韓凱軍，唐志章，劉勁松，李強

(山西石泉煤業(yè)有限責任公司，山西 襄垣 046200)

物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)及應(yīng)用

韓凱軍，唐志章，劉勁松，李強

(山西石泉煤業(yè)有限責任公司，山西 襄垣 046200)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，礦井運輸壓力越來越大，巷道布置復(fù)雜、運輸距離長、環(huán)節(jié)多，使礦車的供求矛盾日益緊張。針對現(xiàn)有井下礦車監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、信息化和可視化水平低等問題,研究并設(shè)計了一種物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)彌補了現(xiàn)有礦井監(jiān)測系統(tǒng)的不足，可有效提高生產(chǎn)效率、降低事故率、減少現(xiàn)場操作人員、提高經(jīng)濟效益。

煤礦；礦車；追蹤定位系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；減員；增效

0 引言

我國煤礦礦產(chǎn)資源豐富,礦車是礦山生產(chǎn)的重要紐帶運輸裝備,主要用于運輸、提升或裝載礦石、材料與人員。隨著煤礦開采深度的不斷增加，礦井運輸?shù)膲毫υ絹碓酱?，巷道布置?fù)雜、運輸距離長、環(huán)節(jié)多，直至造成礦車周轉(zhuǎn)不暢[1]。針對現(xiàn)有井下礦車監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、信息化和可視化水平低等問題,研究并設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)(zigbee)技術(shù)平臺的井下礦車追蹤定位系統(tǒng)，系統(tǒng)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等一系列先進技術(shù)[2]。具有自組織、自恢復(fù)機制的傳感網(wǎng)技術(shù)和無線定位技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山系統(tǒng)，為礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)和人員管理提供了全新的技術(shù)手段。KJ760礦山物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)彌補了現(xiàn)有金屬礦井監(jiān)測系統(tǒng)的不足,具有較高實用價值和創(chuàng)新性。

1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及組成

系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下設(shè)備兩部分組成：地面設(shè)備為一般性通用計算機設(shè)備和電源設(shè)備，包含計算機、服務(wù)器、防爆交換機等[3]；井下設(shè)備有KJ760網(wǎng)關(guān)、KJ760無線接入分站、KJ760標識卡，其核心為組網(wǎng)部分的電子電路設(shè)計。這些設(shè)備均采用TI公司的CC系列無線通信核心芯片，以此為基礎(chǔ)完成設(shè)備之間的組網(wǎng)。

(1)KJ760-D網(wǎng)關(guān):井下網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點，負責管理平臺與無線分站以及無線移動終端的雙向通信，集中發(fā)送和管理信息。

(2)KJ760-F分站：通過2.4 GHz射頻組成一個全區(qū)域覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)，將收集到的無線移動終端發(fā)送的信息轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

(3)KJ760-K標識卡：礦井礦車隨身攜帶的信息終端。

(4)KJ760管理平臺：礦上管理人員使用，通過全球廣域網(wǎng)(web)方式展示礦下礦車及設(shè)備狀態(tài)，管理人員可以通過平臺實時監(jiān)督設(shè)備、管理礦車、管理環(huán)境狀態(tài)、實時發(fā)布預(yù)警信息。

2 主要設(shè)備及參數(shù)

2.1 KJ760-F網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備一般部署于井下關(guān)鍵位置，其接口全面豐富，包含該系統(tǒng)建立無線網(wǎng)絡(luò)的2.4 GHz網(wǎng)絡(luò)部分和通用型的各類接口部分，可完成該層面所有“分站數(shù)據(jù)”的匯總和向上層的傳輸。全面豐富的接口可適應(yīng)各種不同的礦下要求，通過不同方式傳輸數(shù)據(jù)。

該網(wǎng)關(guān)主芯片功能強大，組網(wǎng)部分支持無線更新，設(shè)備可在線即時升級，無需拆卸，方便易用，維護簡單。技術(shù)指標：最大位移速度不小于5 m/s,并發(fā)識別數(shù)量不小于80個,無線傳輸距離不小于10 m，漏讀率不大于10-4，防爆類型為礦用本質(zhì)安全型，供電電壓為 DC 12 V。

2.2 KJ760-D無線接入分站

分站一般部署于井下巷道頂端，用于相互通信，組成井下無線網(wǎng)絡(luò)。部署時，點與點的距離為50～80 m，分站通信距離gt;200 m，故分站可與周圍若干分站始終通信，在任一分站故障情況下，網(wǎng)絡(luò)性能不受影響。分站內(nèi)建無線網(wǎng)絡(luò)的2.4 GHz部分，保留若干數(shù)據(jù)接口，可用于傳感數(shù)據(jù)探測等方面的擴展應(yīng)用。分站組網(wǎng)部分支持無線更新，設(shè)備可在線即時升級，方便易用，維護簡單。

技術(shù)指標:最大位移速度不小于5 m/s，并發(fā)識別數(shù)量不小于80個，無線傳輸距離不小于10 m，漏讀率不大于10-4，防爆類型為礦用本質(zhì)安全型，供電電壓為DC 12 V。

