基于4G 的矿用特种车辆安全行驶辅助平台

戴剑波

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

煤矿井下特种车辆运输不仅可以极大地提高矿井的生产能力和运输效率，还可以大大降低工人的劳动强度，辅助车辆运输在我国煤矿井下占有的比例逐年扩大。为了减少巷道柴油机车废气排放及降低噪音，无轨架线混合动力车井下应用越来越多，而混合动力车与传统柴油机车不同，在井下需要切换电、油动力，进行脱挂网操作。从煤矿安全生产方面看，车辆增多，维护和保养工作量大，行驶时容易出现相互碰撞、擦碰、会车困难等问题，司机操作不当还会引起人员伤亡等事故，同时，不合理调度车辆就会存在僵尸车，拥堵路段，降低生产效率[1-2]。

为解决目前存在问题，设计的特种车辆安全行驶辅助平台基于4G 无线通信技术，在信号覆盖范围内实现数据、语音和视频等信息与地面调度中心信息互联互通，对车辆运行参数实时监控与并存储，车辆位置信息进行监测，车辆运行速度进行预警、地面管理中心与司机音视频语音通话调度，并在车辆可能发生潜在危险时及时警示，最大限度争取应急处置时间，消除事故隐患，提高车辆驾驶的安全性及运输效率[3]。

1 辅助平台整体框架

安全行驶辅助平台均采用符合煤安认证的本质安全设计，浇封兼本安型控制器通过非本质安全CAN 总线方式与机车控制箱CAN 总线进行数据交互，模拟视频信号根据CAN 总线采集不同指令分别切换在辅助倒车、动力切换脱挂网、行车状态监测状态、视频通话状态，在倒车模式下同时开启红外测距探头用于倒车距离测量及声音提示；在4G 基站信号覆盖范围内，信息终端可以将特种车辆运行状态参数、车辆井下行驶位置信息、视频信息等处理后通过以太网接口传输给4G 网关，4G 网关再通过无线的方式经4G 基站上传地面调度中心显示及存储，通过查询历史信息，能够为事故分析以及责任认定等问题提供有力的论据，同时，对于车辆的维护和保养具有量化指导意义。辅助平台整体设计原理框图如图1。

2 辅助平台功能

2.1 视频信息显示

传统特种车辆井下行驶大部分依靠司机经验判断车身与障碍物间距，对司机驾驶技术依赖性较高。混合动力车在电动力、油动力间自由切换时，司机进行脱挂网操作都是凭借经验判断，需耗费大量时间，具有很大的局限性，不利于煤矿安全信息化、安全高效生产工作开展[4]。

辅助平台设计4 路视频信息，针对倒车、行车、脱挂网进行可视化辅助操作，出现异常情况能及时采取相应措施，提高辅助运输的安全管理水平。车辆刹车装置、点火装置、脱挂网装置启用时，控制器通过CAN 接口接收机车控制箱信号并传给终端，终端根据接收到的不同信息，分别将视频切换到倒车视频、行车视频、脱挂网视频模式；紧急情况下，地面调度中心管理人员可以通过音视频通话与井下车辆司机进行通话，终端液晶屏显示当前切换视频信息。同时，终端将视频信息数字处理封装后上传地面调度中心显示及存储。视频信息显示控制逻辑原理框图如图2。

图2 视频信息显示控制逻辑原理框图Fig.2 Principle block diagram of video information display control logic

2.2 井下车辆运行参数安全预警

根据MT/T 989—2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》中4.3.6 中要求，无轨胶轮车应设置自动保护装置，而现有保护装置只能本地显示、本地预警，地面监控中心不能对车辆行车状况、车速、司机操作行为等信息实时监测和历史查询分析，发生事故后往往造成责任不明、互相推诿，同时，对于车辆的维护、保养也没有明确依据，大多依靠固定周期性检修[5-6]。

辅助平台控制器设备可以通过CAN 总线与车辆原有保护装置进行通信，将保护装置采集的车辆参数（如车辆行驶里程、车辆运行速度、瓦斯浓度、补水水位、废气水位、排气温度、发动机表面温度、发动机转速、机油压力、发动机运行时间及柴油机电喷参数等）实时本地显示、监测、预警及通过4G无线传输平台上传地面监控中心显示并存储。地面监控中心可以实时准确了解每台车辆在井下运行状态及司机驾驶行为，通过查阅历史记录有针对性的对车辆进行周期性维护和保养，在车辆出现故障后对车辆诊断分析做到有据可依，实现调度人员更好地、及时地掌握和管理运行车辆。

