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扫码移动阅读 第 ４１ 卷 第 ３ 期 ２０２０ 年 ６ 月 煤矿机电 Ｃｏｌｌｉｅｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ.４１ Ｎｏ. ３ Ｊｕｎ. ２０２０ 单成伟ꎬ刘丰帧ꎬ吕小强ꎬ等. 基于 ＣＳＳ 精确定位技术的胶轮车运输监控系统[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０２０ꎬ４１３２０￣ ２３. ｄｏｉ１０. １６５４５/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｃｍｅｔ. ２０２０. ０３. ００６ 基于 ＣＳＳ 精确定位技术的胶轮车运输监控系统∗ 单成伟１ꎬ２ꎬ刘丰帧１ꎬ２ꎬ吕小强１ꎬ２ꎬ陈晓晶１ꎬ２ １. 天地常州自动化股份有限公司ꎬ 江苏 常州 ２１３０１５ꎻ ２. 中国煤炭科工集团 常州研究院有限公司ꎬ江苏 常州 ２１３０１５ 摘 要 针对 ＫＪ６５０ 胶轮车运输监控系统只提供区域性定位功能ꎬ且维护量大ꎬ无法为车辆提供 精准、实时的位置信息等问题ꎮ 提出了一种基于 ＣＳＳ 精确定位技术的井下胶轮车运输监控系统ꎮ 介绍了总体架构、标识卡设计ꎬ并进行了现场测试等ꎮ 实际应用结果表明ꎬ该系统能有效地识别胶 轮车的位置ꎬ定位精度达到３ ｍ 以内ꎬ比基于射频识别技术的胶轮车运输监控系统的安装及维护更 为简便ꎮ 关键词 胶轮车ꎻ 运输监控ꎻ 射频识别ꎻ 车辆定位ꎻ 线性调频扩频 中图分类号ＴＤ５２５. ６７ꎻＴＰ２７７. ２ 文献标志码Ｂ 文章编号１００１ －０８７４２０２００３ －００２０ －０４ Ｒｕｂｂｅｒ￣Ｔｙｒｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＳＳ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＳＨＡＮ Ｃｈｅｎｇｗｅｉ１ꎬ２ꎬ ＬＩＵ Ｆｅｎｇｚｈｅｎ１ꎬ２ꎬ Ｌ Ｘｉａｏｑｉａｎｇ１ꎬ２ꎬ ＣＨＥＮ Ｘｉａｏｊｉｎｇ１ꎬ２ １. Ｔｉａｎｄｉ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１５ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. ＣＣＴＥＧ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１５ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ＫＪ６５０ ｒｕｂｂｅｒ￣ｔｙｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎꎬ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅꎬ ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｐｒｏｖｉｄｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ａｎｄ ｒｅａｌ￣ｔｉｍｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓꎬ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｒｕｂｂｅｒ￣ｔｙｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＳＳ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｒｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ. Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ￣ｔｙｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ３ ｍꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍｏｒｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ￣ｔｙｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｒｕｂｂｅｒ￣ｔｙｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅꎻ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎꎻ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻ ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ∗天地常州自动化股份有限公司科研项目２０１８ＧＹ１０７ ０ 引言 近年来ꎬ在我国矿井辅助运输中无轨胶轮车应 用越来越多ꎬ主要是这种车无轨道的限制ꎬ具有机动 灵活、适应性强、安全高效、应用范围广等特点ꎮ 它 作为矿井运输系统的补充ꎬ承担矿井的人员、物料、 设备及部分煤炭的运输任务ꎮ 以神东矿区为代表的 大型矿井都采用无轨胶轮车担负运送人员、物料及 设备的任务ꎮ 与传统轨道机车运输相比ꎬ辅助运输 减员 ７０％ꎬ效率也提高 ５ 倍以上[１]ꎮ 但我国大多数 矿井的辅助运输状况相对落后ꎬ其行驶巷道狭窄且 交叉点多ꎮ 随着生产运输任务的增加ꎬ运输车辆逐 渐增多ꎬ给行车造成了很大的困难ꎬ尤其是巷道存在 一定坡度的情况下ꎬ车辆之间不能相互看清ꎬ容易在 区域引起堵塞ꎮ 于是车辆频繁的倒车造成运输效率 低下ꎬ严重时导致碰头、追尾等事故的发生ꎮ 胶轮车运输监控的核心是实时、准确地监测胶 轮车位置ꎮ 现有的胶轮车运输监控系统大多采用 ＲＳＳＩ 射频技术来实现胶轮车的区域定位ꎬ其车辆位 置识别范围较大ꎬ当避让硐室较密集时ꎬ射频信号重 叠ꎬ容易造成位置识别错误[２]ꎮ 部分矿井也通过基 于物理检测的方式如检测地磁变化的机车位置传 感器或检测巷道高度变化的超声波物位传感器ꎬ 来获得车辆的出入列信息ꎮ 但受到地压影响及井下 巷道开挖预埋地磁传感器等诸多的不便ꎬ不利于系 统的大面积推广ꎮ 为此ꎬ本文提出了一种基于 ＣＳＳ 技术的胶轮车运输监控系统ꎮ 该系统利用 ＳＤＳ￣ ＴＷＲ 定位算法和定位管理协议ꎬ不需要进行时钟的 同步ꎬ即可实现矿车的高定位精度ꎬ增强系统的可实 现性和稳定性ꎮ １ 无线测距方法 现有的无线传感器是基于测距的定位方法ꎬ包 括 ＲＳＳＩ、ＴＯＡ、ＴＤＯＡ 和 ＡＯＡ 等ꎮ 基于 ＲＳＳＩ 的定位 方法虽然满足低功率、低成本的要求ꎬ但测距误差较 大ꎻ基于 ＴＯＡ 的定位方法要求节点有精确的时间同 步ꎬ但很难大规模应用于无线传感器的网络定位ꎻ ＴＤＯＡ 定位方法受到超声波传播距离和非视距问题 的限制ꎻＡＯＡ 定位方法需要额外的硬件ꎬ在成本和 功耗上受到限制ꎬ而且还受外部环境的影响[３]ꎮ 在 地面上ꎬ传统的方法还有 ＧＰＳ 辅助定位技术ꎮ 该技 术只适用于无遮挡的室外环境ꎬ在井下环境无法 使用ꎮ ＣＳＳ 线性调频扩频技术是一种应用于无线传感 器网络定位的新型技术ꎬ其在中短距离内具有良好 的定位精度和稳定性ꎬ非常适合井下、室内等无线传 感器网络节点定位ꎮ ＣＳＳ 技术是一种时分多址的定 制应用ꎮ 它利用脉冲压缩使得接收脉冲能量非常集 中而极易被检测出来ꎬ不但提高了抗干扰和多径效 应能力ꎬ而且具有很好的鲁棒性ꎮ ２ 基于 ＣＳＳ 精确定位技术的运输监控系统具体 