2.3 KJ760標識卡

標識卡集成主處理器、新型板載天線設(shè)計、有機發(fā)光二極管(OLED)高亮屏、蜂鳴器、加速度傳感器、實時時鐘、標準充電接口等。符合礦用本質(zhì)安全認證，內(nèi)建無線組網(wǎng)模塊，在井下可與一定區(qū)域內(nèi)的分站通信，利用專門距離算法可隨時區(qū)域定位該終端位置。KJ760標識卡性能參數(shù)為：額定電壓，3.6 V；額定電流，150 mA；額定功率，500 mW；休眠電流，1 mA；休眠功率，4 mW；充電電壓，5 V；充電電流，1 A；屏幕，38.1 mm的OLED屏；分辨率，128×128；防護等級，IP65；工作溫度，-40～70 ℃；貯存溫度，-40～80 ℃。

該終端功能如下。

(1)具有電池欠壓指示功能。

(2)不可更換電池的識別卡的電池壽命不小于2 a；可更換電池的識別卡的電池壽命不小于6個月；采用可充電電池的識別卡，每次充電保證識別卡連續(xù)工作時間不小于7 d。

(3)在礦車底部焊接一個金屬外殼用于固定定位卡，防止損壞及脫落。

2.4 系統(tǒng)功能及特點

系統(tǒng)功能：全礦移動礦車的井上、井下通信；井下固定設(shè)備或移動設(shè)備的標識；實時定位；精確定位及管理；歷史數(shù)據(jù)查詢；報表打?。辉O(shè)備管理等。

特點：實時即時定位，真正實現(xiàn)礦車隨時隨地定位；快速無線自組網(wǎng)，數(shù)據(jù)收發(fā)采用無線多跳自組網(wǎng)絡(luò)，部署迅速，成本低廉；定位精度高，采用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)礦車在任意位置的即時定位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為提供強大的功能和穩(wěn)定可靠的性能，軟件設(shè)計采用基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)?；贐/S的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)以瀏覽器為客戶端展示的工具，基本為零客戶端部署；增加了應(yīng)用服務(wù)層，以達到數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)功能和控制三者的分離；客戶機進行界面控制、數(shù)據(jù)顯示、響應(yīng)用戶操作；應(yīng)用服務(wù)器接收客戶機的請求，執(zhí)行業(yè)務(wù)處理邏輯，然后訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存操作結(jié)果；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并且只與應(yīng)用服務(wù)器交互，大大降低了并發(fā)的用戶訪問數(shù)，提高了系統(tǒng)的處理能力；應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間使用標準結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)接口，客戶機與應(yīng)用服務(wù)器之間則采用專有協(xié)議通信。

基于B/S的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點。

(1)用戶使用方便。用戶端無需任何安裝配置，只要有網(wǎng)絡(luò)和瀏覽器就可以訪問平臺網(wǎng)站，安全快捷地使用系統(tǒng)提供的功能。

(2)輕量用戶交互(UI)層。加入應(yīng)用服務(wù)層后，將業(yè)務(wù)邏輯定位在應(yīng)用服務(wù)層，由應(yīng)用服務(wù)層來進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，客戶層只關(guān)心業(yè)務(wù)問題。這樣，UI層的負擔大大減輕，系統(tǒng)效率提高，同時可以更好地展示業(yè)務(wù)功能，提供更人性化的用戶操作感受。

(3)增強系統(tǒng)的安全性。加入應(yīng)用服務(wù)層后，業(yè)務(wù)處理邏輯存放的應(yīng)用服務(wù)器層不會暴露給所有的終端客戶，防止非法破解及不正確使用。在客戶機與應(yīng)用服務(wù)器之間采用專有協(xié)議通信，并且在應(yīng)用服務(wù)器上采取安全管理措施，可以有效防止外界非法服務(wù)訪問、非法獲取系統(tǒng)信息、非法竊聽和惡意篡改。

(4)提高系統(tǒng)的擴展性。采用多層結(jié)構(gòu)，界面層與業(yè)務(wù)邏輯層分離，業(yè)務(wù)處理與數(shù)據(jù)訪問層隔離，系統(tǒng)的模塊化程度得到提高，模塊的功能劃分更明確單一，便于實現(xiàn)組件式的開發(fā)，模塊的組裝更加容易。系統(tǒng)能夠針對業(yè)務(wù)和界面層的各種要求靈活地進行模塊的配置和組裝，大大提高了系統(tǒng)的擴展性。

(5)提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。如果讓每個客戶機都直接訪問數(shù)據(jù)庫，當大量客戶機并發(fā)訪問時，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的壓力很大，服務(wù)器大量的時間用于管理用戶的進程和請求隊列，運行效率低。使用應(yīng)用服務(wù)器后，應(yīng)用服務(wù)器將客戶機發(fā)來的操作請求進行排隊處理，并通過數(shù)據(jù)庫連接池高效地執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作，大量的并發(fā)訪問被均勻分擔，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以平穩(wěn)工作，從而大大提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。

