丁守坤

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著礦井綜合自動(dòng)化水平的提高，目前采、掘、運(yùn)、礦井提升等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度和保護(hù)功能已經(jīng)比較健全。但無軌輔助運(yùn)輸車輛綜合智能調(diào)度系統(tǒng)功能尚不完善，現(xiàn)有的煤礦調(diào)度系統(tǒng)尚未與車輛監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)、駕駛?cè)藛T識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，功能單一，無法對(duì)車輛的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集、上傳、分析，無法完全融入礦井綜合調(diào)度管理系統(tǒng)。大型礦井需要功能更加完善的煤礦井下車輛智能調(diào)度系統(tǒng)，以提高井下車輛的自動(dòng)化管理及運(yùn)營水平，經(jīng)綜合研究分析，設(shè)計(jì)了一種煤礦井下車輛信息化調(diào)度系統(tǒng)。

1 總體架構(gòu)

該煤礦井下車輛信息化調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用于神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦新掘2.8 km井筒、輔運(yùn)大巷(1-2/2-2煤層)約5.7 km段和地面車庫、地面廣場車輛行車范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)測和保護(hù)、行車視頻監(jiān)視、通話調(diào)度指揮、運(yùn)營管理統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)信息展示、發(fā)布和網(wǎng)絡(luò)共享等功能。

依據(jù)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖1所示。從系統(tǒng)組成設(shè)備的邏輯層級(jí)、物理空間布置以及功能實(shí)現(xiàn)等角度，系統(tǒng)分為工業(yè)現(xiàn)場前端設(shè)備、車載信息化設(shè)備、后臺(tái)設(shè)備和軟件應(yīng)用部署3個(gè)部分。

2 煤礦井下車輛信息化調(diào)度系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 車輛精確定位、信號(hào)控制

調(diào)度系統(tǒng)基于TOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛在其運(yùn)行區(qū)域范圍內(nèi)的識(shí)別和定位。每臺(tái)車輛均安裝定位標(biāo)識(shí)卡，并配置了唯一的車輛身份識(shí)別信息。井下車輛監(jiān)控調(diào)度基站安裝在巷道沿線，能夠?qū)Π霃?50 m內(nèi)的車輛標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行識(shí)別和測距，實(shí)現(xiàn)井下車輛的連續(xù)精確定位，定位精度小于4 m。在井下車輛運(yùn)行范圍的關(guān)鍵場所設(shè)置信號(hào)燈，信號(hào)燈就近接入監(jiān)控調(diào)度基站?；靖鶕?jù)控制邏輯進(jìn)行信號(hào)決策，直接控制信號(hào)燈，實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)控制。調(diào)度中心監(jiān)控調(diào)度軟件通過GIS技術(shù)實(shí)時(shí)顯示各區(qū)域信號(hào)燈狀態(tài)，調(diào)度員在必要時(shí)可以發(fā)送信號(hào)燈控制指令，實(shí)施人工干預(yù)[1-2]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在井下預(yù)先設(shè)計(jì)的固定位置安裝機(jī)車監(jiān)控調(diào)度基站對(duì)車輛進(jìn)行精確定位，基站接收車輛定位識(shí)別卡發(fā)送的數(shù)據(jù)，監(jiān)測車輛位置，并通過CAN總線傳送車輛位置信息?；咀詣?dòng)按照車輛類型、位置等信息并根據(jù)控制邏輯進(jìn)行信號(hào)決策，直接控制信號(hào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)控制，信號(hào)機(jī)控制結(jié)果通過CAN總線傳送。CAN總線信號(hào)通過基站中的網(wǎng)絡(luò)單元轉(zhuǎn)換為光纖網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，進(jìn)入礦井通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井下與地面的信息交互[3]。車輛精確定位與信號(hào)控制設(shè)備的連接關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 連接關(guān)系結(jié)構(gòu)

2.2 固定場所視頻監(jiān)控前端設(shè)備

調(diào)度系統(tǒng)在井口、井下交叉路口關(guān)鍵位置設(shè)置多臺(tái)隔爆兼本質(zhì)安全型攝像儀，在地面廣場布置多臺(tái)攝像儀，設(shè)備具有以太網(wǎng)光纖接口，接入礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。通過在PC機(jī)安裝網(wǎng)絡(luò)視頻客戶端軟件(iVMS-9600)，將視頻信息投射至井口調(diào)度室電視墻，實(shí)現(xiàn)24 h視頻監(jiān)控并存儲(chǔ)、監(jiān)視視頻圖像切換、人員闖入信息聯(lián)動(dòng)。視頻監(jiān)控前端設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)

