煤礦運(yùn)輸安全智能監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓雅潔

（霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦通風(fēng)科，山西 霍州 031400）

1 項(xiàng)目概況

李雅莊煤礦井下輔助運(yùn)輸大多采用人工控制方式，各環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程控制與信息融合交換，其復(fù)雜的運(yùn)輸協(xié)作關(guān)系，導(dǎo)致較多運(yùn)輸機(jī)車追尾、撞頭、側(cè)撞等事故的發(fā)生。針對該煤礦現(xiàn)有礦井監(jiān)測系統(tǒng)無法同時(shí)傳輸圖像信號、車輛調(diào)度控制靠人工、車輛周轉(zhuǎn)慢、無法監(jiān)控機(jī)車運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警的問題，設(shè)計(jì)了一套礦井軌道運(yùn)輸安全智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對井下車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度功能、機(jī)車定位及識別功能、巷道監(jiān)控視頻智能分析功能、架空人車優(yōu)化節(jié)能與監(jiān)控功能、交通信號燈顯示控制子系統(tǒng)等功能，實(shí)現(xiàn)了在地面對井下和地面軌道運(yùn)輸、井下架空乘人裝置的智能監(jiān)控與綜合調(diào)度。

2 礦井運(yùn)輸安全智能監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在李雅莊煤礦建立了集視頻監(jiān)視、視頻聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)保存與分析、信息共享等功能為一體的運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度中心，主要設(shè)備包括18塊窄邊液晶顯示大屏幕、控制計(jì)算機(jī)、調(diào)度臺、供電裝置等。在集控室，通過基于智能監(jiān)控的軟硬件平臺，對全礦運(yùn)輸系統(tǒng)（包括軌道和架空乘人裝置）的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為全礦井的現(xiàn)代化建設(shè)管理提供基礎(chǔ)。運(yùn)輸監(jiān)控調(diào)度中心在很大程度上降低了調(diào)度人員和現(xiàn)場工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。地面調(diào)度人員，能實(shí)時(shí)瀏覽到運(yùn)輸系統(tǒng)中關(guān)鍵部位的視頻信息，能對井下架空人車進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對井下機(jī)車的調(diào)度和監(jiān)測方便快捷，使運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性大大提高。

3 礦井運(yùn)輸安全智能監(jiān)控信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 礦井軌道機(jī)車視頻智能分析系統(tǒng)

開發(fā)了基于機(jī)器視覺的礦井軌道機(jī)車視頻智能分析系統(tǒng)，其通過高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對機(jī)車前行運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)采集與障礙物檢測，對機(jī)車運(yùn)行起到智能預(yù)警作用。礦井軌道機(jī)車智能安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)由高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無線路由器、視頻分析服務(wù)器、機(jī)車視頻接收設(shè)備、報(bào)警裝置等組成。由于軌道交通環(huán)境復(fù)雜，來往人員比較多，有時(shí)雜物出現(xiàn)亂堆亂放的現(xiàn)象，為了保障地面工作人員的安全和軌道機(jī)車的正常運(yùn)行，本項(xiàng)目在機(jī)車、軌道沿線道岔、人員來往頻繁處等關(guān)鍵位置安裝高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。

3.2 機(jī)車定位與識別系統(tǒng)

研制了由通訊分站、基于ZigBee無線傳輸模塊的機(jī)車定位儀以及智能機(jī)車定位與識別服務(wù)器組成的機(jī)車定位與識別系統(tǒng)。

該煤礦現(xiàn)有的礦井機(jī)車定位系統(tǒng)，在井下潮濕、煤塵、噪聲、強(qiáng)電磁干擾的惡劣環(huán)境下，定位效果不佳，存在安全隱患?；谠搯栴}設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型礦井機(jī)車定位系統(tǒng)，包括：（1）定位分站（通信分站），采用 Exit I，KJ399-Q機(jī)車定位儀，給調(diào)度與管理系統(tǒng)提供定位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）網(wǎng)絡(luò)平臺機(jī)車定位信號傳輸平臺；（3）機(jī)車定位儀，帶有機(jī)車的基本信息；（4）控制主機(jī)（服務(wù)器），定位信號接收、存儲(chǔ)、處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)車定位，判定機(jī)車行駛方向等。

