王 瑜，康 帆

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

我國整個能源結(jié)構(gòu)體系中，煤炭資源發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，煤炭資源在整個能源結(jié)構(gòu)體系中所占比例在40%～50%[2]。礦井中開采得到的煤礦物料需通過運(yùn)輸系統(tǒng)輸送到指定位置，無軌膠輪車是煤礦中比較重要的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，與有軌運(yùn)輸系統(tǒng)相比較，其運(yùn)輸更加靈活，可以充分結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整[3]。但是當(dāng)?shù)V井中使用的無軌膠輪車數(shù)量達(dá)到一定程度時，會顯著增加礦井交通的難度。再加上礦井巷道本身比較狹窄，如果調(diào)度不當(dāng)非常容易發(fā)生交通事故[4]。輕則產(chǎn)生交通堵塞，影響煤礦生產(chǎn)過程的連續(xù)性，重則產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡事故。針對該問題，有必要結(jié)合礦井實(shí)際情況，設(shè)計研究無軌膠輪車的調(diào)度系統(tǒng)，對礦井中運(yùn)行的車輛進(jìn)行有效調(diào)度，避免發(fā)生交通安全事故[5]。本文主要設(shè)計研究了無軌膠輪車的調(diào)度系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，取得了較好的應(yīng)用效果，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

1 調(diào)度系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

設(shè)計的煤礦無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體方案如圖1所示。考慮到無軌膠輪車工作時始終處于移動狀態(tài)，因此需要基于無線通信技術(shù)對無軌膠輪車進(jìn)行定位。具體而言，需要在整個礦井巷道范圍內(nèi)每間隔一定距離設(shè)置檢測節(jié)點(diǎn)，在車輛上設(shè)置移動節(jié)點(diǎn)。移動節(jié)點(diǎn)以一定頻率向外發(fā)射信號，位于巷道中的檢測節(jié)點(diǎn)可以接收信號。根據(jù)信號的衰減程度，結(jié)合一定算法可以獲得車輛的準(zhǔn)確定位。另外，為了對無軌膠輪車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，需要利用傳感器對車輛運(yùn)行速度和油溫進(jìn)行檢測，由檢測節(jié)點(diǎn)將這些數(shù)據(jù)信息向外發(fā)射。為了保障無軌膠輪車在巷道中的運(yùn)行效率，需要在關(guān)鍵位置安裝信號燈，司機(jī)根據(jù)信號燈指示行走，遵循紅燈停、綠燈行的原則[6]?？刂葡到y(tǒng)統(tǒng)籌井下所有車輛的運(yùn)行方向、運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)信息，對信號燈進(jìn)行控制，防止車輛在巷道中相遇發(fā)生碰撞或者影響交通效率。

圖1 調(diào)度系統(tǒng)的整體方案Fig.1 Overall scheme of dispatching system

井下采集得到的所有數(shù)據(jù)信息通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿痪喜糠值恼{(diào)度中心，且這些數(shù)據(jù)信息以可視化方式呈現(xiàn)在監(jiān)控大屏上，以便工作人員實(shí)時掌握井下車輛的狀態(tài)信息，必要時可通過人工方式對井下車輛進(jìn)行調(diào)度。所有數(shù)據(jù)信息都要存儲到服務(wù)器中，以便后續(xù)進(jìn)行調(diào)取，需要存儲的信息包括車輛運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、上井和下井時間等。地面調(diào)度中心最重要的功能是結(jié)合車輛運(yùn)行速度和位置信息，對井下所有的信號燈進(jìn)行控制，即控制信號燈的顏色，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行的控制。特殊情況下可通過人工方式對井下的無軌膠輪車進(jìn)行調(diào)度，保障井下車輛和人員的安全。

