戴芬良，金開玥 ，鄭祿林，劉樹義，陳忠賀

(1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院； 2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司； 3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院； 4.丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

引 言

斜坡道作為礦山最重要的開拓方式之一，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省工程量和投資，加快礦山建設(shè)速度，縮短礦山建設(shè)時間，同時便于無軌設(shè)備暢通于各工作面，加快設(shè)備周轉(zhuǎn)，提高設(shè)備利用率[1]。但斜坡道本身具有寬度有限、坡度大、彎道多、路面濕滑等特點(diǎn)，導(dǎo)致在斜坡道上出現(xiàn)會車、長距離倒車、擁堵等現(xiàn)象，并易發(fā)生車輛追尾、碰撞等安全事故[2-3]。為克服上述斜坡道運(yùn)輸存在的缺點(diǎn)，不少研究人員開展了井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)的研究，并在一些礦山進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果[4-7]。井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)，主要由車輛定位與識別系統(tǒng)、信號燈組、通信系統(tǒng)及控制中心組成。其中，車輛定位與識別是斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。目前，采用的設(shè)備定位與識別技術(shù)，主要有ZigBee無線通信技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)、Wi-Fi定位技術(shù)、UWB定位技術(shù)等[8]。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性及斜坡道本身彎道多等特點(diǎn)，單一的定位技術(shù)難以滿足系統(tǒng)控制精度及實(shí)時獲取設(shè)備位置信息的要求。

控制中心對信號燈的控制規(guī)則直接影響系統(tǒng)對斜坡道交通的管控效果，斜坡道交通控制規(guī)則主要有“閉鎖”和“優(yōu)先級別”兩種[9]?！伴]鎖”控制規(guī)則將斜坡道劃分為段，當(dāng)有車輛進(jìn)入某路段時，該路段兩端亮紅燈，將該路段“閉鎖”?！皟?yōu)先級別”控制規(guī)則將車輛進(jìn)行分類，并賦予不同的優(yōu)先級別，高級別的車輛優(yōu)先通行?，F(xiàn)有的斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)多采用“閉鎖”控制規(guī)則，例如，程晰等[4]采取的“先到先會讓”及“分支讓主干”控制規(guī)則，以及盛高永等[10]在會寶嶺鐵礦采用的“同一巷段系統(tǒng)采用對向行駛車輛避讓、同向行駛車輛允許跟進(jìn)1輛”控制規(guī)則，“閉鎖”控制規(guī)則不考慮車輛的避讓難易程度及重要性。本研究以某超大型金礦井下斜坡道運(yùn)輸系統(tǒng)為依托，采用ZigBee無線通信技術(shù)和RFID射頻識別技術(shù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)設(shè)備高精度定位和識別，同時依據(jù)設(shè)備重要性及避讓的難易程度為設(shè)備設(shè)置通行優(yōu)先級別，對信號燈控制規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，建立了環(huán)網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，確保信息傳輸?shù)募皶r性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)井下紅綠燈的自動控制，有效規(guī)范車輛的行駛行為，以保障斜坡道交通的順暢，提高運(yùn)輸效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保障井下生產(chǎn)管理的順暢溝通與協(xié)調(diào)。

1 工程背景

某超大型金礦采用地下開采，斜坡道開拓，礦巖及材料均采用移動設(shè)備通過斜坡道運(yùn)輸，采礦方法為上向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法，中段高度60 m，分段高度20 m，分層高度5 m，最終開采深度接近1 000 m。礦巖為砂巖和泥巖，遇水易泥化、板結(jié)，加之礦體形態(tài)向深部逐漸縮小，限制了對溜井及豎井提升系統(tǒng)的應(yīng)用。礦山一直采用斜坡道進(jìn)行開拓，卡特AD45B卡車進(jìn)行礦巖及材料運(yùn)輸。斜坡道斷面為5.0 m×5.5 m，坡度不超過1/7。礦山自有主要生產(chǎn)設(shè)備均為大型無軌設(shè)備，加上礦山深部延伸擴(kuò)能工程建設(shè)施工方生產(chǎn)設(shè)備及其他輔助車輛，下井車輛達(dá)150多輛。礦山產(chǎn)能120萬t/a，運(yùn)輸任務(wù)繁重，斜坡道交通運(yùn)輸繁忙，擁堵問題嚴(yán)重，車輛追尾、碰撞的安全事故時有發(fā)生,交通擁堵及交通事故嚴(yán)重影響礦山的安全高效生產(chǎn)。