該系統(tǒng)在井下巷道、作業(yè)面的軌道上設(shè)置定位基站，定位儀安裝在運(yùn)輸機(jī)車上，定位儀實(shí)行一車一儀制，每個(gè)定位儀對應(yīng)唯一編號。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫記錄該定位儀所對應(yīng)的運(yùn)輸機(jī)車信息，在地面調(diào)度室可以通過該系統(tǒng)對機(jī)車實(shí)施精確定位。系統(tǒng)可對異常信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，并執(zhí)行相應(yīng)的安全管理程序。在該機(jī)車定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將RSSI、TDOA、AOA與案例推理技術(shù)相結(jié)合，通過案例推理技術(shù)對三種方法的定位結(jié)果進(jìn)行智能處理。

3.3 礦井運(yùn)輸機(jī)車運(yùn)維管理系統(tǒng)

設(shè)計(jì)了基于B/S架構(gòu)的礦井運(yùn)輸機(jī)車運(yùn)維管理系統(tǒng)，主要包括礦井運(yùn)輸設(shè)備健康狀態(tài)估計(jì)子系統(tǒng)、機(jī)車調(diào)度子系統(tǒng)以及交通燈智能管控子系統(tǒng)。

3.3.1 礦井運(yùn)輸設(shè)備健康狀態(tài)估計(jì)

該項(xiàng)目利用基于非參數(shù)的核密度估計(jì)和加權(quán)最小二乘估計(jì)的在線魯棒極限學(xué)習(xí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列對礦井機(jī)車軸承振動(dòng)信號24個(gè)特征指標(biāo)的映射，然后通過專家系統(tǒng)查找與運(yùn)輸機(jī)車軸承振動(dòng)信號特征指標(biāo)相對應(yīng)的運(yùn)輸機(jī)車健康狀態(tài)。

3.3.2 機(jī)車調(diào)度

礦井運(yùn)輸機(jī)車調(diào)度問題主要是在一定目標(biāo)和滿足所有的需求的情況下找到一組最優(yōu)的車輛分配方案。在煤礦生產(chǎn)過程中，受市場影響其優(yōu)化目標(biāo)有時(shí)發(fā)生變化，一般情況下以費(fèi)用極小為優(yōu)化目標(biāo)，但當(dāng)訂單較任務(wù)緊迫時(shí)，一般采用時(shí)間最少的優(yōu)化目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)化任務(wù)，項(xiàng)目研究了具有一定普遍適用性的基于Lagrange近似次梯度優(yōu)化算法。其思路是將礦井運(yùn)輸機(jī)車調(diào)度問題提煉為一般的科學(xué)問題進(jìn)行研究，從而在優(yōu)化目標(biāo)和運(yùn)輸時(shí)間限制、運(yùn)輸數(shù)量要求、運(yùn)輸能力限制各類約束條件變化時(shí)，仍然能夠很好地合理安排運(yùn)輸機(jī)車。局部調(diào)車功能：機(jī)車在全線自動(dòng)化道岔控制的基礎(chǔ)上增加局部調(diào)車功能，司機(jī)可先通過機(jī)車載無線基站給調(diào)度中心發(fā)出請求，在安全的情況下，調(diào)度中心可對局部道岔權(quán)限開放，實(shí)現(xiàn)局部軌道道岔有司機(jī)用車載無線基站對道岔進(jìn)行司控，調(diào)車軌道線路兩端頭進(jìn)路口實(shí)現(xiàn)信號閉鎖，井底調(diào)車場調(diào)車完畢后機(jī)車司機(jī)通過車載無線WiFi基站給地面調(diào)度中心發(fā)出調(diào)車完畢的請求信息，調(diào)度中心可把原先軌道線路進(jìn)口閉鎖信息解除。

3.3.3 交通燈智能管控系統(tǒng)

所研制的交通燈智能管控采用如下設(shè)計(jì)邏輯：（1）信號燈控制邏輯的設(shè)置要能確保敵對進(jìn)路之間的閉鎖。在同一時(shí)間，兩個(gè)敵對進(jìn)路不能同時(shí)開放信號（敵對進(jìn)路為兩條不能同時(shí)開放的道路，即一條路上有車前進(jìn)，則另一條路必須閉鎖）。（2）在岔口處實(shí)現(xiàn)信號燈互鎖功能，不能同時(shí)開放岔口處信號燈狀態(tài)，防止撞車。（3）通過手動(dòng)設(shè)置來設(shè)置信號燈閉鎖，可以實(shí)現(xiàn)緊急情況下，手動(dòng)指定區(qū)間的封鎖區(qū)間占用。（4）應(yīng)在同一復(fù)用區(qū)段鎖死區(qū)段兩端信號，防止出現(xiàn)雙向單行道路會(huì)車現(xiàn)象。（5）信號燈邏輯可通過軟件根據(jù)現(xiàn)場的具體情況進(jìn)行二次修正，方便升級改進(jìn)。本系統(tǒng)可根據(jù)各類礦山（煤礦山、非煤礦山）、各種車輛（有軌膠輪車、無軌膠輪車）以及井下道路特點(diǎn)（有無避車道）和車輛管理模式（上行或下行、同向或雙向復(fù)用等），建立合適的交通信號控制模型和控制邏輯，滿足不同礦山和管理者的需求。

