井下行车管理系统设计

摘 要：胶轮车在井下辅助运输领域的应用越来越广泛，但井下行车主要还是采用人工管理方式，存在效率较低、安全隐患较大等问题。为适应智慧矿山的发展趋势，提高井下胶轮车的行车效率和安全性，设计一套胶轮车运输管理系统，分析和研究井下运输的数学模型和典型的三叉巷道的行车管理策略，并对行车管理系统软件框架及主要子程序流程图进行设计。这套系统可实时监测井下行车状况并对车辆进行调配和管理，大大提高井下车辆行车管理的效率和智能化程度。

关键词：无轨胶轮车；管理系统；软件；车辆管理；智能化

中图分类号：TP319 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）28-0123-04

Abstract： Rubber-tyred vehicles are becoming more and more widely used in the field of underground auxiliary transportation， but underground driving mainly adopts manual management methods， which has problems such as low efficiency and large safety hazards. In order to adapt to the development trend of smart mines and improve the driving efficiency and safety of underground rubber-tyred vehicles， a rubber-tyred vehicle transportation management system is designed; the mathematical model of underground transportation and the driving management strategy of typical three-pronged roadways are analyzed and studied; and the software framework and main subroutine flow chart of the traffic management system are designed. This system can monitor underground driving conditions in real time and deploy and manage vehicles， greatly improving the efficiency and intelligence of underground vehicle driving management.

Keywords： trackless rubber-tyred vehicle; management system; software; vehicle management; intelligence

煤矿井下辅助运输是煤炭生产的重要组成部分，主要用于井下物料和人员的运输。近年来，无轨胶轮车凭借灵活机动、适应性强等特点成为了辅助运输的主要装备[1-2]。由于无轨胶轮车在井下行车存在自由性较大、工况环境恶劣、巷道条件复杂和照明不够充分等不利因素，如果没有一个统一和规范的管理，容易发生交通混乱、拥堵，4wafY+ci18Bm6dyJedGYZo2SDkRJL1u1yhf20u8yTpE=影响煤矿生产过程的连续性，甚至导致严重的人员伤亡事故。针对该问题，有必要结合矿井实际情况，设计研究无轨胶轮车的运输管理和调度系统，对矿井中运行的车辆进行有效管理，避免发生交通安全事故[3]。此外，煤矿信息化历经数字矿山和感知矿山阶段的建设，当前正朝着智慧矿山迈进[4]。已经批量使用无轨胶轮车的矿井，在制定相应车辆管理和行车规范制度的同时，还应该提高井下辅助运输管理和调度的智能化程度。配置一套井下车辆运输管理系统，不仅是搭建智慧矿山的重要环节，而且对提高井下无轨辅助运输的安全性、高效性都有重要的意义。

1 系统的功能及构成

井下胶轮车运输管理系统由井上和井下2部分组成，井下部分还包括网络层和设备层。井上部分是系统的主节点，通过收集井下分节点实时反馈回的车辆行车交通信息，经过服务器的逻辑计算，给井下各个巷道分节点和车辆发出调度和管理命令，并把井下行车情况和交通信息呈现在指挥中心的终端显示屏上，以便管理人员监控和干预。井下部分中的网络层通过有线网络和井上层相连接，为井上部分提供井下的车辆情况，并接受上级指令，同时还通过布置在辅助运输巷道的无线节点和处于设备层的车辆进行数据交互，接收车辆的位置和车况信息并根据上层指令对车辆进行管理。系统结构如图1所示。

系统具有管理和调度、可视化监测、通信和报警等功能。

井上层主要由服务器和交换机组成，是整个系统的核心，负责整个系统的数据汇总和运算，以及下级系统的调度和管理。

井下层的第一层为网络层，井下基站通过矿用本安交换机和控制分站来连通网络，交换机与井上层设备相连接，控制分站连接到终端的矿用本安摄像头、交通信号灯、无线定位节点和数据通信节点。井下布置定位节点可采用UWB定位技术，UWB抗干扰性强，定位准确，更加适用于煤矿井下人员和车辆定位[5]。井下数据无线通信可以采用Wi-Fi技术，已经经过多个煤矿的应用检验，高效稳定；可以考虑在巷道中布置Wi-Fi基站，在无轨胶轮车上安装带有无线Wi-Fi信号发射设备来传输无轨胶轮车的运行参数[6]。

井下层的第二层为设备层，无轨胶轮车通过车载信号发射器与网络层设备进行定位和数据交换，实时将无轨胶轮车的运行状态数据传输到井上指挥中心并接收上级指令。

2 巷道行车管理策略

2.1 策略方案设计

无轨胶轮车在井下巷道的行车有3种常见的巷道类型，分别是单车巷道、双车巷道、三岔巷道。

由于地质和工程规划等因素，井下有些运输巷道只能容纳单车道行驶。在这些单车巷道中，为了解决双向行车问题，就需要在约100～200 m的距离建设一个会车硐室，会车硐室一般可设置在出井的行车方向一侧，每次会车时，出井的车辆停靠会车硐室避让前方来车[7-8]。

双车巷道较宽，可以容纳两车相向行驶，行车需要注意的是要保持前后车距，既要避免因车距过近而出现安全隐患，又要避免车距过大降低运输效率。

三岔巷道综合性较强，由于3个方向都可能有车辆往来，巷道的宽窄也不相同，行车路况较为复杂。通常把三岔巷道交汇处作为重点管理区域，根据3个巷道的行车特点，以单行巷道为例，规划三岔巷道的优化行车管理策略方案，如图2所示。