2.3 井下车辆实时精确定位

煤矿井下环境复杂，光照不足，粉尘多，车辆行驶速度过快或保持安全距离过小都容易引发安全事故，同时，车辆在井下随意停放，会造成道路拥塞，降低运输效率，严重时会发生交通事故。辅助平台配置有精确定位车辆标识卡，与车辆之间通信，实现前后方车辆安全间距测量，根据不同的安全间距对驾驶人员发出预警，防止车辆发生碰撞；与巷道两壁精确定位读卡器之间通信，实现上位机显示车辆在井下实时精确位置信息，合理进行运输调度[7-9]。

为防止井下车辆相互碰撞，车辆标识卡之间可以相互通信，能够实时测量车辆前、后方安全间距，根据MT/T 989—2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》中4.1.5 中要求，结合地面交通安全法规定，井下车辆安全间距设置为50、80、100、120 m 4 个不同等级，当车辆之间安全间距低于50 m时，信息终端会通过喇叭发声提示司机，安全间距高于100 m 时判定为正常间距，在50 m 与100 m之间，信息终端会结合检测到的车辆行驶速度判定是否属于正常间距，从而触发喇叭发声预警。车辆标识卡与巷道两壁读卡器之间通信，实现车辆井下实时位置信息采集，从而确定车辆在井下具体位置。车辆安全间距信息和位置信息均通过4G 网关发送给4G 基站，然后通过井下环网传输到地面调度中心，地面调度中心可以通过软件随时掌握井下每台车辆位置信息和前后车辆间距，同时，对于乱停车辆、僵尸车等可以进行实时调度处理。

2.4 井下音频和视频语音调度

煤矿井下车辆调度手段简单，信息化程度较低，无序运行，常因机车管理审批流程复杂导致车辆空闲，或当井下运行车辆发生设备故障、意外突发事件时，不能及时与地面调度中心传达信息，从而延误问题处理时间，地面调度管理人员也难以及时掌握井下机车的动态及作业情况，这些都会降低井下的运输效率，影响生产工作的正常开展[10]。

辅助平台利用4G 无线通信高带宽传输特性，设计音、视频通话功能，车辆司机能够与地面调度中心实现无线音、视频通话联络，通过语音通话可以使司机和车辆运输管理部门及地面调度中心保持实时通讯，对运输任务进行确认，对车辆、物资进行有效的调度，真正做到在车辆上实现人机交互，司机与调度人员及时沟通、辅助安全驾驶、促进运输效率的提升。视频通话摄像仪还可以用于常态下管理人员对司机驾驶行为的监督，及时给予提醒并纠正，将井下运输事故的发生防范于未然，提升井下运输系统的安全性能。

3 辅助平台软件

车辆安全行驶辅助平台软件集成了视频信息管理单元、车辆运行参数管理单元、车辆位置信息管理单元、音视频通话管理单元4 部分，通过工业以太环网（地面和井下）和4G 无线通信网络进行通讯。整个平台采用统一的架构和标准设计，并为各种业务应用和第三方提供统一的接口，软件设计总体框架结构如图3。

辅助平台软件在设计上划分为终端数据采集及驱动子程序、数据解析及传输子程序、业务应用服务子程序3 个部分。终端数据采集及驱动子程序主要是实现硬件层数据采集及信号转换并进行逻辑分析处理，包括车辆位置信息及安全间距测量分析、音视频数据采集转换、多路视频信号切换控制、4G 网关透传机制逻辑控制、车辆运行参数解析及部分数据本地显示；数据解析及传输子程序主要是实现将终端采集的数据按照标准协议进行封装及传输；业务应用服务子程序主要是将不同种业务对象实例化，实现行车、脱挂网、倒车、司机驾驶行为等视频信息实时显示及存储，车辆运行参数实时显示、统计、存储及历史数据查询，车辆井下实时位置、运行速度信息显示，安全间距大小及车辆超速运行报警，管理人员与井下作业司机音视频通话操作界面等功能的可视化展现。

4 结 语

设计了基于4G 的矿用特种车辆安全行驶辅助平台,介绍了辅助平台的设计原理和功能。目前，特种车辆安全行驶辅助平台系列产品已经取得煤矿本质安全认证，在中煤科工集团太原研究院生产的部分支架搬运车、防爆运料车、防爆无轨胶轮车、防爆运人车上安装，并在内蒙古补连塔煤矿进行工业性试验，借助矿方已建4G 无线通信传输网络，整个平台功能能够完全展示。平台通过对车辆辅助倒车及预警、车辆状态参数显示及预警、井下车辆位置显示及车间距测量预警、车辆超速运行及预警、车辆行驶多角度辅助视频显示等有机结合，具有直观性、有效性、实用性。