基于4G 的矿用特种车辆安全行驶辅助平台_戴剑波.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 基于 4G 的矿用特种车辆安全行驶辅助平台 戴剑波 1, 2 （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） 摘要针对矿用特种车辆设计了一种安全行驶辅助平台，基于 4G 无线通信实现特种车辆数 据、 语音、 视频及监测等信息与地面调度中心实时交互， 将不同信息进行高度融合与共享， 建立 完整的综合安全信息管理平台， 促进管理方式优化， 提升辅助运输安全高效特性， 充分发挥信息 化建设在煤矿安全事故预防中的作用。 关键词 煤矿车辆行驶辅助平台； 4G 通信； 视频信息； 车辆参数； 精确定位 中图分类号 TD65文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0109-03 Safety Driving Assistant Plat for Mine Special Vehicles Based on 4G DAI Jianbo1, 2 （1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China） Abstract A safe driving assistant plat is designed for mine special vehicles. The real -time interaction between special vehicles and ground dispatch center is achieved based on 4G wireless communications, and the interaction ination includes data, voice, video, monitoring ination. Different ination is highly integrated and shared, and the management plat of complete integrated safety ination is established, which can promote the optimization of management mode, enhance the safety and efficiency of auxiliary transportation, and fully play the role of ination construction in the prevention of coal mine safety accidents. Key words driving assistant plat of mine vehicles; 4G communication; video ination; vehicle parameters; precise localization 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 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.022 戴剑波.基于 4G 的矿用特种车辆安全行驶辅助平台 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 109- 111， 116. DAI Jianbo. Safety Driving Assistant Plat for Mine Vehicle Based on 4G ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 109-111, 116.移动扫码阅读 基金项目 中煤科工集团重庆研究院有限公司 2019 年自立重点研 发科研资助项目 （2019ZDXM02） 109 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 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。 2.2井下车辆运行参数安全预警 根据 MT/T 9892006 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 图 1辅助平台整体设计原理框图 Fig.1Principle block diagram of assistant plat 图 2视频信息显示控制逻辑原理框图 Fig.2Principle block diagram of video ination display control logic 110 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 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 9892006 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 图 3软件设计总体框架结构图 Fig.3Overall framework of software design （下转第 116 页） 111 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 出现的同频干扰问题，提出了一种利用跳频技术控 制体征采集终端更改频道，实现生命体征传感器与 数据采集终端之间的高效、实时、无干扰传输的方 法，可有效地解决由于传输干扰所导致的救援效率 受限的实际情况，在保障救援队员安全的同时， 提 升了应急救援能力。 参考文献 ［1］ 刘伟.基于无线 MESH 网络的煤矿应急救援通信系统 研究与设计 ［J］ .数字通信世界， 2018 （11） 48-121. ［2］ 宫成.煤矿可移动式救生过渡站的配置及其供氧系统 设计 ［J］ .工矿自动化， 2013， 39 （2） 90-92. ［3］ 王岩.煤矿应急救援中融合型应急广播系统的应用 ［J］ .现代矿业， 2018， 34 （2） 118-122. ［4］ 魏翠英.基于 WiFi 技术的煤矿井下应急救援无线通 信系统设计 ［J］ .机电工程技术， 2019， 48 （8） 208. ［5］ 王国强.Wi-Fi 视角下矿井应急救援无线通信系统浅 析 ［J］ .煤炭科技， 2017 （3） 204-206. ［6］ 李晓靖.基于 WiFi 技术的井下无线通信系统设计 ［J］ . 通讯世界， 2015 （1） 19. ［7］ 李培煊， 强蕊.基于 WiFi 的煤矿井下应急救援无线通 信系统的研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2011， 7 （4） 139-143. ［8］ 徐亚民.煤矿应急救援系统数字化预警通信研究 ［J］ . 山东煤炭科技， 2012 （3） 223-224. ［9］ 冯珍， 郝晶星.煤矿企业应急救援能力评估 ［J］ .电子科 技大学学报 （社科版） ， 2010， 12 （3） 53-56. ［10］ 张立亚， 孟庆勇， 温良.煤矿应急救援中无线 Mesh 网 络多信道分配算法 ［J］ .工矿自动化， 2015， 41 （6） 83-86. ［11］ 武先利， 王鹏， 温良， 等.一种新型煤矿井下无线通信 系统研究 ［J］ .工矿自动化， 2013， 39 （8） 22-25. ［12］ 赵庆川.基于无线 Mesh 网络的瓦斯监测节点设计 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （10） 101-104. ［13］ 张立亚.矿山救护保障系统设计 ［J］ .工矿自动化， 2018， 44 （12） 19-23. ［14］ 张鹏飞， 杨永生.蓝牙技术在煤矿井下移动通信中的 应用 ［J］ .现代电子技术， 2007 （10） 66-68. ［15］ 侯圣卓.无线通信技术发展趋势研究 ［J］ .中国新通 信， 2019， 21 （1） 10-11. 作者简介 孟庆勇 （1982） ， 山东梁山人， 副研究员， 硕 士， 2008 年毕业于中国矿业大学，从事煤矿安全监控与通 信技术的研究。 （收稿日期 2020-05-09； 责任编辑 陈洋） 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。 参考文献 ［1］ 袁晓明.煤矿无轨辅助运输工艺和发展方向研究 ［J］ . 煤炭工程， 2019， 51 （5） 1-5. ［2］ 李振星， 刘致秀.浅谈煤矿井下辅助运输现状及发展 趋势 ［J］ .能源与节能， 2017， 9 （9） 24-25. ［3］ 王磊.浅谈 4G 无线通信技术在煤矿生产中的应用 ［J］ .煤， 2019， 28 （8） 106-108. ［4］ 郑克新.斜巷轨道运输视频监控装置的研究与应用 ［J］ .煤矿现代化， 2019 （2） 139-141. ［5］ MT/T 9892006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技 术条件 ［S］ . ［6］ 赵欢欢.防爆柴油机自动保护装置应用及发展方向 ［J］ .煤炭与化工， 2018， 41 （11） 93-95. ［7］ 周斌.融合无线定位技术的井下车辆管理系统设计 ［J］ .煤矿机械， 2018， 39 （9） 1-4. ［8］ 丁守坤.煤矿井下车辆定位与信号控制技术研究 ［J］ . 机电产品开发与创新， 2019， 32 （2） 76-78. ［9］ 郭东瑜.矿用防爆胶轮车调度管理系统的设计与实现 ［J］ .煤矿机械， 2016， 37 （11） 13-15. ［10］ 刘宏杰， 张慧， 张喜麟， 等.煤矿无轨胶轮车智能调度 管理技术研究与应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 47 （3） 81-86. 作者简介 戴剑波 （1982） ， 湖南常德人， 副研究员， 硕 士， 2009 年毕业于重庆邮电大学，主要研究方向为煤矿无 线通信技术、 煤矿安全监测监控技术， 发表论文 12 篇。 （收稿日期 2019-09-27； 责任编辑 李力欣） （上接第 111 页） 116 ChaoXing