图2中D表示行车方向，三岔巷道一共有2种直行和4种拐弯方向；图中H表示会车硐室，在三岔巷道设置了3个会车硐室；图中L表示信号灯，设置了4个信号灯。该方案中，D2方向来车为最高优先行车等级。当D1和D2直行方向有来往车辆时，L3为红灯，L1和L2根据会车车距变为红灯，D1方向车辆避入会车硐室H1或H2，D2方向车辆畅通直行。当车辆由D1或D2向D4转向时，L3灯变为红灯，D3方向车辆避入会车硐室H3。当车辆由D3方向往D1或D2转向时，L1变为红灯。岔道中还设置有手动控制信号灯L4，可在必要时停止D2方向行车。

2.2 系统数学模型及算法

依据辅助运输的任务要求，设计算法求解运输系统的行驶路径策略，得到最佳车、货配置和路径的运输方案。数学模型中将完成运输任务的最低运输总量作为目标函数，表达式

M=min∑∑wdijvij，（1）

式中：M为运输总量；w为胶轮车的种类；vij为从装料库i到卸料点j的运输量；dij为从装料库i到卸料点j的距离；m，n为仓库和工作面总数。

数学模型的约束函数主要有运能约束、装载效率约束和道路约束等。其中的运能约束是指每台胶轮车的装载量有限时，在满足安全性的情况下胶轮车的最大运载量，表达式为

Ci≤∑Li，i=1，2，…，n， （2）

式中：C为某任务中总运载质量；L为未派车辆最大运能。

为了将交通运输的现实问题转化为数学算法问题，将车辆的运输要求和运输路线方案转换为编码，对车辆选择运输路径问题运算求解，就可得到优化的运输方案。

3 软件的设计方案

根据以上的分析，以井上的主站管理系统为核心，以井下各个基站的数据采集和控制为实施节点。实现井下无轨胶轮车行车的监控、调配、路线规划和调度等功能。对井下胶轮车行车管理系统软件进行了设计，该系统主要由井下行车管理模块、胶轮车参数监控模块、远程控制及通信模块和数据库管理模块等部分组成，软件框架图如图3所示。

胶轮车参数监控模块对井下车辆车况数据进行采集、传输、处理，对照安全要求及时发现车辆问题。远程控制及通信模块负责主机和节点之间的控制以及数据的传输、人员通信等。井下行车管理模块是实施井下车辆交通管理的关键模块，软件框架图如图4所示。

井下行车管理模块主要包括行车规划、行车控制程序。行车规划程序用来根据运输需求制定运输方案。行车控制程序用来对巷道中的车辆行驶进行调度和管理，包括车辆定位、行车方向判断、调度控制、红绿灯控制和人工干预等程序。

车辆定位和行车方向判断程序流程图如图5所示。基站实时监控定位节点数据，当收到定位数据时，进行逻辑判断，当数据节点不少于3个时，从中筛选最强信号节点的位置信息，三角质心算法求出车辆坐标，从而实现胶轮车的定位。当定位坐标累积超过2个，根据坐标位置的变化，对数值进行计算，求出车辆的行驶方向。

调度控制程序根据巷道分布和车道情况不同而调用不同的子程序。其中较为重要的是三岔巷道的行车控制程序。根据三岔巷道的行车管理策略，设计了三岔巷道的控制程序流程如图6所示。

程序开始执行时需要对区域内是否有车进行判断，如果区域内有车，根据策略对区域内车辆进行调度。区域内的车辆驶出区域之后，区域外的车辆允许进入区域内，程序根据车辆定位和行驶方向数据进行判断，当来车为多向时，根据行车优先级的策略对往来车辆进行调度，当来车为单向时，则允许车辆直接通行。

4 结束语

针对井下无轨胶轮车行车智能化管理问题，进行了以下研究。

1）设计了一套采用井上层和井下层多系统融合的胶轮车行车管理系统，对其智能化需求、功能以及组成进行了分析说明，该设计方案可以满足井下行车管理的应用需求。

2）研究了胶轮车在井下车辆行车的管理策略，对三岔路口的行车管理策略进行了详细的分析，在保证安全性的同时提高车辆运行效率。并对车辆运输方案的优化数学模型做了分析。

3）研究了系统软件架构，设计了主站管理系统软件及井下行车管理模块软件的框架图，对关键功能的软件程序运行流程进行了绘制和分析。

本研究对胶轮车高效、安全运输和煤矿生产增值提效都有积极意义，为煤矿建设智慧矿山提供理论支持。

参考文献：

[1] 徐利华.综放工作面设备高效率回撤稳装技术探讨[J].煤炭技术，2021，40（7）：138-139.

[2] 魏永胜.防爆胶轮车在神东的应用与适用条件分析[J].煤炭技术，2014，33（12）：295-297.

[3] 黄玉龙.矿井无轨胶轮车运输若干问题[J].当代化工研究，2019（7）：20-21.

[4] 张长鲁.基于数据挖掘的煤矿安全可视化管理研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2015.

[5] 王洋洋.UWB技术在煤矿精确定位中的应用[J].煤炭技术，2020，39（5）：186-188.

[6] 张舜标.基于Wi-Fi技术的矿井无线通信系统设计与实现[J].数字技术与应用，2018，36（3）：142-143.

[7] 何景强.煤矿无轨辅助运输适用条件及装备选型研究[J].煤炭工程，2020，52（6）：179-183.

[8] 张强.浅析煤矿用防爆柴油机无轨胶轮车辅助运输事故致因及预防措施[J].中国设备工程，2019（17）：143-144.