CN107901954A - 一种矿用单轨吊无人驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：包括运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统，所述运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统之间通过网络连接。本发明以安全性及可靠性两个特殊要求为前提，按照计划调度、信号联锁、驾驶操作、设备控制、网络平台一体化建设目标，提升生产运输环节安全管理水平。

Description

一种矿用单轨吊无人驾驶系统

技术领域

本发明属于领域及煤矿井下作业领域，尤其是一种用于液压无极调速单轨列车的矿用单轨吊无人驾驶系统。

背景技术

当前煤矿井下辅助运输中多以地轨、单轨吊为主，移动目标分散，机车行车规律性差，同时需要大量的运输服务岗位，比如司机、押车工、调度员等，生产运转效率低下，成本开支高等缺点。

针对轨道辅助运输过程实际现状，现有的系统运输管理还存在较多安全隐患，虽有信号系统，但很难实现对单轨吊机车司机的有效管理和规范化运输，造成在辅助运输方面多有事故发生。

随着煤矿对生产运输安全和减员增效的要求，使矿井运输系统向信息化、数字化、智能化的新型监控模式转变，机车无人驾驶系统可以将井下单轨吊机车运输环节规则化、程序化，实施单轨吊机车智能化控制，减少司机和押车工岗位，提升矿井物料生产转运效率，减少或避免矿井重大生产运输安全事故，提高矿井生产运输管理无人化、自动化和信息化水平。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种矿用单轨吊无人驾驶系统。

实现本发明目的的技术方案是：一种矿用单轨吊无人驾驶系统，包括运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统，所述运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统之间通过网络连接。

作为优化方案：所述运输监控系统包括调度管理系统、远程控制系统和信号连锁系统，所述调度管理系统、远程控制系统和信号连锁系统之间通过网络连接。

作为优化方案：所述显示系统包括液晶显示器、网络硬盘录像机和视频数据服务器，所述液晶显示器、网络硬盘录像机和视频数据服务器之间通过网络连接。

作为优化方案：所述信号采集单元包括若干摄像头和信标器。

作为优化方案：所述机车控制系统包括车载控制器、车载无线终端、车载摄像机、车载传感器和车载读卡器，所述车载控制器与车载无线终端、车载摄像机、车载传感器和车载读卡器进行电连接。

作为优化方案：所述调度管理系统包括调度管理计算机和拟人化操作控制器。

作为优化方案：所述信号连锁系统包括信号机、读卡器、计轴器和转辙机。

本发明使用时：

单轨吊机车控制流：

单轨吊机车通过车载读卡器读取信标器获取当前机车位置信息，和机载摄像头拍摄的实时视频数据传输给运输监控系统。

运输监控系统承担机车运输调度和信号指挥，信号连锁系统根据信号设计布置和区间划分，实现区间连锁、信号机和转辙机连锁控制，调度管理系统实时监控机车行驶状态，下发控制机车指令。

下发的机车控制指令通过网络传输给机车控制系统，机车车载无线终端接收到网络侧下发的控制指令，传输给机车车载控制器，机车车载控制器接收到控制指令后，给出行车指令。

机车车载传感器获取当前机车运行信息，例如车速等信息，通过网络反馈给运输监控系统，监控系统根据获取的机车信息，重新下发控制指令，对机车行车进行控制。

单轨吊机车视频监控数据流：

单轨吊机车控制系统将车载摄像头拍摄的实时视频数据，以及各监控摄像头拍摄的实时视频数据，通过网络传给显示系统的视频数据服务器，视频数据服务器将接收的视频数据，投射在液晶显示器上，同时将数据传输给网络硬盘录像机进行录像。

本发明具有积极的效果：

①安全可靠。系统以安全性及可靠性两个特殊要求为前提，按照计划调度、信号联锁、驾驶操作、设备控制、网络平台一体化建设目标，提升生产运输环节安全管理水平。

②管理优化。优化现有调度管理流程，分工合作，单轨吊机车运行途中无人化，规范运输秩序，将井下需要摘挂钩作业的环节改由作业区岗位工承担。

③减员增效。井下司机、押车工取消70％，只保留在车场及物料装卸摘挂钩作业环节的人员。单轨吊机车操作驾驶由计算机远程监控，不需要司机；车皮摘挂钩、车皮编组工作由装卸车场的固定岗生产人员承担，取消井下驾驶岗位，并转移到地面。