架构 基于 ＣＳＳ 精确定位技术的胶轮车运输监控系 统由车辆标识卡、位置识别分站、车辆调度控制分 站、信号灯等组成ꎬ如图 １ 所示ꎮ 图 １ 基于 ＣＳＳ 精确定位的胶轮车运输监控系统具体架构 调度控制分站是胶轮车运输监控系统的核心ꎬ 每台调度控制分站具有 ２ 路独立的 ＲＳ￣４８５ 接口ꎬ用 于挂接车辆位置识别分站和信号机ꎮ 它将车辆信 息、设备状态信息等通过 ＣＡＮ 总线传输至地面主机 和其他调度控制分站ꎬ并接收其他调度控制分站的 信号机控制命令[４]ꎮ 调度控制分站能定时巡检沿 线设备获取车辆的出入列信息ꎬ通过 ＲＳ￣４８５ 总线控 制信号机ꎮ 当系统传输通道出现故障时ꎬ各 ＲＳ￣４８５ 回路仍能正常运行ꎮ ＣＡＮ 总线信号经矿用数据光 端机转换为高速网络信号ꎬ又经光纤上井或直接接 入矿井已有的环网交换机ꎬ实现数据信息由井下调 度控制分站到系统主机的远距离传输ꎮ 地面定位服务器可通过网络获取井下设备监 测、控制信息ꎬ实现井下和地面的整个网络信息的监 １２２０２０ 年第 ３ 期单成伟等基于 ＣＳＳ 精确定位技术的胶轮车运输监控系统 控ꎬ实时地显示各个巷道和工作面人员及移动设备 的数量、分布状况、活动轨迹ꎬ并可查询任一指定井 下人员在当前或指定时刻所处的区域、坐标、活动轨 迹等信息ꎬ对井下设备进行远程管理ꎮ 地面定位服 务器依据车辆调度控制分站获得的车辆数量、方向 等信息进行决策ꎬ并直接控制信号灯ꎬ实现自动调度 控制功能ꎬ也可在地面通过上位机下达控制命令到 井下调度控制分站ꎬ实现信号灯的手动控制ꎮ 该系 统通常情况下运行于分站自动控制模式下ꎬ若井下 有特殊要求时ꎬ可进行信号灯手动控制[５]ꎮ ３ 车辆标识卡设计 车辆标识卡可以使用电池和外接直流电源两种 供电方式ꎮ 在使用外接电源时ꎬ一般采取从车辆电 源箱取电的方式ꎮ 为兼容特殊的应用场景和存量市 场用户的使用习惯ꎬ仍保留电池供电的形式ꎮ 但壳 体内浇封电源及电池模块不同时工作ꎮ 定位卡的工作由 ＭＣＵ 控制完成ꎬ它根据配置信 息控制 ＲＦＩＤ 射频电路进行信息的定时发送和与标 识器之间距离测算ꎮ 车辆标识卡发起定位数据包ꎬ 可对定位的数据包和空中传输时间进行处理ꎬ计算 与位置识别分站的距离ꎬ并把距离数据和一些传感 控制信息组成数据包ꎬ通过无线信道发送给位置识 别分站ꎮ ＭＣＵ 选用飞思卡尔的 ＭＫＬ１５Ｚ 系列ꎬ运动 监测功能使用振动传感器ꎬ必要时可以休眠降低本 机功耗ꎬ产品原理如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 车辆标识卡原理 ４ 试验结果分析 为验证所采取的 ＣＳＳ 精确定位技术在井下的 定位精度和传输性能ꎬ在内蒙古门克庆煤矿进行了 实地测试ꎮ 实地巷道的环境温度为 ２０ ℃ꎬ湿度为 ３５％ꎬ车辆标识卡和无线定位基站的发射功率为 ２０ ｄＢｍ前端设计了 ２０ ｄＢｍ 的功率放大电路ꎬ接收 灵敏度为 －９５ ｄＢｍꎮ 在井下实际环境中ꎬ针对不同 的地形条件、不同位置、不同的干扰因素和运动状况 等进行一系列试验测试ꎬ部分测试结果见表 １ꎮ 由 测试结果可知 １ 巷道中停放大型车辆时ꎬ不会对定位精度造 成明显的影响ꎮ ２ 巷道不同的横向位置ꎬ对定位的精度和距离 没有明显的影响 ３ 弯道半圆弯道ꎬ较为平缓ꎬ总长度 ３５ ｍ和 Ｔ 型路口支巷的定位精度基本接近平直巷道的 情况ꎮ ４ 当标识卡与读卡器水平高度差太大时ꎬ信号 接收距离会有所降低ꎮ 基于实际定位卡的安装高 度ꎬ读卡器在不高于３. ５ ｍ 的情况下ꎬ尽量选择较高 的位置安装ꎮ ５ 牛鼻子型转弯位置ꎬ读卡器应尽量安装在鼻 尖位置ꎬ或者鼻尖的对侧ꎬ以保证接收距离覆盖 ３ 个 来车的方向ꎮ ６ 在人体近距离接触并阻挡标识卡时ꎬ会对设 备的天线场特性产生影响ꎬ故标识卡在安装时ꎬ应该 尽量选取距离人体 ５０ ｃｍ 以上ꎬ安装位置前方视距 无屏蔽遮挡的位置ꎮ ７ 有轿厢的人车、指挥车、材料车推荐安装在 挡风玻璃下方位置ꎻ无封闭轿厢的工程材料车ꎬ可安 