2.3 車輛信息化裝置

調(diào)度系統(tǒng)為每臺(tái)車均配置車輛信息化裝置，用于實(shí)現(xiàn)車輛泊車輔助、車載視頻實(shí)時(shí)查看、行車安全輔助、車輛數(shù)據(jù)獲取與記錄、4G無線車輛數(shù)據(jù)通信以及4G無線車載音視頻調(diào)度通話等功能，通過提升車輛的信息化水平確保車輛運(yùn)行的安全性能。車輛信息化裝置的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車輛信息化裝置組成結(jié)構(gòu)

車輛信息化裝置具有CAN總線接口并連接至車載CAN總線，能夠獲取車輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。裝置具有4G無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，車輛能夠通過4G無線網(wǎng)絡(luò)通道與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(地面或井下)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。調(diào)度中心監(jiān)控調(diào)度軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測所有在線車輛的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)圖形化同步車輛駕駛室儀表，并且可以查看指定車輛的車載攝像儀實(shí)時(shí)行車視頻[4]。

車輛信息化裝置基于4G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度室與車輛、車輛與車輛之間的音、視頻通話。地面調(diào)度室配置了多媒體觸摸調(diào)度臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)電話會(huì)議、插話、終止等通話管理調(diào)度功能。

3 調(diào)度中心軟件應(yīng)用部署

系統(tǒng)軟件由基于C/S架構(gòu)的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)(圖5)和基于B/S架構(gòu)的運(yùn)營管理系統(tǒng)(圖6)兩部分組成，軟件系統(tǒng)間通過共享數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖5 基于C/S架構(gòu)的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)框架

圖6 基于B/S架構(gòu)的運(yùn)營管理系統(tǒng)框架

軟件系統(tǒng)在邏輯上分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、核心處理、核心應(yīng)用拓展應(yīng)用5個(gè)層級(jí)。數(shù)據(jù)采集層實(shí)現(xiàn)對(duì)定位調(diào)度基站、車輛等現(xiàn)場前端設(shè)備原始數(shù)據(jù)的采集獲?。粩?shù)據(jù)存儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)分類存放于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；核心處理層即基礎(chǔ)軟件層，將現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并進(jìn)行邏輯分析和業(yè)務(wù)處理；在核心應(yīng)用層，一方面實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心客戶端的監(jiān)控、調(diào)度及授權(quán)等功能，另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)分析和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等礦企應(yīng)用；最后，在拓展應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)布和查看[5]。

監(jiān)控調(diào)度軟件系統(tǒng)由調(diào)度員在調(diào)度室的專用工作站計(jì)算機(jī)上進(jìn)行查看和操作，可以實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測、車輛設(shè)備狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、行車信號(hào)監(jiān)控、車載視頻監(jiān)控、定點(diǎn)視頻監(jiān)控和音視頻通話指揮調(diào)度等功能。調(diào)度中心設(shè)有行車調(diào)度工作站、車輛監(jiān)控工作站、運(yùn)營管理工作站和視頻監(jiān)控工作站等。運(yùn)營管理軟件系統(tǒng)通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁的方式進(jìn)行查看和操作，調(diào)度室人員、車隊(duì)管理辦公室人員、車庫調(diào)度員及其他管理人員等可根據(jù)各自權(quán)限，在礦井辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行登錄操作，實(shí)現(xiàn)車輛管理、司機(jī)管理及運(yùn)營統(tǒng)計(jì)分析等功能。具體設(shè)置有車隊(duì)調(diào)度工作站、單車核算工作站、車輛點(diǎn)檢工作站和車隊(duì)辦公室工作站等。系統(tǒng)軟件通過OPC服務(wù)器對(duì)外發(fā)布系統(tǒng)運(yùn)行及管理數(shù)據(jù)，納入全礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一管理[6]。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1)巷道內(nèi)車輛精確定位技術(shù)。巷道內(nèi)車輛位置精準(zhǔn)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)車輛檢測和井下交通調(diào)度指揮的基礎(chǔ)，確保無線定位的測距高精準(zhǔn)度、方向判斷準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、切換快等性能指標(biāo)至關(guān)重要。由于無線電磁波在煤礦井下狹窄巷道內(nèi)傳輸過程中存在多徑干擾，導(dǎo)致信號(hào)衰減嚴(yán)重，影響測距的穩(wěn)定性和一致性。因此，在大覆蓋范圍內(nèi)，對(duì)多張車輛標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定位技術(shù)是研究的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