远程自动驾驶模式：地面调度室每班2人，三个班需6人，可以操控单轨吊列车6列。取消司机、押车工12×3＝36人。

就地遥控驾驶模式：一列车只配一个司机，可以完成驾驶、摘挂钩工作，取消押车工。每班每车取消1人，共3×6＝18人。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构示意图；

图2为本发明的单轨吊机车控制流程图；

图3为本发明的视频数据传输流程图。

具体实施方式

下面将结合图1、2、3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是一种矿用单轨吊无人驾驶系统，包括运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统，所述运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统之间通过网络连接。所述运输监控系统包括调度管理系统、远程控制系统和信号连锁系统，所述调度管理系统、远程控制系统和信号连锁系统之间通过网络连接。所述显示系统包括液晶显示器、网络硬盘录像机和视频数据服务器，所述液晶显示器、网络硬盘录像机和视频数据服务器之间通过网络连接。所述信号采集单元包括若干摄像头和信标器。所述机车控制系统包括车载控制器、车载无线终端、车载摄像机、车载传感器和车载读卡器，所述车载控制器与车载无线终端、车载摄像机、车载传感器和车载读卡器进行电连接。所述调度管理系统包括调度管理计算机和拟人化操作控制器。所述信号连锁系统包括信号机、读卡器、计轴器和转辙机。

单轨吊机车控制流：

单轨吊机车通过车载读卡器读取信标器获取当前机车位置信息，和机载摄像头拍摄的实时视频数据传输给运输监控系统。

运输监控系统承担机车运输调度和信号指挥，信号连锁系统根据信号设计布置和区间划分，实现区间连锁、信号机和转辙机连锁控制，调度管理系统实时监控机车行驶状态，下发控制机车指令。

下发的机车控制指令通过网络传输给机车控制系统，机车车载无线终端接收到网络侧下发的控制指令，传输给机车车载控制器，机车车载控制器接收到控制指令后，给出行车指令。

机车车载传感器获取当前机车运行信息，例如车速等信息，通过网络反馈给运输监控系统，监控系统根据获取的机车信息，重新下发控制指令，对机车行车进行控制。

单轨吊机车视频监控数据流：

单轨吊机车控制系统将车载摄像头拍摄的实时视频数据，以及各监控摄像头拍摄的实时视频数据，通过网络传给显示系统的视频数据服务器，视频数据服务器将接收的视频数据，投射在液晶显示器上，同时将数据传输给网络硬盘录像机进行录像。

一种矿用单轨吊无人驾驶系统调度控制中心设置在地面，配置调度主机、调度管理机、通信服务器、视频数据服务器、网络硬盘录像机、网络交换机和若干个遥控终端。

配置2台研华工业控制计算机和液晶显示器(24寸)，显示机车运行状况、位置、控制中心的数据、故障显示、报表等，主要完成矿车调度和主运输监视。其中一台装于矿车调度工作站，用于矿车调度、监视；另一台安装于矿调度中心，用于矿调监视。

配置1台研华工业控制计算机作为调度主机和液晶显示器(24寸)，控制轨道道岔信号联锁设备，与矿车调度工作站可互为备用。

设置1套视频数据服务器、网络硬盘录像机，用于视频服务通信服务器，型号选择IBM System X3650M4服务器。

设置2台网络交换机用于视频网和控制网划分子网。安装在42U标准机柜内，同时配备四通道、19英吋液晶显示器的KVM切换器。

设置1套通信服务器，运行通信服务接口软件，用于通信平台中的数据处理转发。通信服务软件为无人机操作界面的全天候运行软件，是通信平台与监控系统之间的通信咽喉，实现统一平台下的设备公用、功能数据存储和分发。

一种矿用单轨吊无人驾驶系统调度控制中心的调度管理系统设置调度主机，运行系统主控软件，该软件一方面与通信服务器连接，与现场设备通信，获取测控设备工作状态，根据运输任务控制转辙机控制箱选择相应行进方向，控制信号机进行相应的行禁指示，实现联锁监控功能；另一方面与调度管理机连接，接受管理机的调度运行指令，发送联锁系统的区段进路、设备实时状态及行车授权，调度运行记录由调度管理服务软件负责保存，以实现客户端浏览、回放。本设计配置1台研华工控机作为调度主机，配备分屏卡，双显示器显示运输工况信息，一屏显示运输总貌，一屏显示联锁信号及调度文字信息。

