矿用胶轮车调度系统设计

王 斌

（晋能控股集团阳泉煤炭事业部阳泉新瑞昌机械有限公司， 山西 阳泉 045000）

引言

矿用无轨胶轮车是煤矿重要的辅助运输装备，具有调度灵活、运输成本低、维修方便的特点。随着煤矿井下无轨胶轮车投入运行数量的不断增加，由胶轮车引发的井下安全事故不断增多，特别是在巷道狭窄、光线昏暗、转弯处、三岔口、斜坡等关键点处容易发生拥堵，严重时甚至引发井下安全交通事故。为提升煤矿井下无轨胶轮车运行效率，保障无轨胶轮车安全、稳定运行，亟需设计并开发一套矿用无轨胶轮车调度系统[1]。该系统能够使胶轮车运输灵活，按照信号灯统一行使，关键点合理调度，防止出现拥堵和安全事故；合理分配胶轮车资源，在地面及时掌握井下胶轮车运行状态，达到降本增效的目的。国外学者对矿用胶轮车调度系统的研究较早，如20 世纪70 年代德国Blumenthaler 煤矿将胶轮车监控系统投入使用，并实现了车辆自主调度。美国JOY 研发的车辆调度系统可记录胶轮车上下井时间及行驶轨迹，当胶轮车偏离预定轨迹后，调度系统会发出报警，极大地提高了胶轮车运行的安全性[2-4]。国内学者基于单板机、多机网络通信控制器、WinCC 等设计了胶轮车调度系统，但还存在胶轮车数据不完整、运行效率不高、调度策略不合理、安全事故频发等问题[5-6]。本文针对现有胶轮车调度系统存在问题，设计基于无线传输的矿用胶轮车调度系统，实现胶轮车的监控、定位和自动控制。

1 整体结构设计

矿用胶轮车调度系统整体结构设计如图1 所示，其由地面、井下两部分系统组成，地面系统的主站控制器为控制核心，负责接收井下胶轮车运行时的全部信息，并完成数据存储、数据备份、数据终端显示及大屏显示；同时，将地面控制指令经核心交换机后下发至各控制分站。井下系统由核心交换机、1～n 号交换机、1～n 号控制分站及井下胶轮车组成。可将1 号控制分站及在该分站无线覆盖范围内的胶轮车看作一个节点，在该节点内布置摄像仪、语音报警、信号灯、检测节点等设备，获取该节点内胶轮车视频信息并上传至对应的交换机；控制分站根据路况、运行优先级控制信号灯，使得该节点内的胶轮车有序运行，当发生故障或者行进过程中需要语音提示时，触发语音报警[7]。在胶轮车车身安装车速、油温、油压、位移等传感器，实时监测胶轮车运行状态；安装的未知节点周期性地向无线基站发送车辆信息；安装的车辆信息监测仪监测各传感器数据是否在设定的阈值范围内，当超出阈值时，发出故障报警信号。

图1 矿用胶轮车调度系统整体设计框图

2 硬件设计

矿用胶轮车调度系统的核心硬件主要包括主站控制器、交换机、车辆监测仪、未知节点、检测节点及分站控制器等。主站控制器选用研华610-H/L，该设备数据处理实时性好、稳定性高，可在煤矿井下恶劣环境中长时间稳定工作。该设备支持TCP/IP、CAN、RS485 等通信方式，有丰富的I/O 接口，可满足矿用胶轮车调度系统要求。交换机选用本质安全型KJJ18 核心交换机，支持TCP/IP、CAN、RS485 通信，可提供4 路千兆TCP/IP 接口、1 路RS485 接口、1 路CAN 总线通信接口，符合IEEE802.3 协议，支持令牌网、环形网结构。车辆信息监测仪选用YE0.3/24 保护监测仪，可监测的转速范围为0～5 000 r/min，温度检测范围为0～160 ℃，瓦斯检测范围为0.00～4.00%，车速监测范围为0～150 km/h；该模块的供电电压为DC24V[8-9]。未知节点及检测节点选用TC3390+RSSI 模块，该模块核心芯片采用TC3390，支持Wi-Fi 无线通信，具有功耗低、灵敏度好、抗干扰能力强的特点[10]。该模块支持RSSI 定位算法，其中未知节点安装在胶轮车车体，周期性地向无线基站发送车辆信息；检测节点安装于巷道煤壁固定未知，接收车载监测仪发送的数据，同时将数据转发给井下分站控制器。分站控制器需完成胶轮车定位并与主站完成信息交互及控制信号灯，选用西门子S7-200SMART PLC 控制器，该控制器支持RS485、CAN 总线通信，可同时处理多路信息并完成数据交互，可根据功能要求扩展数字量、模拟量及通信接口模块。

