矿井轨道运输智能监控优化调度

2022-08-08冯永军

当代化工研究 2022年14期

＊冯永军

（中阳县发展和改革局山西 033400）

目前，国内多数地区的煤炭生产运作模式仍以井工开采的方式，井工开采的运输模式通常为传送带与轨道矿车相互辅助，其中轨道辅助运输是针对大粒径矿渣运输的主要方式。随着围内煤矿需求的逐渐增长，各地区煤矿的产能压力随之上升，因此进一步提高煤矿的生产能力成为多数煤矿企业关注的重点，在此环境下，部分煤矿企业尝试引入了智能化轨道运输监控系统，在矿车调度方面实现了高效化，但在实际应用过程中，仍然存在不少问题，因此，积极开展矿井轨道运输的智能化监控优化研究对于实现煤矿企业生产的提质增效具有重要的现实意义。

1.国内外轨道运输系统的发展概述

煤矿运输监控系统的出现始于20世纪中期，目前整体信息化程度较高，不同地区的系统发展已经呈现代差趋势。在欧洲地区，相似运输系统以法国CCT63/40以及CMM-20为核心。随后，德国Siemens公司的联合英国相关部门进行升级改造，并出现第二代煤矿监控系统，该系统整体结构包含中控装置、操作设备、监控视频以及矿井的车辆和其他信息传输设备，系统主要依靠程序自动控制驾驶系统，系统结合数据定位系统可根据预设程序进行整体控制，整体经济性较为优秀[1]。我国在60年代引入类似煤矿运输控制系统，经过研究后进行升级，并附加了对应的继电器控制装置，进而解决了我国在相关领域中的设备有无问题。在80年代，随着经济发展社会各界的能源需求逐渐增加，矿井产量逐渐增长，矿井运输，国内针对矿井开采的实际需求引入了西方的机车监控系统，该系统在技术方面率先采用了微波和红外传感技术，整体控制精度较高，但受我国矿井作业环境影响，煤井的复杂电磁环境对传感器的信息传递产生一定影响，因而不适用于我国矿井的实际开采工作[2]。为进一步提升我国矿井运管控制的精度，国内高校和科研单位结合相关经验于技术成果进行深度研发，对现有矿井运输控制系统进行深度改进，现阶段具备成熟技术体系的运管系统有合肥的KJ15A型矿井轨道运输监控系统，常州自动所研制的KJ3Z单板机运输监控系统。结合现阶段轨道智能运输的基本问题，轨道运管监控系统将逐渐走向轻量化、自主化的发展道路。具体形式将呈现为高精度的车辆定位，同时结合智能算法对车辆进行调度管控，从而合理规划机车轨道运输路线，尽可能提高整体运载效率，保障矿机车的安全调度[3]。几类系统监控性能对比如表1。

表1 上述几类系统的监控性能对比

2.机车运输优化调度研究

井下轨道车辆是提高煤矿生产效率的重要工具，但受煤矿井下错踪复杂的环境限制，运输效率有限，因此，如何保证运输矿机车在有限区域内继续高效调动运输成为众多矿企研究的重要方向，积极提高矿井轨道机车的调度效率，进而形成产量优势对于企业快速占据市场主动权意义重大。早期阶段的煤矿井下机车主要由管理人员进行按需分配，调度方案通常采用手动方式进行运输任务安排。此类车辆调度安排方式仅针对基础的运输任务制定，对于潜在运输任务缺少考虑，同时忽视了多种外部影响因素对机车运输效率的影响，不仅影响机车调度路线的最优路径规划工作，同时在各类资源消费比方面处于明显劣势地位。另外，缺少针对性的运输机车优化调配方案，导致各类机车无法实现最高效运输，部分机车处于闲置状态。就机车运输调度优化而言，其核心在于把控时间和空间因素对于车辆运行路径造成的实际影响问题，在调度过程中，应结合运输的实际情况不断优化外部影响因素，部分煤矿的采区与车辆停放区域相距较远，由于矿井运输车的自身条件限制，在分别进入各个生产区域的过程中，要求管理人员结合区域位置进行考虑，确保在远距离采区配送任务中实现高效运输与低耗运输。目前矿车优化调度的研究多集中于地理因素，针对相关运输机车的优化调度系统的开发与研究的工作尚处于发展阶段。某型车辆调度优化系统设计思路如图1。

