基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统

刘 毅，王帅龙，沈博源，陈浩浩

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

煤炭是我国的主要能源，矿井轨道运输是煤炭生产的重要运输方式，轨道运输列车受物料等异物洒落、超速、追尾、及其他人为因素影响，易发生掉车、脱轨等事故，一旦发生安全事故，不仅给列车本身带来了损坏，更威胁到了工作人员的生命健康，也严重影响矿井运输的效率和煤矿的正常运营。现有煤矿井下列车安全监控系统主要以沿轨道安装的各类开关传感器为主，这种方法所需传感器数量多，建设成本高，不易维护，维护成本高。列车自身安装的传感器一般只能监测牵引机车的运行状态，无法监测整个列车的运行状态。所以急切需要一种成本低，工程实施简单，可准确对矿井轨道运输列车整体的运行状态进行监测，准确有效地对掉车、脱轨等事故隐患进行预警和报警的方法与系统。

1 系统设计

1.1 总体设计

本文设计了一种基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统，主要包括速度检测单元、列车检测单元、无线通信网络、有线通信网络以及监控终端。

所述速度检测单元部署在矿井运输轨道周边，包括位置开关、测速模块、数据处理器A，位置开关、测速模块通过电缆连接数据处理器A；所述位置开关靠近安装轨道安装，用于监测列车的位置；所述测速模块安装在轨道上方的顶板或支架上，用于测量列车的行驶速度；所述光通信发送模块临近测速模块安装，用于发送包括列车的行驶速度数据的光信号。

所述列车检测单元部署在列车上，包括光通信接收模块、加速度测量组、数据处理器B和声光报警模块，无线通信模块；所述光通信接收模块安装在列车的车头位置，用于接收光信号，获取列车行驶速度数据，通过有线或无线通信方式连接数据处理器B进行通信。所述加速度测量组包括至少两个加速度传感器，传感器1和传感器M，分别安装在列车的牵引机车车头和车位位置，加速度传感器通过有线或无线通信方式连接数据处理器B进行通信。所述数据处理器B负责处理加速度数据和速度数据，通过车头和车尾的加速度数据判定列车行驶状态，当监测到数据异常则控制声光报警单元发出声光报警信号，并控制无线通信模块通过无线通信网络和有线通信网络向监控终端发送报警信息。

1.2 工作过程

系统检测列车行驶状态的工作过程为：

（1）列车行驶中触发位置开关，数据处理器A接收开关信号。

（2）数据处理器A控制测速模块对列车行驶速度进行测量。

（3）数据处理器A控制光通信发送模块发送包括列车的行驶速度的光信号。

（4）数据处理器B通过光通信接收模块接收光信号，获取列车行驶速度数据ν。

（5）数据处理器B以采样频率f连续采集加速度传感器的加速度数据S秒为传感器1和传感器M的直线距离，f为设定值。

（6）数据处理器B参考列车行驶速度，通过车头和车尾的加速度数据判定列车行驶状态，当监测到数据满足预警条件，则控制声光报警单元发出声光报警信号，并通过无线通信网络；当监测到数据满足报警条件，则控制列车紧急制动停车。

2 系统具体结构

基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统实施如图1所示，系统包括：

图1 基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统示意图

（1）数据处理器B（101），数据处理器B负责处理加速度数据和速度数据，通过车头和车尾的加速度数据判定列车行驶状态，当监测到数据异常则控制声光报警单元发出声光报警信号，并控制无线通信模块通过无线通信网络和有线通信网络向监控终端发送报警信息。数据处理器B可采用可编程控制器或以单片机为核心处理芯片并带有完整外围辅助电路的装置，本示例采用可编程控制器。

（2）光通信接收模块（102），光通信接收模块安装在列车的车头位置，用于接收光信号，获取列车行驶速度数据，通过有线或无线通信方式连接数据处理器B进行通信。光通信接收模块采用以光敏二级管为核心元件，并具有放大电路和滤波电路的装置。

（3）传感器1（103），传感器1通过有线或无线通信方式连接数据处理器B进行通信，采用以三轴加速度传感器为核心元件，且具有完整辅助电路和有线或无线通信功能的模块。传感器1安装在列车的牵引机车车头位置，平行于列车的车厢底板平面安装，z轴垂直于列车车厢底板平面，x轴平行于列车行驶方向。