3 软件设计

3.1 安全行车规则

矿用无轨胶轮车行驶于宽巷道中时，需遵循“红灯停、绿灯行”规则靠右行驶，不得停车、不得掉头，跟车距离需保持在50 m 以上，载物车速不超过40 km/h，载人车速不超过30 km/h，上下坡车速不超过15 km/h，起步或者倒车时需鸣笛示意，经过拐弯、上下坡时需鸣笛通过。矿用无轨胶轮车行驶于窄巷道时，还需特别遵循靠中间行驶的原则，载物车速不超过30 km/h，载人车速不超过20 km/h，上下坡车速不超过10 km/h；区间内严格限制车辆数目；不允许在该区间内倒车、调头。矿用无轨胶轮车行驶于三岔巷道中时，还需特别遵循该区段最多只允许一辆车行驶的原则，需根据下一巷道结构调整行车状态，严格按照信号指示灯行驶，必要时驶入避车室内。

3.2 车辆行驶方向判定

胶轮车行驶的巷道内安装有检测节点，车辆经过时，会被多个检测节点检测到，定义信号强度分别为RSSIn1、RSSIn2、RSSInm，筛选出信号强度最强的两个节点，定义为RSSIn1、RSSIn2，则表明车辆在该两个检测节点区间内。定义信号强度强为1，信号强度弱为-1，则当RSSIn1=-1 且RSSIn2=1 时，车辆向检测节点n2方向行驶；当且时，车辆停止；当且时，车辆停止；当且时，车辆向检测节点n1方向行驶。

3.3 车辆进出区间判定

车辆进出区间判定的目的是确认当前时刻在本区间内胶轮车的数量，定义检测节点检测到的信号最强的两个节点为Xi、Yj，其中X、Y 表示区间名称，i、j 表示车辆在该区间内的编号。定义R 为判断条件，则R=X-Y，当R=0 时，则表示两个节点在同一行车区间，胶轮车在该区间内；当R≠0 时，则表示两个节点不在同一行车区间，胶轮车处于避车区间。

3.4 车辆调度策略

矿用胶轮车调度策略即控制车辆的行驶或者停车，需在安全行车的前提下，综合考虑巷道类型、区间内车辆的数量、行驶方向等。调度整体流程如图2所示，依次步骤为：提取行车区间编号、根据编号判断区间巷道类型、调用相应巷道类型的控制程序、得出车辆控制流程。

图2 矿用胶轮车调度整体流程

矿用胶轮车调度策略分为直线宽巷道、直线窄巷道、三岔巷道三种情形。定义胶轮车最长车身长度为lmax，两车之间的安全距离为ds，则一辆胶轮车在巷道内的总长lmaxs可表示为lmaxs=lmax+ds。定义车辆行驶的巷道总长为L，则该区间巷道最大可容纳的胶轮车数量nmax可表示为nmax=L/lmaxs。实际调度过程中，控制策略需根据车辆进入或者驶出该区间的特征，分析在该区间内可容纳的车辆数目Q 进行车辆调度，定义Q=nmax-n。当Q＞0 时，表示该区间可驶入新的车辆，信号灯为绿；当Q=0 时，表示该区间车辆数据达到最大，不可驶入，信号灯为红。定义车辆之间的安全距离为dS，实际距离为d，则车距条件S 可表示为S=d-dS。当S＞0 时，表示实际运行车辆距离大于安全距离；当S＜0 时，表示实际运行车辆距离小于安全距离，应减速慢行。针对直线窄巷道、三岔巷道车辆调度控制流程如下页图3、图4 所示。

图3 直线窄巷道调度控制

图4 三岔巷道调度控制

4 结语

设计并实现的矿用胶轮车调度系统，有效解决了煤矿辅助运输运行效率低下、故障较高的问题，为煤矿井下安全生产提供了有力保障。现场实际应用表明，该调度系统运行稳定、可靠、高效，显著提升了煤矿辅助运输系统的管理水平。