進(jìn)行處理,提升信息處理速度,保證控制器性能。CPU模塊上擁有工業(yè)以太網(wǎng)以及RS-485串口通信接口,可通過多種網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。具備信號板拓展功能,可以結(jié)合實(shí)際情況添加通信模塊,進(jìn)一步豐富通信功能。

3.2 車輛定位模塊

無軌膠輪車定位模塊主要包含2種硬件裝置,分別為檢測節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。檢測節(jié)點(diǎn)安裝在煤礦巷道上,除關(guān)鍵位置必須設(shè)置檢測節(jié)點(diǎn)外,相鄰檢測節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為50 m。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)安裝在無軌膠輪車上,隨車輛一起運(yùn)動(dòng),其位置坐標(biāo)與無軌膠輪車相同。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)會(huì)不斷地向周圍發(fā)射信號,包括溫度、行駛速度、ID編號等。巷道上的檢測節(jié)點(diǎn)可以接收信號,并分析信號強(qiáng)度值,即RSSI值。檢測節(jié)點(diǎn)將接收到的信號數(shù)據(jù)及其RSSI值上傳至控制分站的PLC控制器中。系統(tǒng)中檢測節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間基于ZigBee無線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,選用的定位模塊核心板塊芯片為CC2530。此型號芯片內(nèi)置了RF收發(fā)器,具備信號發(fā)射和接收功能。CPU型號為增強(qiáng)型8051 CPU,SMAR的大小為8 KB。已有的應(yīng)用實(shí)踐表明,CC2530芯片具有很好的抗干擾能力,靈敏度較高,運(yùn)行時(shí)功耗較低,RF無線收發(fā)器的工作頻率為2.4 GHz。

無軌膠輪車定位模塊通信過程如圖6所示。

圖6 無軌膠輪車定位模塊通信過程示意Fig.6 Schematic diagram of communication process for positioning module of trackless rubber-tired vehicles

車載發(fā)射裝置和檢測節(jié)點(diǎn)接收裝置中使用的芯片全部為CC2530,兩者之間基于ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和檢測節(jié)點(diǎn)均設(shè)置有唯一的ID編號,通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)ID編號可確定與之配套的無軌膠輪車。檢測節(jié)點(diǎn)與控制分站之間基于RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將接收到的信號及信號強(qiáng)度值上傳至控制分站中進(jìn)行分析,以確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

3.3 車輛信息監(jiān)測模塊

由于礦井環(huán)境比較特殊,為了保證無軌膠輪車在井下的行駛安全,需要對車輛行駛狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包括油溫、油壓、車速以及環(huán)境瓦斯?jié)舛?。一旦上述關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)超過了系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值,系統(tǒng)會(huì)立即向外發(fā)出報(bào)警信息,提醒司機(jī)及監(jiān)控人員及時(shí)進(jìn)行處理,避免小問題引發(fā)嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。系統(tǒng)中使用的監(jiān)測模塊型號為YE0.3/24柴油機(jī)車保護(hù)監(jiān)控儀。此型號設(shè)備滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,可以對無軌膠輪車運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)。該儀器正常工作時(shí)的電流和電壓分別為300 mA和DC 15～30 V,環(huán)境溫度宜在-20～80 ℃,可以測量的轉(zhuǎn)速范圍、溫度范圍、甲烷濃度范圍、車速范圍分別為0～5 000 r/min、0～160 ℃、0～4%、0～150 km/s。

3.4 交換機(jī)

交換機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)井上和井下的網(wǎng)絡(luò)連接,提升長距離網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文中使用的交換機(jī)型號為KJJ18,屬于礦用本質(zhì)安全型裝置,可以在環(huán)境復(fù)雜的礦井下穩(wěn)定工作。交換機(jī)共有10路接口,其中千兆以太網(wǎng)光纖接口數(shù)量為4路,百兆以太網(wǎng)光纖接口數(shù)量為4路,RS-485總線通信接口數(shù)量為1路。

3.5 控制主站

控制主站需要與井下所有的控制分站進(jìn)行連接,并接受分站上傳的數(shù)據(jù)信息。在對所有信息進(jìn)行綜合分析處理的基礎(chǔ)上,下達(dá)指令對井下的信號燈進(jìn)行控制,確保無軌膠輪車的安全運(yùn)行。系統(tǒng)中使用的主站控制器型號為610-H/L,此型號控制器不僅擁有豐富的I/O接口,方便與其他硬件裝置進(jìn)行連接拓展功能,也具有豐富的通信接口,可以進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485、RS-232等多種形式的通信。數(shù)據(jù)處理速度也較快,能滿足本系統(tǒng)的使用要求。

4 調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用分析

為了對無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析,根據(jù)上文的設(shè)計(jì)方案,將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中,并對系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了綜合測試,重點(diǎn)對車輛的定位精度進(jìn)行了分析。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度,測試時(shí)開展了10次實(shí)驗(yàn)工作,統(tǒng)計(jì)了10次實(shí)驗(yàn)的定位精度,無軌膠輪車定位誤差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況如圖7所示。由圖7可知,在10次實(shí)驗(yàn)工作中,定位誤差分布在0.32 ～ 0.98 m。雖然車輛定位存在一定的誤差,但是該誤差相對較小,不會(huì)影響車輛調(diào)度,完全能滿足本系統(tǒng)的實(shí)際使用要求。

圖7 無軌膠輪車定位誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of the positioning error of the trackless rubber-tired vehicles

完成調(diào)度系統(tǒng)的現(xiàn)場測試工作以后正式投入應(yīng)用,目前系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用時(shí)間有6個(gè)月左右。通過對系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期效果。系統(tǒng)可以對無軌膠輪車進(jìn)行精確定位,并結(jié)合礦井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對信號燈進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)車輛的有效調(diào)度。設(shè)置在井上的監(jiān)控大屏可以實(shí)時(shí)顯示井下無軌膠輪車的行駛軌跡,所有信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中,隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)取查詢。實(shí)踐操作中,若駕駛?cè)藛T不按照信號燈指示行駛,系統(tǒng)可以利用喇叭對其進(jìn)行提示,并記錄在案,可以作為工作人員考核的重要依據(jù)?？傊?設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用能顯著提升無軌膠輪車行駛安全,在系統(tǒng)使用的6個(gè)月內(nèi),煤礦中沒有出現(xiàn)無軌膠輪車碰撞事故,保證了煤礦的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

以煤礦領(lǐng)域使用的無軌膠輪車為研究對象,結(jié)合礦井實(shí)際設(shè)計(jì)了車輛的調(diào)度系統(tǒng),將其部署到實(shí)踐中,達(dá)到了預(yù)期效果。

(1)系統(tǒng)整體分為2部分,即井上和井下部分,井下部分由多個(gè)控制分站構(gòu)成,作用是對車輛行駛數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集并判斷車輛位置,井上部分作用是對車輛進(jìn)行監(jiān)控并控制信號燈。

(2)基于三角質(zhì)心定位原理確定車輛位置坐標(biāo),在此基礎(chǔ)上利用信號燈對礦井中所有的無軌膠輪車進(jìn)行調(diào)度。

(3)通過現(xiàn)場測驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車輛定位精度可以控制在1 m內(nèi),在系統(tǒng)使用的6個(gè)月內(nèi),礦井沒有出現(xiàn)車輛碰撞安全事故,驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。