3.4 架空乘人裝置的優(yōu)化節(jié)能和智能監(jiān)控信息系統(tǒng)

研制了根據(jù)乘坐人員數(shù)量和上車時(shí)間的井下架空乘人裝置的優(yōu)化節(jié)能和智能監(jiān)控信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下架空乘人裝置的智能啟?？刂蒲兄频募芸粘巳搜b置電控系統(tǒng)，由防爆PLC控制柜、本安操作箱、遠(yuǎn)程I/O分站、語音報(bào)警器、各種保護(hù)等組成。其中PLC控制柜和本安操作箱安裝在猴車機(jī)頭，PLC控制箱是集控系統(tǒng)的大腦，用于處理本安操作箱按鈕信號和讀取各遠(yuǎn)程I/O分站采集的數(shù)據(jù)。本安操作箱上配備高分辨率觸摸屏，用于模擬顯示猴車運(yùn)行情況和顯示系統(tǒng)信息（包括運(yùn)行時(shí)間、在線人數(shù)、運(yùn)行速度、保護(hù)信息等）。遠(yuǎn)程I/O分站分別固定在猴車沿線，用于采集各甩道開、停車信號和各種保護(hù)裝置信號。PLC控制箱與遠(yuǎn)程分站間采用Profibus總線通信。井下防爆PLC控制箱通過光纜與礦1000M環(huán)網(wǎng)相連。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：（1）控制功能。系統(tǒng)擁有自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行、遠(yuǎn)程集控、就地近控、檢修方式、就地純手控制五種控制模式。（2）顯示功能。能夠通過地面計(jì)算機(jī)顯示架空乘人裝置的運(yùn)行狀態(tài)（動(dòng)態(tài)畫面）、系統(tǒng)運(yùn)行主要參數(shù)（包括電機(jī)電流、運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間等）以及保護(hù)傳感器動(dòng)作的位置和故障信息。（3）語音及報(bào)警。沿途設(shè)置語言報(bào)警裝置，開車前有預(yù)警，下人點(diǎn)設(shè)置警示信號，通話裝置能夠與地面集控室通話。（4）保護(hù)功能。在機(jī)頭、機(jī)尾或中途大變坡點(diǎn)設(shè)置脫繩保護(hù)；在上人地點(diǎn)設(shè)置人員上車確認(rèn)開關(guān)；下人地點(diǎn)設(shè)乘員越位報(bào)警，其后設(shè)置緊急越位開關(guān)，越位開關(guān)動(dòng)作后系統(tǒng)能自動(dòng)停車；設(shè)置減速機(jī)變速箱或液壓站溫度監(jiān)測功能；設(shè)置鋼絲繩過速和欠速保護(hù)；設(shè)置液壓系統(tǒng)油溫保護(hù)、油位保護(hù)和油壓保護(hù)等；設(shè)置尾輪重錘張緊裝置限位（包括上、下限位）保護(hù)；設(shè)置拉線急停保護(hù)裝置。（5）系統(tǒng)閉鎖。按下初始啟動(dòng)按鈕后系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)預(yù)報(bào)警信號，報(bào)警完畢才能啟動(dòng)制動(dòng)油泵，解除安全制動(dòng)后啟動(dòng)電機(jī)，乘人裝置投入運(yùn)行；所有初始啟動(dòng)按鈕間具備閉鎖功能；任何一處的安全保護(hù)裝置動(dòng)作后，必須靠復(fù)位才能使系統(tǒng)重新進(jìn)入啟動(dòng)程序。

4 結(jié)論

礦井運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)安全智能監(jiān)控，不僅能對井下架空人車進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)坐乘人員數(shù)量和上車時(shí)間，進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)井下運(yùn)輸?shù)囊曨l監(jiān)視、智能監(jiān)控及優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到井下巷道無人值守，少人巡檢，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人工作環(huán)境，對于提高整個(gè)煤礦輔助運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平和科學(xué)管理水平具有重要意義。