礦山前期已建有設(shè)備人員定位系統(tǒng)及語音對講系統(tǒng)。設(shè)備人員定位系統(tǒng)僅用于定位，且建設(shè)時間較早，定位精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性均不能滿足高精度交通管控的要求?！罢Z音對講系統(tǒng)報(bào)站”是井下唯一的交通管控方式，由于車輛較多，“報(bào)站”長時間占用語音對講系統(tǒng)，導(dǎo)致車輛無法報(bào)站的情況經(jīng)常發(fā)生；同時，井下生產(chǎn)管理的溝通協(xié)調(diào)也是通過該語音對講系統(tǒng)進(jìn)行的，大量的車輛“報(bào)站”嚴(yán)重影響井下生產(chǎn)管理的溝通與協(xié)調(diào)。

2 井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)由車輛定位模塊、信號燈控制模塊、綜合分站、綜合網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺、控制中心、B/S客戶端組成[11]。其中，車輛定位模塊包括安裝于斜坡道的定位天線、激勵器和車載定位卡，信號燈控制模塊由紅、黃、綠三色信號燈燈組及控制器組成；綜合分站與定位天線、信號燈控制器連接，并通過千兆光纖接口接入井下光纖環(huán)網(wǎng)；綜合網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺由井下光纖環(huán)網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、地表主干光纖、局域網(wǎng)接入機(jī)柜交換機(jī)組成；控制中心由服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

圖1 井下斜坡道交通信號自動控制原理圖

2.2 井下系統(tǒng)設(shè)備布置

井下系統(tǒng)設(shè)備布置如下：①在斜坡道每個岔口安裝1臺綜合分站，綜合分站之間通過光纖環(huán)網(wǎng)連接；②在每個岔口安裝3組信號燈，分別用來指揮上行、下行和從支路進(jìn)入斜坡道的車輛；③在分段聯(lián)巷等支路內(nèi)安裝1組信號燈；④在岔口安裝1組天線，進(jìn)行斜坡道無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋；⑤在岔口的每個路口各安裝1組激勵器，用來輔助車輛定位并精確控制信號燈[3]；⑥在彎道盲區(qū)位置增加綜合分站和定位天線。井下系統(tǒng)的設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)井下設(shè)備布置示意圖

2.3 車輛定位與識別

車輛定位系統(tǒng)采用基于ZigBee TOF的定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對井下車輛的實(shí)時定位。通過基站和定位模塊，實(shí)現(xiàn)斜坡道及其支路的ZigBee信號全覆蓋。每輛下井的車輛均安裝1臺定位卡，每輛車的定位卡都有唯一的ID，并與車輛所屬種類、車牌號、使用部門等信息綁定?；陲w行時間定位算法實(shí)現(xiàn)移動車輛定位，并采取特殊的碰撞避免策略及靈活的隨機(jī)算法保證高速不漏卡?？紤]到井下無線信號傳播環(huán)境相對復(fù)雜，影響定位精度[12]，增加了激勵器輔助車輛定位系統(tǒng)定位，用于車輛的近距離識別。當(dāng)裝有車載定位卡的車輛進(jìn)入激勵器識別范圍后，定位卡被激勵，激勵器將自身ID通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至定位卡，定位卡將激勵器ID及自身的特征信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至綜合分站，綜合分站將信息上傳至控制中心，從而獲取車輛及其準(zhǔn)確的位置信息，其定位精度可達(dá)到3 m以內(nèi)。