2 巷道中無軌膠輪車的調(diào)度策略

2.1 調(diào)度基本思路

為了確保無軌膠輪車在煤礦巷道中的行車安全，在巷道中每間隔一定距離設(shè)置1個避車室。2個避車室中間的區(qū)間稱為行車區(qū)間。避車室的作用是確保相向行駛的2輛無軌膠輪車能夠安全會車。每個行車區(qū)間內(nèi)都設(shè)置有很多檢測節(jié)點(diǎn)，以便掌握該區(qū)間內(nèi)車輛的具體位置。為了避免多車輛同時進(jìn)入同1個避車區(qū)間或者行車區(qū)間，信號燈受到調(diào)度系統(tǒng)的控制。巷道行車區(qū)間的設(shè)置如圖2所示。

圖2 巷道行車區(qū)間的設(shè)置Fig.2 Setting up laneway driving section

2.2 調(diào)度基本策略

礦井巷道實(shí)際情況非常復(fù)雜，但直行窄巷道是比較特殊的情形。以下主要以該情況為例，闡述巷道中無軌膠輪車的調(diào)度策略。當(dāng)無軌膠輪車A即將進(jìn)入某行車區(qū)間時，根據(jù)行車區(qū)間內(nèi)的實(shí)際情況，可以劃分成為以下4種情形，如圖3所示。

(1)行車區(qū)間內(nèi)無車，如圖3(a)所示。如果行車區(qū)間內(nèi)無車輛行駛，則兩端的信號燈2和3全部亮綠燈，2個方向行駛的車輛全部可以直接通過該行車區(qū)間。一旦A車進(jìn)入該行車區(qū)間后，兩端信號燈立即變成紅色，其他車輛不得駛?cè)?。但?jīng)過延時ΔT后，A車已經(jīng)行駛一段距離，后側(cè)的信號燈2變成綠色，車輛可以跟隨A車駛?cè)朐搮^(qū)間。

(2)行車區(qū)間雙向來車，如圖3(b)所示。當(dāng)兩輛無軌膠輪車A、B同時駛?cè)肽承熊噮^(qū)間兩側(cè)時，調(diào)度系統(tǒng)判斷兩輛車的優(yōu)先級別。如果A車優(yōu)先級更高，則信號燈2變綠，A車進(jìn)入行車區(qū)間，信號燈3變紅，B車進(jìn)入避車室等待。

圖3 狹窄巷道中會車的幾種情形Fig.3 Several situations of meeting cars in narrow roadways

(3)行車區(qū)間內(nèi)有同向行駛的車，如圖3(c)所示。如果遇到行車區(qū)間前方存在行駛方向相同的車輛，后方車輛原則上可以直接駛?cè)?，但考慮到行車安全，要求兩輛車之間保持一定的安全距離，這就涉及到行車區(qū)間的容量大小問題。調(diào)度系統(tǒng)如果判斷該行車區(qū)間內(nèi)的車輛數(shù)量未達(dá)到最大容量，則在保障前后車輛安全距離的情況下，信號燈2變綠，A車駛?cè)胄熊噮^(qū)間。相反地，如果調(diào)度系統(tǒng)判斷行車區(qū)間內(nèi)車輛數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，則信號燈2變紅，A車進(jìn)入避車室等待。

(4)行車區(qū)間內(nèi)有反向行駛的車，如圖3(d)所示。信號燈2變紅，A車直接進(jìn)入避車室，等待B車通過行車區(qū)間后，信號燈2變綠，A車從避車室駛出進(jìn)入行車區(qū)間。

巷道中無軌膠輪車的調(diào)度流程如圖4所示。

圖4 巷道中無軌膠輪車的調(diào)度流程Fig.4 Dispatching flow chart of trackless rubber-tyred vehicles in roadways

由圖4可知，當(dāng)無軌膠輪車駛?cè)肽承熊噮^(qū)間前，調(diào)度系統(tǒng)會進(jìn)行一系列的分析、判斷。比如需要分析行車距離內(nèi)是否有車輛行駛，如果有車輛還要判斷車輛行駛方向、行車區(qū)間最大容量、前后車輛之間的安全距離等。只有各方面條件均達(dá)到行車安全的情況下，車輛才能夠駛?cè)胄熊噮^(qū)間，否則進(jìn)入避車室等待。