（4）传感器M（104），传感器M通过有线或无线通信方式连接数据处理器B进行通信，采用以三轴加速度传感器为核心元件，且具有完整辅助电路和有线或无线通信功能的模块。传感器M安装在列车的牵引机车尾部，平行于列车的车厢底板平面安装，z轴垂直于列车车厢底板平面，x轴平行于列车行驶方向。

（5）无线通信模块（105），无线通信模块为无线通信网络的移动通信终端设备，用于列车与井上监控终端通信。

（6）声光报警模块（106），具有声光报警功能，受数据处理器B（101）控制进行声光报警。

（7）位置开关（107），位置开关可采用红外接近感应开关、红外对射感应开关或行程开关，本示例采用红外接近感应开关，靠近轨道安装。

（8）测速模块（108），本示例测速模块采用多普勒测速模块，通过电缆连接数据处理器A，测速数据由数据处理器A根据多普勒测速模块产生脉冲频率计算得到。

（9）光通信发送模块（109），光通信发送模块负责发送包括列车的行驶速度数据的光信号，采用以发光二级管为核心元件的模块。

（10）数据处理器A（110），数据处理器A负责根据位置开关的脉冲信号驱动测速模块进行测速，并控制光通信发送模块发送包括列车的行驶速度数据的光信号。数据处理器B可采用可编程控制器或以单片机为核心处理芯片并带有完整外围辅助电路的装置，本示例采用以单片机为核心的装置。

（11）无线通信基站（111），是无线通信网络的接入设备，负责包括无线通信模块（105）在内的移动通信终端设备的无线接入通信，与井下交换机（112）通过有线方式连接通信。

（12）井下交换机（112），是有线通信网络的井下交换设备，负责井下有线通信设备的数据交换，多个井下交换机可组成矿用数据环网，通过通信线缆连接核心交换机（113）。

（13）核心交换机（113），是有线通信网络的核心交换设备，负责有线通信网络中所有设备的数据交换。

（14）监控终端（114），负责显示矿井轨道运输列车的运行状态，为系统使用人员提供人机管理界面和接口。监控终端具有声光报警功能，当接收到列车异常的预警或报警信息，则声光报警。

3 监测具体流程

基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统监测流程如图2所示：

图2 基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统监测流程图

（1）数据处理器A检测位置开关信号，如有信号输入则执行步骤2，否则继续检测。

（2）数据处理器A控制测速模块对列车行驶速度进行测量。

（3）数据处理器A控制光通信发送模块发送包括列车的行驶速度的光信号。

（4）数据处理器B通过光通信接收模块接收光信号，获取列车行驶速度数据ν。

（5）数据处理器B连续采集加速度传感器的加速度数据。

（6）数据处理器B参考列车行驶速度，对车头和车尾的加速度数据进行处理。

（7）根据步骤6的数据处理结果判定是否满足报警条件，如满足则执行步骤8，否则执行步骤9。

（8）数据处理器B控制列车紧急制动。

（9）根据步骤6的数据处理结果判定是否满足预警条件，如满足则执行步骤10，否则返回步骤1继续检测。

（10）数据处理器B控制声光报警模块发出声光报警信号。

（11）数据处理器B控制无线通信模块发出列车报警信息。

（12）列车报警信息通过无线通信网络和有线通信网络传输至监控终端，监控终端显示报警信息并声光报警。

根据以上流程所述，系统监测列车的次数与系统速度检测单元部署密度相关，要提高监测实时性则需增加速度检测单元数量，增加速度检测单元数量，则会增加系统硬件和维护成本。为解决这一矛盾问题，需列车检测单元具有自主速度检测能力和监测自主触发能力，不完全依靠速度检测单元。因此，可在列车上增加通过检查车轮转速的速度传感器，并在数据处理器B设置定时器，自动定时启动监测流程，进一步保证系统实时性。此外可在列车中部每个车厢安装了加速度传感器，所述传感器安装方法与（103）、（104）相同，可进一步保证系统监测的精度和准确性。

4 结束语

本文系统设计了一种基于延时数据监测的矿井轨道运输感知系统，用于对矿井轨道运输列车整体运行状态进行监测。本系统设计核心组成部分为2个加速度传感器，通过这2个设备可实现矿井列车整体运行状态监测所需数据的采集，通过对采集的延时数据的处理，可实现对列车整车纵向和横向的异常变化的监测，监测结果可靠，易于工程实施。本系统可结合井下无线定位技术和系统，使系统结构进一步简化，提高系统的实时性，限于篇幅，本文不再对具体方案进行赘述。