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    金属矿山井下斜坡道交通信号自动控制系统研发与应用

    时间：2023-06-27 11:35:08来源：百花范文网本文已影响人

    戴芬良，金开玥 ，郑禄林，刘树义，陈忠贺

    (1.贵州工业职业技术学院；

    2.贵州锦丰矿业有限公司；

    3.贵州大学矿业学院；

    4.丹东东方测控技术股份有限公司)

    斜坡道作为矿山最重要的开拓方式之一，其突出优点是可以节省工程量和投资，加快矿山建设速度，缩短矿山建设时间，同时便于无轨设备畅通于各工作面，加快设备周转，提高设备利用率[1]。但斜坡道本身具有宽度有限、坡度大、弯道多、路面湿滑等特点，导致在斜坡道上出现会车、长距离倒车、拥堵等现象，并易发生车辆追尾、碰撞等安全事故[2-3]。为克服上述斜坡道运输存在的缺点，不少研究人员开展了井下斜坡道交通信号自动控制系统的研究，并在一些矿山进行了应用，取得了良好的应用效果[4-7]。井下斜坡道交通信号自动控制系统，主要由车辆定位与识别系统、信号灯组、通信系统及控制中心组成。其中，车辆定位与识别是斜坡道交通信号自动控制系统的基础，直接影响系统的准确性及稳定性。目前，采用的设备定位与识别技术，主要有ZigBee无线通信技术、RFID射频识别技术、Wi-Fi定位技术、UWB定位技术等[8]。由于井下环境的复杂性及斜坡道本身弯道多等特点，单一的定位技术难以满足系统控制精度及实时获取设备位置信息的要求。

    控制中心对信号灯的控制规则直接影响系统对斜坡道交通的管控效果，斜坡道交通控制规则主要有“闭锁”和“优先级别”两种[9]。“闭锁”控制规则将斜坡道划分为段，当有车辆进入某路段时，该路段两端亮红灯，将该路段“闭锁”。“优先级别”控制规则将车辆进行分类，并赋予不同的优先级别，高级别的车辆优先通行。现有的斜坡道交通信号自动控制系统多采用“闭锁”控制规则，例如，程晰等[4]采取的“先到先会让”及“分支让主干”控制规则，以及盛高永等[10]在会宝岭铁矿采用的“同一巷段系统采用对向行驶车辆避让、同向行驶车辆允许跟进1辆”控制规则，“闭锁”控制规则不考虑车辆的避让难易程度及重要性。本研究以某超大型金矿井下斜坡道运输系统为依托，采用ZigBee无线通信技术和RFID射频识别技术协同实现设备高精度定位和识别，同时依据设备重要性及避让的难易程度为设备设置通行优先级别，对信号灯控制规则进行设计。此外，建立了环网光纤网络进行通信，确保信息传输的及时性及系统的稳定性，实现井下红绿灯的自动控制，有效规范车辆的行驶行为，以保障斜坡道交通的顺畅，提高运输效率，降低安全风险，保障井下生产管理的顺畅沟通与协调。

    某超大型金矿采用地下开采，斜坡道开拓，矿岩及材料均采用移动设备通过斜坡道运输，采矿方法为上向水平分层进路式胶结充填采矿法，中段高度60 m，分段高度20 m，分层高度5 m，最终开采深度接近1 000 m。矿岩为砂岩和泥岩，遇水易泥化、板结，加之矿体形态向深部逐渐缩小，限制了对溜井及竖井提升系统的应用。矿山一直采用斜坡道进行开拓，卡特AD45B卡车进行矿岩及材料运输。斜坡道断面为5.0 m×5.5 m，坡度不超过1/7。矿山自有主要生产设备均为大型无轨设备，加上矿山深部延伸扩能工程建设施工方生产设备及其他辅助车辆，下井车辆达150多辆。矿山产能120万t/a，运输任务繁重，斜坡道交通运输繁忙，拥堵问题严重，车辆追尾、碰撞的安全事故时有发生,交通拥堵及交通事故严重影响矿山的安全高效生产。

    矿山前期已建有设备人员定位系统及语音对讲系统。设备人员定位系统仅用于定位，且建设时间较早，定位精度、系统稳定性均不能满足高精度交通管控的要求。“语音对讲系统报站”是井下唯一的交通管控方式，由于车辆较多，“报站”长时间占用语音对讲系统，导致车辆无法报站的情况经常发生；
    同时，井下生产管理的沟通协调也是通过该语音对讲系统进行的，大量的车辆“报站”严重影响井下生产管理的沟通与协调。