图1 某型车辆调度优化系统设计思路图

3.运输智能监控与优化调度系统方案设计

某地区煤电公司的下属煤矿矿井井深为400m，开采区域据地表375m，该企业煤炭年产量230万吨，开采设备智能化程度较低，用于煤炭运输的工具多为皮带运输和轨道机车辅助的符合运载方式。

(1)系统主体结构设计

针对该煤矿井下当前矿车运输低效率的问题，矿机车运输过程中位置信息传输精度较差以及矿机车运输过程中需手动调整车帘的转辙机信号机等问题，笔者制定了矿机车运输调度的具体系统设计思路。首先根据运输矿机车运输路线对现有的调度策略进行调整，重新划定车辆行进路线，随后结合新的路线规划方案应用西门子PLC为主控制器的车辆调度控制单元，结合物联网以及智能控制算法等相关技术重新调整矿井运输机车各项运行参数的传输方式与现监测方式，同时引入对应的后台监控系统实现对电动转辙机和信号机的远程监控，并将两项设备生成的各类状态数据通过专用数据链回传到地面调度室及逆行分析、处理与储存。在满足数据传输要求以及矿机车运输路劲规划后，对区间闭锁控制方案进行调整，从而进一步优化运输矿机车的基础调度与运管监控方案，进而大幅提升矿井机车的整体生产运输效率，同时降低车辆驾驶员的工作强度，提高车辆的自动化程度与运行精度。

①系统工作设计思路

该系统主要凭借在轨道内测的传感器车辆运行的各项状态进行监控与数据采集，结构主要由主副两组控制单元，借助控制分站实现对区域内的传感器、转辙机、信号机等设备的数据收集工作，同时控制分站结合相关调度指令对转辙机和信号机进行数据交换。主要控制单元通过专用网络与地面连接，以此实现快速的数据交换，当后台管理人员结合运输任务下达对应的车辆调度指令后，系统将直接采集线路中的传感器储存数据，同时明确该条线路的信号机状态数据，当线路状态满足运输的基本条件后，副控制单元则根据状态数据自动控制某一运输区段闭锁，同时相关车辆信号同步调度开启，当转辙机完成对应动作后，相关动作信号同步传回副控制单元内部，PLC系统则根据回传信号在此判断对应线路是否具备运输基本条件，若车辆位置确定，则开启运输指令，若并未到位，则证明电动转辙机或轨道存在问题，应派遣专业人员进行故障确认，并对相关设备进行重启检测，确保进路开放顺序正常。主控制单元通过专用网络实时传递相关信息，对运输矿机车运行数据进行跟踪检测，同时将采集的相关数据直接传输到后台数据库中，当调度员参照具体运输工作方案进行车辆调运时，只需要在上位机监控界面上操作既可实现远程控制。

②机车定位工作设计思路

为提高井下作业矿车的监控精度以及转辙机的控制精度，以此满足矿车高效率运输，合理确定机车位置至关重要，针对此类问题，矿机车引入了RFID区域无线信号覆盖和轨道计轴器的多重定位模式。RFID通过数据网以及无线信号实现车辆定位识别，在需要定位的矿机车上加装对应的具有唯一性的数据标签，在机车开展任务的途中通过特殊数据标签与顶部的标签读卡器进行信息交互，读卡器同步位置信息传输，当携带特殊数据标签的矿机车到达读卡器的信号收集范围内时，数据标签将自动实现与读卡器进行数据互联，进而借助局域网络实现信息的后台传递，进而实现机车的定位。

③机车运输优化调度设计思路

结合矿井机车的具体优化需求，设计人员需在确保各个采区稳定运转的前提下提供一定数量的矿机车同时确保整个路径最短。实现此目的需首先确定各个采区的实际需求，并结合相对距离与位置信息，结合数据调度算法进行方案优化，在进行实际运输调度过程中，必须优先进行位置数据交互，然后针对最短运输方案进行对应相关影响因素筛查，进而优化对应方案，确保筛选后的方案可满足机车运输最短路径要求。调度员根据优化方案进行人工筛查，随后进行自动或手动指令下达任务安排，矿机车根据调度路线进行轨道进路区间的逐段申请和逐段开放。