2)4G寬帶傳輸通道及其網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)外大量的數(shù)據(jù)、語音及視頻信息的交互，需要穩(wěn)定可靠的寬帶傳輸技術(shù)來保障。4G無線寬帶技術(shù)具有傳輸帶寬高(下行100 Mbit/s，上行50 Mbit/s)、延時(shí)短、容量大、覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)，接入礦井核心網(wǎng)(局域網(wǎng))涵蓋井下部分，無線移動(dòng)設(shè)備在地面使用時(shí)則要利用公網(wǎng)(運(yùn)營商提供)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。重點(diǎn)研究車輛在井下和地面運(yùn)行時(shí)的通信銜接(或漫游)問題。

3)車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測及4G無線傳輸技術(shù)。在煤礦井下巷道及其他具有4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與智能傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的運(yùn)行參數(shù)，借助礦井環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

4)系統(tǒng)軟件開發(fā)。綜合調(diào)度管理軟件是系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工作中的重要內(nèi)容和關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)涵蓋系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、并發(fā)運(yùn)算處理、遠(yuǎn)程控制、基于GIS的動(dòng)態(tài)集成顯示、業(yè)務(wù)應(yīng)用集成等多方面。設(shè)計(jì)上采用統(tǒng)一的架構(gòu)，使用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和服務(wù)接口，并具備高可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。軟件設(shè)計(jì)要解決大數(shù)據(jù)量的高速、穩(wěn)定采集，多并發(fā)運(yùn)算處理，設(shè)備遠(yuǎn)程控制的及時(shí)有效性等問題。利用GIS技術(shù)集成定位系統(tǒng)、車載參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)施動(dòng)態(tài)顯示各元素位置、狀態(tài)。

5)行車信號(hào)自動(dòng)控制技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)分析處理車輛類型、位置、區(qū)間占用等多重信息，自動(dòng)控制信號(hào)燈，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)自動(dòng)控制功能。

5 主要技術(shù)參數(shù)

1)系統(tǒng)容量(車輛)不小于500臺(tái)。

2)4G傳輸終端參數(shù)：

供電電源：DC16～48 V；

通信制式：TD-LTE或FDD-LTE；

頻率范圍：1 785～1 805 MHz；

傳輸速率：上行不小于50 Mbit/s,下行不小于100 Mbit/s；

終端接入時(shí)延：小于100 m；

CAN總線接口：1個(gè)，傳輸速率20 000 bit/s。

3)參數(shù)本地存儲(chǔ)時(shí)間不小于72 h。

4)車輛定位精度小于4 m。

5)車輛調(diào)度控制分站：

防爆型式：礦用本質(zhì)安全型；

供電電源：額定電源DC15 V(±20%)，電流≤200 mA；

定位接口：定位精度4 m，覆蓋范圍200 m；

485接口：1個(gè)，傳輸速率4 800 bit/s；

電平型開關(guān)量輸入：4路；

電平型開關(guān)量輸出：4路。

6)礦用本質(zhì)安全型信號(hào)機(jī)：

防爆型式：礦用本質(zhì)安全型；

供電電源：工作電壓DC12～18 V，工作電流不大于300 mA；

85接口：1個(gè)，傳輸速率4 800 bit/s；

觀察距離：在煤礦井下黑暗中距離100 m處正常目力可清晰辯明。

7)機(jī)載通信終端：

防爆型式：礦用澆封兼本質(zhì)安全型或本質(zhì)安全型；

供電電源：額定電源DC24 V(DC12 V)，電流≤3 A；

擴(kuò)播響度：≥80 dB/m(A計(jì)權(quán))；

無線通信：4 G。

6 實(shí)際運(yùn)行效果

2016年12月，煤礦井下車輛信息化調(diào)度系統(tǒng)在神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦地面廣場、2號(hào)輔運(yùn)平硐、1-2煤層、2-2煤層及18臺(tái)運(yùn)輸車上安裝完畢，2017年系統(tǒng)開始調(diào)試試運(yùn)行。系統(tǒng)通過模擬檢測、車輛運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

7 結(jié)論

該煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛的信息化調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在井下和地面車庫、地面廣場車輛行車范圍內(nèi)，對(duì)無軌運(yùn)輸車輛進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)、行車視頻監(jiān)視、通話調(diào)度指揮、運(yùn)營管理統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)信息展示、發(fā)布和網(wǎng)絡(luò)共享等功能，確保車輛在自動(dòng)信號(hào)指示下高效有序地安全運(yùn)行，提升了我國礦井的現(xiàn)代化水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。