    2.1 系统组成

    井下斜坡道交通信号自动控制系统由车辆定位模块、信号灯控制模块、综合分站、综合网络传输平台、控制中心、B/S客户端组成[11]。其中，车辆定位模块包括安装于斜坡道的定位天线、激励器和车载定位卡，信号灯控制模块由红、黄、绿三色信号灯灯组及控制器组成；
    综合分站与定位天线、信号灯控制器连接，并通过千兆光纤接口接入井下光纤环网；
    综合网络传输平台由井下光纤环网、环网交换机、地表主干光纤、局域网接入机柜交换机组成；
    控制中心由服务器、桌面计算机及软件系统组成。系统控制原理如图1所示。

    图1 井下斜坡道交通信号自动控制原理图

    2.2 井下系统设备布置

    井下系统设备布置如下：①在斜坡道每个岔口安装1台综合分站，综合分站之间通过光纤环网连接；
    ②在每个岔口安装3组信号灯，分别用来指挥上行、下行和从支路进入斜坡道的车辆；
    ③在分段联巷等支路内安装1组信号灯；
    ④在岔口安装1组天线，进行斜坡道无线网络覆盖；
    ⑤在岔口的每个路口各安装1组激励器，用来辅助车辆定位并精确控制信号灯[3]；
    ⑥在弯道盲区位置增加综合分站和定位天线。井下系统的设备布置如图2所示。

    图2 井下斜坡道交通信号自动控制系统井下设备布置示意图

    2.3 车辆定位与识别

    车辆定位系统采用基于ZigBee TOF的定位技术，实现对井下车辆的实时定位。通过基站和定位模块，实现斜坡道及其支路的ZigBee信号全覆盖。每辆下井的车辆均安装1台定位卡，每辆车的定位卡都有唯一的ID，并与车辆所属种类、车牌号、使用部门等信息绑定。基于飞行时间定位算法实现移动车辆定位，并采取特殊的碰撞避免策略及灵活的随机算法保证高速不漏卡。考虑到井下无线信号传播环境相对复杂，影响定位精度[12]，增加了激励器辅助车辆定位系统定位，用于车辆的近距离识别。当装有车载定位卡的车辆进入激励器识别范围后，定位卡被激励，激励器将自身ID通过无线网络传输至定位卡，定位卡将激励器ID及自身的特征信息通过无线网络传输至综合分站，综合分站将信息上传至控制中心，从而获取车辆及其准确的位置信息，其定位精度可达到3 m以内。

    2.4 信息传输

    车载定位卡与综合分站之间通过ZigBee无线网络进行信息传输。综合分站接入井下千兆光纤环网，综合分站与综合分站之间、与地表控制中心之间、与信号灯控制器之间通过TCP/IP协议进行通信。井下千兆光纤环网从物理和逻辑上考虑环网冗余设计，如果在环网中某个分站或链路发生故障，传输路径将选择反方向传输，保证传输平台通道信号不中断，而且系统能及时诊断出故障点以便维修，为系统信息传输提供可靠保障。

    2.4.1 信号灯的控制规则

    相对于“闭锁”控制规则，“优先级别”控制规则允许车辆同向进入某一路段而互不影响，同时可以确保救援车辆等特殊车辆优先通行。考虑井下车辆的重要性及避让难易程度的差异性，本系统采用“优先级别”控制规则。

    2.4.1.1 车辆优先级别

    为确保井下紧急情况下救援车辆的通行不受限制，将救援车辆优先级别设为最高。上行载重卡车优先级别仅次于救援车辆，一方面是因为其让车较为困难，另一方面是因为卡车优先通行有助于提高卡车的运输效率。各类车辆优先级别如表1所示。

    表1 井下车辆的优先级别

    2.4.1.2 控制规则

    1)优先级别为“1”的救援车辆进入巷道后，与其对向的所有信号灯被设置为红灯，井下所有车辆提前进行避让，确保救援车辆行驶畅通。信号灯控制示意图如图3所示。

    图3 最高优先级别车辆入井时信号灯控制示意图

    2)上行载重卡车的优先级别被设置为“2”，如图4所示，当其在巷段1内上行行驶时，路口1的下行信号灯被设置为红灯，路口2的下行信号灯将被设置为黄灯。此时，路口1的其他对向车辆将提前进行避让，而路口2的对向车辆在遇上黄灯时，可以在原地稍作停留，若黄灯变为红灯，则该车应提前进行避让，若黄灯变为绿灯，说明载重卡车已驶入分支巷段，其他车辆可以继续行驶。