3 主要硬件選型及軟件設(shè)計

3.1 主要硬件選型設(shè)計

由于無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，中間涉及很多硬件設(shè)施，本文主要對一些關(guān)鍵和重要的硬件進(jìn)行介紹。

(1)主站控制器選型。主站控制器位于礦井地面，作用是對井下所有采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析和處理，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置的算法給出對應(yīng)的控制策略，并下達(dá)控制指令實(shí)現(xiàn)井下無軌膠輪車的安全調(diào)度。結(jié)合實(shí)際情況，選用610-H/L型控制器[7]。此型號控制器具有非常豐富的I/O接口，可以與多種其他類型的硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)連接。數(shù)據(jù)交換方式也比較豐富，同時支持RS485、RS232和工業(yè)以太網(wǎng)的通信模式，完全可以滿足調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。

(2)井下分站控制器選型。井下分站控制器的作用是根據(jù)檢測節(jié)點(diǎn)采集得到的信息，對井下車輛位置進(jìn)行分析判斷，同時還要與主站控制器進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，如根據(jù)主站控制器指令對信號燈進(jìn)行控制等。選用S7-200型PLC控制器[8]。該型號控制器具有優(yōu)越的性能，在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，具有很強(qiáng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，可以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。I/O接口豐富，可以同時處理不同的任務(wù)。分站控制器供電模塊原理如圖5所示。

圖5 分站控制器供電模塊原理Fig.5 Schematic diagram of substation controller power supply module

(3)車輛定位模塊選型。主要包含車載節(jié)點(diǎn)和檢測節(jié)點(diǎn)。檢測節(jié)點(diǎn)安裝在礦井巷道不同位置，車載節(jié)點(diǎn)安裝在無軌膠輪車上。由于車輛工作時始終處于移動狀態(tài)，因此車載節(jié)點(diǎn)和檢測節(jié)點(diǎn)之間需要通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本調(diào)度系統(tǒng)采用的是ZigBee無線傳輸技術(shù)[9]，節(jié)點(diǎn)模塊使用的芯片為CC2530型，該芯片具備有RF收發(fā)器，不僅可以發(fā)送信號，還可以接收信號。以CC2530芯片為核心，再配合使用其他相關(guān)硬件設(shè)施共同構(gòu)成了檢測節(jié)點(diǎn)和車載節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)都有固定的ID編號，特別是車載節(jié)點(diǎn)編號與對應(yīng)的無軌膠輪車相匹配。車載節(jié)點(diǎn)向外發(fā)送數(shù)據(jù)信息時同時會發(fā)送對應(yīng)的ID編號。檢測節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)信息后，通過分析ID編號即可判斷數(shù)據(jù)屬于哪輛無軌膠輪車。檢測節(jié)點(diǎn)通過RS485總線通信模式實(shí)現(xiàn)與井下分站之間的聯(lián)系，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒终局羞M(jìn)行分析。車輛定位模塊內(nèi)部及其與分站之間的通信模式如圖6所示。

圖6 定位模塊內(nèi)部及其與分站之間的通信Fig.6 Communication between positioning module and substation

(4)車輛信息檢測模塊。煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，為了保障井下無軌膠輪車運(yùn)行過程的安全性，需要對車輛相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時檢測，其中最重要的檢測數(shù)據(jù)包括油溫和行進(jìn)速度。如果檢測發(fā)現(xiàn)超過了安全數(shù)值，調(diào)度系統(tǒng)會立即發(fā)出警報以提示駕駛員。系統(tǒng)選用柴油機(jī)保護(hù)檢測模塊(YE0.3-24)[10]。該設(shè)備可以在-20～80 ℃正常工作，工作時的電壓和電流分別為DC 15～30 V、300 mA。溫度監(jiān)測范圍和車速檢測范圍分別為0～160 ℃和0～150 km/h。