装在轿厢支柱或无遮挡物的台面上ꎻ封闭式轿厢 ５Ｔ 工程车ꎬ推荐安装在轿厢外侧的固定板上ꎮ ２２煤矿机电２０２０ 年第 ４１ 卷 表 １ 试验测试数据 项目 直巷道 手持测试 直巷道人 距离 ５０ ｃｍ 弯道环境 手提测试 Ｔ 形路口 手提测试 牛鼻子遮挡 侧手提测试 直巷道有障碍 物手提测试 车辆安装 静止测试 ２５ ｋｍ 车速测试 遮挡状态无有无有无有无有无有无有无/无/ ５ ｍ １０ ｍ ２０ ｍ ３５ ｍ ６０ ｍ １００ ｍ 均值/ ｍ 极值/ ｍ 均值/ ｍ 极值/ ｍ 均值/ ｍ 极值/ ｍ 均值/ ｍ 极值/ ｍ 均值/ ｍ 极值/ ｍ 均值/ ｍ 极值/ ｍ ５.０ １.０ ８.５ ２.０ ２１.０ ３.０ ３２.５ ３.０ ６０.５ １.０ １０１.０ ２.０ １３.０ １０.０ １５.５ ９.０ ２１.０ ３.０ / / / / / / ４.５ １.０ １０.５ １.０ ２０.０ １.０ ３５.５ １.０ ６０.５ １.０ １００.０ １.０ ４.５ １.０ １１.５ ２.０ ２１.０ ２.０ ３６.５ ２.０ ６１.０ ２.０ １０１.０ ２.０ ３. ５４.５ ２. ０１.０ ８. ５９.０ ２. ０２.０ １８. ５２１.０ ２. ０３.０ ３３. ５３４.５ ３. ０１.０ ４.０５. ０ ２.０３. ０ １２.０１２. ５ ４.０５. ０ ２２.０２３. ０ ３.０４. ０ ３４.５３３. ５ ２.０３. ０ １２. ５ ７. ０ １９. ５ １３. ０ ２７. ０ ８. ０ ４３. ０ ９. ０ / / / / １４.０ １２.０ １７.０ ７.０ ２７.０ ８.０ / / / / / / ４.５ １.０ ９.０ ２.０ １７.５ ３.０ ３４.５ ２.０ ６１.０ ２.０ １０１.０ ２.０ ５.５ １.０ １２.５ ３.０ ２１.５ ２.０ ３７.５ ４.０ ６２.０ ３.０ １０１.０ ３.０ ５.０ １.０ １１.０ ２.０ ２１.０ ２.０ ３５.５ １.０ ６１.０ ２.０ １０１.０ ２.０ / / / / / / / / / / / / ６. ０ ２. ０ １２. ０ ３. ０ ２２. ０ ３. ０ ３６. ０ ２. ０ ６１. ０ ２. ０ １００. ０ ２. ０ / / / / / / / / / / / / ５ 结论 经实践表明ꎬ基于 ＣＳＳ 精确定位方式可有效地 识别胶轮车位置ꎬ通过车载调节器供电ꎬ解决了原先 便携式的车辆标识卡需要定期充电维护的问题ꎬ大 大减轻了系统的施工工作量ꎬ为矿井胶轮车辅助运 输提供了可靠的避车信号ꎮ 与传统基于射频方式的 胶轮车运输监控系统相比ꎬ新设计的系统性能可靠 稳定ꎬ具有一定的推广价值ꎮ 参考文献 [１] 魏臻ꎬ鲍红杰ꎬ陆阳ꎬ等. 矿井胶轮车运输监控系统信号设计与 调度规则[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５３５０９￣５１４. [２] 赵立厂. 矿井胶轮车运输信号系统的分布式架构设计[Ｊ]. 工 矿自动化ꎬ２０１２ꎬ３８９１０１￣１０３. [３] 刘晓阳ꎬ何赟. 基于 ＣＳＳ 的井下精确定位服务系统设计[Ｊ]. 工 矿自动化ꎬ２０１５ꎬ４１１２４０￣４４. [４] 郭海军ꎬ续芳. 煤矿无轨胶轮车监控调度系统设计[Ｊ]. 工矿自 动化ꎬ２０１３ꎬ３９４９￣１２. [５] 佘九华ꎬ陈小林ꎬ张明杰. 基于物理检测方式的胶轮车运输监 控系统[Ｊ]. 工矿自动化ꎬ２０１６ꎬ４２５９￣１１. 作者简介单成伟１９８２ꎬ男ꎬ高级工程师ꎮ ２００７ 年毕业于合肥 工业大学硕士学位ꎬ现主要从事煤炭辅助运输开发工作ꎮ 收稿日期２０１９ －０６ －１９ꎻ责任编辑姚克 ３２２０２０ 年第 ３ 期单成伟等基于 ＣＳＳ 精确定位技术的胶轮车运输监控系统
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