(6)降低成本?；贐/S的多層應(yīng)用架構(gòu)可以有效減少客戶端的部署工作，系統(tǒng)部署或升級只需要部署或更新應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，無需改動就可以使用最新的應(yīng)用系統(tǒng)，避免客戶端的安裝、升級，有效降低了系統(tǒng)的運維成本。

加入應(yīng)用服務(wù)層后，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的用戶數(shù)量要求大為降低，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的硬件有效減少，降低了系統(tǒng)成本。

4 管理系統(tǒng)子模塊功能及特點

(1)實時井下礦車動態(tài)顯示。實時監(jiān)控當前井下礦車位置信息，并將礦車標識于地理信息系統(tǒng)(GIS)地圖相應(yīng)位置，管理人員通過該系統(tǒng)可準確獲取該時間礦車的位置[4]。

(2)豐富的礦車下井考勤能力?？蓪Τ鋈刖V車進行統(tǒng)計，實現(xiàn)下井礦車記錄，建立并打印礦車出入井的各種信息報表，方便管理人員的查詢與管理。

(3)區(qū)域礦車搜索。通過系統(tǒng)軟件可以指定礦井中的相應(yīng)區(qū)域，搜索當前時刻該區(qū)域內(nèi)礦車的列表，以達到指定區(qū)域礦車搜索的目的。

(4)礦車歷史軌跡查詢。提供歷史軌跡查詢功能，可以指定起止時間、工作面、部門等信息。查找出相應(yīng)位置信息后，可對礦車軌跡進行回放，以監(jiān)測礦車特定時間的活動軌跡。

(5)礦車位置歷史查詢。系統(tǒng)可以查詢礦車歷史位置列表，精準查詢礦車每一時刻的位置信息，并且可以回放任一特定歷史時刻礦車的位置，并在GIS地圖加以重現(xiàn)，以達到礦車歷史位置精準查詢的目的。

(6)網(wǎng)絡(luò)診斷維護。為了方便維護網(wǎng)絡(luò)中的各分站，可實時監(jiān)控各分站的狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓撲等，達到網(wǎng)絡(luò)錯誤快速診斷排查的目的。

(7)數(shù)字化管理。完善的一般性人員、部門、設(shè)備管理系統(tǒng)，方便實現(xiàn)各類信息的數(shù)字化。

5 物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)的應(yīng)用效果

物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)可實現(xiàn)對整個運輸系統(tǒng)的控制、監(jiān)測，其在煤炭企業(yè)的應(yīng)用可提高生產(chǎn)效率、降低事故率、減少現(xiàn)場操作人員、提高經(jīng)濟效益。

(1)減員提效。物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)投用后，每班只需2人進行巡視、維修，由原來的1個班10人減少到現(xiàn)在的6人。

(2)可實現(xiàn)自動化控制與生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。計算機管理工作站設(shè)信息管理系統(tǒng)，決策者可根據(jù)各自權(quán)限通過管理工作站遠程訪問監(jiān)控上位機，得到現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表、設(shè)備管理信息和礦車統(tǒng)計分析。

(3)安全效益。減少人力調(diào)度礦車造成的人員、設(shè)備損失 ，一方面可以及時、快速、準確地發(fā)現(xiàn)礦車使用情況提高利用率，另一方面還可以在事故發(fā)生前及時發(fā)出預(yù)警信息，保證人員及時撤離。

(4)科技示范作用。物聯(lián)網(wǎng)井下礦車追蹤定位系統(tǒng)與礦井監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，便于集中控制，形成一個完整的操作、調(diào)度、監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個礦井礦車的監(jiān)控。

6 結(jié)論

礦車定位追蹤系統(tǒng)的應(yīng)用，使各級領(lǐng)導(dǎo)和值班人員可以通過局域網(wǎng)隨時了解礦車運行狀態(tài)，直接掌握礦車第一手資料，隨時進行調(diào)度。礦車的利用率、周轉(zhuǎn)率提高后，積壓車輛的現(xiàn)象得到遏制，在沒有大的改造及新礦車投入的情況下，運輸壓力得到充分緩解，資源得到合理利用，確保了礦井運輸系統(tǒng)的暢通無阻，達到了預(yù)期的目的。

[1]韓洪生.礦車管理系統(tǒng)在煤礦的推廣與應(yīng)用[J].科技視界，2012(27)：366-367.

[2]李鶴.井下通信及人員定位的自動化技術(shù)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2013(4)：43-46.

[3]趙海濤，鄭豐隆，鄭效田，等.礦車監(jiān)控系統(tǒng)中通信接口的設(shè)計[J].煤礦機械，2008,29(7)：22-24.

[4]張陽.基于GIS的井下機車區(qū)域定位檢測系統(tǒng)[J].金屬礦山，2012(3)：115-118.

(本文責編：劉芳)

韓凱軍(1990—)，男，山西襄垣人，助理工程師，從事煤礦機電運輸管理工作(E-mail:545301067@qq.com)。

唐志章(1973—)，男，河南鶴壁人，工程師，從事煤礦機電運輸管理工作(E-mail:260471780@qq.com)。

TD 524+.2；TP 393.07

B

1674-1951(2017)11-0049-03

2017-09-11；

2017-10-19