3.2 調(diào)度系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖7 井下分站軟件基本組成Fig.7 Basic composition of underground station software

車載節(jié)點(diǎn)搭設(shè)在無軌膠輪車上，首先需要利用各種傳感器采集車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，包括油溫和運(yùn)行速度等，然后利用發(fā)射節(jié)點(diǎn)將包括車輛編號ID在內(nèi)的車輛基本信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑z測節(jié)點(diǎn)。檢測節(jié)點(diǎn)接收到相關(guān)信號后，聯(lián)通信號的衰減值一同發(fā)送到分站，通過分站傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行處理。分站控制器獲得數(shù)據(jù)信息后，基于內(nèi)置算法對車輛位置進(jìn)行計算，同時判斷車輛的行駛方向、相關(guān)行車區(qū)間的容量是否超標(biāo)等，另外，還需要根據(jù)主站的綜合判斷結(jié)果對行車區(qū)間兩側(cè)的信號燈進(jìn)行控制，并將結(jié)果反饋到地面主站。

(2)地面主站軟件設(shè)計。井下分站和地面主站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。地面主站獲得數(shù)據(jù)信息后，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，便于工作人員可以實(shí)時掌握井下車輛基本情況。更重要的是數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，判斷井下無軌膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)并下達(dá)控制指令。實(shí)現(xiàn)車輛調(diào)度的效果。主要包含以下3個方面軟件程序：①通信程序。井下分站和地面主站之間的距離較長，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的安全可靠交互是關(guān)鍵問題，是保障調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，軟件程序就發(fā)揮著重要作用。通信程序工作時，在地面主站分別按照井下分站的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行檢測，查看網(wǎng)絡(luò)是否正常連接。如果檢查發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接存在異常，會在監(jiān)控大屏上顯示故障問題。②車輛信息處理程序。作用是對井下所有車輛數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，判斷車輛的行駛速度、具體位置等，并結(jié)合每個行車區(qū)間情況對井下所有信號燈進(jìn)行控制，達(dá)到車輛調(diào)度的目的，所有車輛信息以及信號燈控制情況在監(jiān)控大屏上進(jìn)行顯示。為了保障井下所有無軌膠輪車的數(shù)據(jù)都可以被采集到，需要分析井下車輛的數(shù)量是否與實(shí)際情況相匹配。③人工干預(yù)程序。正常情況下調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行，但在特殊情況下需要通過人工干預(yù)。其一，為了滿足局部區(qū)域的個性化生產(chǎn)要求，需要對相關(guān)區(qū)域車輛調(diào)度進(jìn)行干預(yù)；第二，當(dāng)井下出現(xiàn)交通事故時需要對相關(guān)區(qū)域信號燈進(jìn)行人為控制，保障井下安全。如果需要人工干預(yù)時，可以直接在地面主站監(jiān)控大屏上進(jìn)行操作。

4 調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用

將設(shè)計的煤礦無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)工程實(shí)踐中，對其各項功能進(jìn)行了實(shí)踐測試，發(fā)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，各項功能均達(dá)到了預(yù)期效果。

(1)對井下所有的無軌膠輪車位置進(jìn)行了準(zhǔn)確定位。為了測量無軌膠輪車的定位精度，在完成調(diào)度系統(tǒng)的部署工作后，開展了實(shí)驗工作。調(diào)度系統(tǒng)定位精度實(shí)驗統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖8 調(diào)度系統(tǒng)定位精度實(shí)驗統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statistical results of positioning accuracy experiment of dispatch system