2.4 信息傳輸

車載定位卡與綜合分站之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸。綜合分站接入井下千兆光纖環(huán)網(wǎng)，綜合分站與綜合分站之間、與地表控制中心之間、與信號燈控制器之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。井下千兆光纖環(huán)網(wǎng)從物理和邏輯上考慮環(huán)網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，如果在環(huán)網(wǎng)中某個分站或鏈路發(fā)生故障，傳輸路徑將選擇反方向傳輸，保證傳輸平臺通道信號不中斷，而且系統(tǒng)能及時診斷出故障點(diǎn)以便維修，為系統(tǒng)信息傳輸提供可靠保障。

2.4.1 信號燈的控制規(guī)則

相對于“閉鎖”控制規(guī)則，“優(yōu)先級別”控制規(guī)則允許車輛同向進(jìn)入某一路段而互不影響，同時可以確保救援車輛等特殊車輛優(yōu)先通行。考慮井下車輛的重要性及避讓難易程度的差異性，本系統(tǒng)采用“優(yōu)先級別”控制規(guī)則。

2.4.1.1 車輛優(yōu)先級別

為確保井下緊急情況下救援車輛的通行不受限制，將救援車輛優(yōu)先級別設(shè)為最高。上行載重卡車優(yōu)先級別僅次于救援車輛，一方面是因?yàn)槠渥屲囕^為困難，另一方面是因?yàn)榭ㄜ噧?yōu)先通行有助于提高卡車的運(yùn)輸效率。各類車輛優(yōu)先級別如表1所示。

表1 井下車輛的優(yōu)先級別

2.4.1.2 控制規(guī)則

1)優(yōu)先級別為“1”的救援車輛進(jìn)入巷道后，與其對向的所有信號燈被設(shè)置為紅燈，井下所有車輛提前進(jìn)行避讓，確保救援車輛行駛暢通。信號燈控制示意圖如圖3所示。

圖3 最高優(yōu)先級別車輛入井時信號燈控制示意圖

2)上行載重卡車的優(yōu)先級別被設(shè)置為“2”，如圖4所示，當(dāng)其在巷段1內(nèi)上行行駛時，路口1的下行信號燈被設(shè)置為紅燈，路口2的下行信號燈將被設(shè)置為黃燈。此時，路口1的其他對向車輛將提前進(jìn)行避讓，而路口2的對向車輛在遇上黃燈時，可以在原地稍作停留，若黃燈變?yōu)榧t燈，則該車應(yīng)提前進(jìn)行避讓，若黃燈變?yōu)榫G燈，說明載重卡車已駛?cè)敕种锒?，其他車輛可以繼續(xù)行駛。

圖4 上行載重卡車行駛時的信號燈控制示意圖

3)當(dāng)優(yōu)先級別為“3”的車輛進(jìn)入巷段1時，僅有路口1的信號燈亮紅燈，如圖5所示。

圖5 低優(yōu)先級別車輛信號燈控制示意圖

4)當(dāng)車輛同向行駛時，前車不會影響后車正常通行，如圖6所示。

圖6 車輛同向行駛時信號燈控制示意圖

5)系統(tǒng)允許人工干預(yù)，特殊情況下，可以臨時提高個別車輛的優(yōu)先級別，或者人為設(shè)置信號燈狀態(tài)，確保特殊情況下特殊車輛優(yōu)先通行。

2.4.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的核心為網(wǎng)絡(luò)通信及信號燈控制模塊，結(jié)合礦井GIS系統(tǒng)，實(shí)時可視化顯示井內(nèi)信號燈狀態(tài)，車輛、人員分布信息。同時，增加了設(shè)備歷史軌跡存儲與查詢、車輛違章信息存儲與查詢、卡車運(yùn)輸量統(tǒng)計(jì)等輔助功能。

3 井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 交通信號自動控制

該超大型金礦井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)自2018年建成投入使用以來，共安裝綜合分站54臺，交通信號燈72組，實(shí)現(xiàn)了斜坡道、各分段聯(lián)巷及主要分段的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在斜坡道各岔口均安裝了信號燈，車輛定位準(zhǔn)確，在設(shè)定的控制邏輯下，實(shí)現(xiàn)了交通信號燈的準(zhǔn)確、有序和穩(wěn)定運(yùn)行，如圖7所示。