(2)系统功能

轨道运输智能监控与优化调度系统的自身功能较为复杂，可大幅提升运输效率与安全性，对于现代煤炭企业的生产具有重要的辅助作用，因此系统自身功能是否齐全，影响着整个运输监控系统使用效果。矿井运管调度优化系统具备基础的线路显示功能，从而实现线路的可视化监测，并进行车辆控制。通过实时测定轨道状态以及机车运行状况，并结合系统提供的对应运输调度规划可满足日常运输功能要求。本系统在车辆数据与轨道状态的监控基础上，同时拓展了车辆的实时运输监控功能，引入了集散分布式控制单元以及高精度主控器，结合对应优化方案制定丰富的优化策略，并结合车辆位置数据以及视频监控信号进一步提高系统精确性与可靠性。

在系统设计方面应满足矿机车运输任务情况对不同区域矿车调度的实际需求，以此保证各个生产区域的生产工作顺利进行，因此设计过程中应满足以下系统功能要求。

①机车定位功能系统

应具备完整的地面监控功能，同时通过数据链实时定位井下机车的位置分布情况以及周边区域的车辆分布情况，避免丢车问题出现，以此提高调度员对机车管理工作的整体效率与实际效果。

②手自一体的联网控制功能系统

按照预定运输调度任务内容，系统将通过自检方式确定进路是否通畅，并安排最近距离运输单位进路，并联的转辙机与信号机则协同进行对应的信号控制，锁定其余规划线路，以此维护整体运输路线稳定。当需要增加运输车辆时，为提高整体安全性，调度员可通过数据监控系统直接调整转辙机或信号机进而调整车辆动作，以此满足运输任务变动需求。当PLC控制器出现故障时，后台管理人员应结合具体线路规划内容对相关线路上的电动转辙机进行人为干预，以此提高整个系统的安全性。

③可视化监控显示功能系统

在系统设计过程中，应建立由地面调度室统一监控的可视化数据显示终端，通过终端可实时了解运输矿机车的当前运输状态、任务进度以及前进线路、所在区域、车辆载重、车皮数等相关数据，同时根据任务路线明确当前轨道转辙机的运转状态以及信号机的所处状态数据，区段的轨道路况，以此简化调度员对机车数据检测的工作强度，提高整体效率。

④故障的自动化检测报警系统

该系统应具备一定的自我检测报警能力，通过副控制分站实时收集的设备和传感器状态信息，并统一传输到后台终端系统中，当设备故障时后台系统可根据预知故障类型进行对应语音报警提示，要求后台管理人员迅速开展设备运维管控工作，降低运输安全风险，及时获取并上传对应故障数据，以便后期进行分析整理。

⑤运行数据存储与调取系统

数据库可记录周期时间内的机车的运行和调度数据信息，管理人员可通过手动查询方式确定数据库中存储的某一时间段的矿车任务进度以及实际运行状态，为后续提高机车运输调度系统效能提供数据分析样本，同时该系统应具备针对不同任务自动生成数据报表的功能，统计机车活动的热点区域，从而车辆活动热力图的辅助下强化对车辆的运输管理，对生产情况进行及时的了解和总结。

⑥远程监控与管理功能系统

借助物联网系统可直接实现单车的调度控制，确保运输监控数据可在一定范围内实现数据共享，提高管理效能，在矿局域网上的各台终端均可通过物联网对运输监控系统进行访问。

⑦机车导航功能系统

各类矿机车应具有对应的车辆导航控制系统，为机车司机提供清晰的车辆行驶方向、车辆位置、轨道占用等数据，同时显示机车实况与现场道岔信号机的状态，指导机车司机安全运输。

⑧视频监控功能系统

通过安装在车辆内部的网络视频监控单元，可将视频信号通过网络传输到后台控制室中，从而方便管理人员实时了解井下矿机车的所处状态，调度员结合回传的视频数据内容以及对应调度方案实现车辆的安全管理调度。