由圖8可知，此次共開展了10次定位誤差的實(shí)驗工作，發(fā)現(xiàn)定位誤差控制在了0.2～1.0 m，完全滿足了調(diào)度系統(tǒng)實(shí)際的使用需要?；诰_的井下車輛定位結(jié)果，調(diào)度系統(tǒng)可以對所有的車輛進(jìn)行安全調(diào)度。在整個測試期間，發(fā)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)能夠正確地控制巷道中的信號燈，車輛根據(jù)信號燈行駛或者避讓，沒有發(fā)生車輛堵塞或者井下交通安全事故，驗證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

(2)車輛行駛軌跡記錄和安全隱患報警。由于調(diào)度系統(tǒng)可以對井下所有車輛的位置進(jìn)行獲取，可以實(shí)時掌握井下所有車輛的行駛軌跡。一旦井下發(fā)生安全事故，可以給后續(xù)應(yīng)急救援工作帶來方便。另外車輛中安裝了速度傳感器和油溫傳感器。如果車輛運(yùn)行速度超過了設(shè)定值，調(diào)度系統(tǒng)會發(fā)出安全警告，提示駕駛?cè)藛T降低行車速度，保障行車安全。油溫傳感器可對車輛中使用的各種潤滑油等的溫度進(jìn)行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)溫度超過了設(shè)定值也會發(fā)出警報，提示駕駛?cè)藛T停車檢查。

(3)闖紅燈記錄。在巷道的一些重要節(jié)點(diǎn)位置安裝高清攝像頭，如果無軌膠輪車行駛過程中無視信號燈隨意行駛，攝像頭可以進(jìn)行取證并傳輸?shù)较到y(tǒng)中。系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)車輛存在闖紅燈行為時，對駕駛?cè)藛T發(fā)出安全警告。

2015年12月21日，稽查科接到線索，得知某舊式居民小區(qū)有制假窩點(diǎn)，人員和房屋結(jié)構(gòu)復(fù)雜。考慮到女性執(zhí)法人員不易引起犯罪嫌疑人警惕，黃梅參與了此次蹲守、伏擊行動，負(fù)責(zé)外圍觀察和發(fā)起行動信號。當(dāng)該居民房門打開的一瞬間，蹲守的執(zhí)法人員立即進(jìn)入，迅速控制一名嫌疑人和現(xiàn)場，并以該窩點(diǎn)為伏擊圈，張網(wǎng)以待。經(jīng)過數(shù)十小時的蹲守，一一抓獲了其他3名犯罪嫌疑人。嫌疑人企圖用金錢收買辦案人員，被辦案組嚴(yán)詞拒絕。據(jù)悉，該案查獲“痛風(fēng)膠囊”“骨康蝮蛇木瓜膠囊”等成品藥18425盒；查獲了半成品、包裝材料及制假設(shè)備，案值50余萬元。由黃梅承辦的該案被移送司法部門，法院對4名罪犯進(jìn)行了判決。

綜上所述，通過對調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用測試，發(fā)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)各項功能均達(dá)到了預(yù)期效果，可以安全可靠地對井下所有的無軌膠輪車進(jìn)行調(diào)度。上述措施有效保障了井下的行車安全，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

5 結(jié)論

主要以煤礦中使用的無軌膠輪車為研究對象，設(shè)計了車輛調(diào)度系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，取得了較好的效果。

(1)設(shè)計的調(diào)度系統(tǒng)共劃分為地面主站和井下分站部分。分站作用是對區(qū)域內(nèi)的車輛位置及行駛方向等信息進(jìn)行采集，所有分站的數(shù)據(jù)全部通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬷髡局羞M(jìn)行綜合分析，并下達(dá)調(diào)度指令，控制各行車區(qū)間的信號燈。

(2)地面主站和井下分站采用的控制器型號分別為610-H/L和PLC-200，均具有良好的性能，完全能夠滿足調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。車載節(jié)點(diǎn)和檢測節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。

(3)將設(shè)計的調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)踐中，對其定位精度開展了實(shí)驗工作，發(fā)現(xiàn)均控制在了1 m范圍以內(nèi)。同時對其他各項功能進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)均達(dá)到了預(yù)期效果，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

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