圖7 井下紅綠燈實(shí)際運(yùn)行效果圖

3.2 輔助功能

1)系統(tǒng)狀態(tài)、車輛位置信息實(shí)時動態(tài)監(jiān)控。開發(fā)了客戶端應(yīng)用程序，結(jié)合礦井GIS系統(tǒng)，可視化實(shí)時動態(tài)顯示井下信號燈狀態(tài)、車輛和人員位置信息等。

2)車輛歷史運(yùn)行軌跡回放。車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，可對車輛的歷史運(yùn)行軌跡進(jìn)行查詢與回放。

3)違章查詢。車輛的不規(guī)范行駛，是導(dǎo)致井下交通事故的主要原因，系統(tǒng)自動記錄車輛超速、闖紅燈等違章行為，并保存在數(shù)據(jù)庫中，可通過客戶端進(jìn)行查詢。

4)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過運(yùn)輸卡車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動統(tǒng)計(jì)卡車的運(yùn)輸次數(shù)，再根據(jù)經(jīng)過長期統(tǒng)計(jì)與修正后的卡車載質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸量的自動統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，供查詢或生成報(bào)表，報(bào)表可以打印或?qū)С鰹镋xcel文件。

3.3 應(yīng)用效果

1)該超大型金礦井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)自正常運(yùn)行以來，井下交通事故的發(fā)生率大幅下降，從年均10起以上，降為年均5起以下，且均為輕微級別，有效保障了井下斜坡道運(yùn)輸安全。

2)紅綠燈系統(tǒng)的應(yīng)用，使得司機(jī)可以提前避讓前方車輛，基本杜絕斜坡道上非車輛故障原因造成的交通擁堵及車輛長距離倒車現(xiàn)象。

3)系統(tǒng)建成前，AD45B卡車的平均運(yùn)輸效率為108 t·km/h，系統(tǒng)建成后，平均運(yùn)輸效率為114 t·km/h，運(yùn)輸效率提升了5.6 %。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，每臺運(yùn)輸卡車的年均運(yùn)行時間為4 600 h，平均拉運(yùn)距離為3.3 km，按每年生產(chǎn)330 d計(jì)算，則8臺AD45B卡車每年的拉運(yùn)總量增加66 909 t，根據(jù)實(shí)際礦廢比例，礦石拉運(yùn)量增加50 516 t。按礦石品位3.2 g/t、綜合選冶回收率86 %、黃金銷售價格340元/g計(jì)算，則礦山每年產(chǎn)值增加4 727萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4)系統(tǒng)建成后，已基本不需要使用語音對講系統(tǒng)進(jìn)行車輛報(bào)站，大大提高了使用對講機(jī)進(jìn)行溝通的效率，提高了生產(chǎn)調(diào)度效率。

4 結(jié) 論

1)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井下人員及車輛高精度定位，精度可達(dá)到3 m以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了信號燈的自動控制，規(guī)范了井下斜坡道行車。

2)系統(tǒng)建成后，AD45B卡車的平均運(yùn)輸效率提升了5.6 %，年拉運(yùn)總量增加了66 909 t，每年產(chǎn)值增加4 727萬元。

3)井下斜坡道交通信號自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行有效降低了井下行車安全風(fēng)險(xiǎn)，井下交通事故的發(fā)生率大幅下降。

4)該超大型金礦原來使用的井下語音對講系統(tǒng)長時間被車輛報(bào)站占用的情況得到改善，井下生產(chǎn)組織和管理溝通效率得以大幅提升。

5)開發(fā)了設(shè)備位置實(shí)時顯示、車輛歷史運(yùn)行軌跡回放、違章查詢、生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計(jì)等輔助功能，提高了礦山生產(chǎn)調(diào)度指揮效率。

6)該超大型金礦井下紅綠燈自動控制系統(tǒng)的研發(fā)，提高了井下運(yùn)輸安全性和斜坡道運(yùn)輸效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。