    图4 上行载重卡车行驶时的信号灯控制示意图

    3)当优先级别为“3”的车辆进入巷段1时，仅有路口1的信号灯亮红灯，如图5所示。

    图5 低优先级别车辆信号灯控制示意图

    4)当车辆同向行驶时，前车不会影响后车正常通行，如图6所示。

    图6 车辆同向行驶时信号灯控制示意图

    5)系统允许人工干预，特殊情况下，可以临时提高个别车辆的优先级别，或者人为设置信号灯状态，确保特殊情况下特殊车辆优先通行。

    2.4.2 软件系统

    软件系统的核心为网络通信及信号灯控制模块，结合矿井GIS系统，实时可视化显示井内信号灯状态，车辆、人员分布信息。同时，增加了设备历史轨迹存储与查询、车辆违章信息存储与查询、卡车运输量统计等辅助功能。

    3.1 交通信号自动控制

    该超大型金矿井下斜坡道交通信号自动控制系统自2018年建成投入使用以来，共安装综合分站54台，交通信号灯72组，实现了斜坡道、各分段联巷及主要分段的无线网络覆盖，在斜坡道各岔口均安装了信号灯，车辆定位准确，在设定的控制逻辑下，实现了交通信号灯的准确、有序和稳定运行，如图7所示。

    图7 井下红绿灯实际运行效果图

    3.2 辅助功能

    1)系统状态、车辆位置信息实时动态监控。开发了客户端应用程序，结合矿井GIS系统，可视化实时动态显示井下信号灯状态、车辆和人员位置信息等。

    2)车辆历史运行轨迹回放。车辆的运行数据存储于数据库中，可对车辆的历史运行轨迹进行查询与回放。

    3)违章查询。车辆的不规范行驶，是导致井下交通事故的主要原因，系统自动记录车辆超速、闯红灯等违章行为，并保存在数据库中，可通过客户端进行查询。

    4)系统数据。系统通过运输卡车的运行数据，自动统计卡车的运输次数，再根据经过长期统计与修正后的卡车载质量，实现运输量的自动统计，统计数据存储于数据库中，供查询或生成报表，报表可以打印或导出为Excel文件。

    3.3 应用效果

    1)该超大型金矿井下斜坡道交通信号自动控制系统自正常运行以来，井下交通事故的发生率大幅下降，从年均10起以上，降为年均5起以下，且均为轻微级别，有效保障了井下斜坡道运输安全。

    2)红绿灯系统的应用，使得司机可以提前避让前方车辆，基本杜绝斜坡道上非车辆故障原因造成的交通拥堵及车辆长距离倒车现象。

    3)系统建成前，AD45B卡车的平均运输效率为108 t·km/h，系统建成后，平均运输效率为114 t·km/h，运输效率提升了5.6 %。根据实际统计，每台运输卡车的年均运行时间为4 600 h，平均拉运距离为3.3 km，按每年生产330 d计算，则8台AD45B卡车每年的拉运总量增加66 909 t，根据实际矿废比例，矿石拉运量增加50 516 t。按矿石品位3.2 g/t、综合选冶回收率86 %、黄金销售价格340元/g计算，则矿山每年产值增加4 727万元，经济效益显著。

    4)系统建成后，已基本不需要使用语音对讲系统进行车辆报站，大大提高了使用对讲机进行沟通的效率，提高了生产调度效率。

    1)该系统实现了井下人员及车辆高精度定位，精度可达到3 m以内，实现了信号灯的自动控制，规范了井下斜坡道行车。

    2)系统建成后，AD45B卡车的平均运输效率提升了5.6 %，年拉运总量增加了66 909 t，每年产值增加4 727万元。

    3)井下斜坡道交通信号自动控制系统的运行有效降低了井下行车安全风险，井下交通事故的发生率大幅下降。

    4)该超大型金矿原来使用的井下语音对讲系统长时间被车辆报站占用的情况得到改善，井下生产组织和管理沟通效率得以大幅提升。

    5)开发了设备位置实时显示、车辆历史运行轨迹回放、违章查询、生产数据自动统计等辅助功能，提高了矿山生产调度指挥效率。

    6)该超大型金矿井下红绿灯自动控制系统的研发，提高了井下运输安全性和斜坡道运输效率，具有良好的经济和社会效益。

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