一种矿用单轨吊无人驾驶系统调度控制中心的调度管理系统设置调度管理机，运行调度运行管理软件，提供调度管理服务，与调度主机二十四小时连接运行，根据调度计划数据生成机车调度运行任务计划；与车载控制器和手持式遥控终端建立连接，发送驾驶授权，将机车位置以及前方进路区间开闭情况反馈到各移动终端，进行直观的界面模拟显示，实现远程信号指令的传达与反馈。同时，还具有统计管理功能，可生成生产运输产量、车辆班次报表。本设计配置1台研华工控机作为调度管理机，与调度主机可互为备用。

信号连锁系统中设置有信集闭设备，系统配置KTF5“二合一”通信基站35台，该基站在构建全覆盖的宽带无线网络通信平台的同时，可以管理信号机、转辙机、读卡分站等测控设备，组建信集闭系统。35台稳压电源为通信基站提供2小时的后备电源；52台读卡分站用于实现机车运输系统的区间、进路的划分，150只无源信标用于机车精确定位；48台信号机用于进路的开放与闭锁；12套司控道岔及控制装置用于运输大巷的道岔扳动与闭锁。

信标器是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志，与读卡器终端配合使用，在列车经过信标所在位置时，车载读卡终端天线发射的电磁波激励信标工作，并传递绝对位置信息给列车。

由于双频复合车辆卡信标提供的位置精度很高，达厘米量级，可用信标修正列车实际运行距离，本方案采用一体化双频复合车辆卡信标，与车载控制器读卡终端配合使用，可实现与轨面信标点进行一对一可靠通讯，从而避免单一无源电子标签或单一有源电子标签在矿井井下应用的缺陷问题。

远程控制系统分为远程驾驶操作和遥控驾驶操作：

1)远程驾驶操作

GK8109远程操作台是地面控制中心操作人员对井下单轨吊机车的远程操作控制平台，与通信网络连接，与调度管理机运行的调度管理软件连接，触发车号发车请求，获取机车位置状态和信号准许指令；与视频服务软件连接，获取实时视频。运行操作监控管理软件，该软件主要是对远程操作台进行人机操作管理，接收调度管理系统传来的调度指令，结合视频工况影像，操作手柄和按键等装置完成对电动机车的启/停、加/减速、方向选择、鸣笛、照明等远程驾驶行为，从而实现对井下单轨吊机车的远程遥控自动驾驶。

2)遥控驾驶操作

由FCS3.7本质安全型手持式操作器实现就近遥控驾驶功能，遥控器与通信网络连接，运行司控驾驶监控内嵌管理软件，通过调度管理系统传来的调度指令，并结合单轨吊机车的工况、场景，人工操作遥控器按键，完成对单轨吊机车的启/停、加/减速、点动/半速/全速运行、方向选择、鸣笛、照明等驾驶行为。

当设置在就近遥控工作模式时，以运料作业为例，调度人员手工在控制中心输入指令，包括单轨吊机车编号、运输起点、编组车辆数、途径线路、执行时间，该条指令传输至授权的手持遥控器，处于待执行状态。

当到了执行时间，由物料车场作业区的现场人员通过手持遥控器控制机车，到达装料位置。在装载过程中若需要进行移车操作：由装料现场人工完成，通过手持式遥控器就近控制单轨吊机车进行移车操作，此过程单轨吊机车的控制权限为遥控方式，对于单轨吊机车来说，仍然处于远控模式，只是控制指令来源于手持式遥控器。

待车皮装料完成后，由装载人员通过现场手持式遥控器的按钮上报完成确认，对单轨吊机车的控制权限可由手持式遥控器转移到远程控制中心计算机，沿途经过定点检测装置结合视频图像远程驾驶单轨吊机车，到达卸料位置停车，卸料时再将控制权限转移到现场手持式遥控器，待卸料完成，由卸料工通过手持式遥控器的按钮确认卸载完成，控制该列车再去执行下一条派车指令。

单轨吊机车控制系统智能化控制单元是对井下单轨吊机车启停控制的机电一体化测控系统，主要作用是建立车地通信链路，上传机车工况、路况及路况分析结果，同时接收远程测控指令，实现对单轨吊机车的远程驾驶。主要由车载无线终端、车载控制器和若干传感器及电气机械传动机构组成。

车载无线终端(又称车载AP)安装在单轨吊机车驾驶室内，作为单轨吊机车车载控制器、摄像头的通信传输通道，一方面通过车地无线网络与AP基站进行无线通信，另一方面通过以太网与车载设备进行连接，实现车地数据透明传输。车载AP配置两根全向天线，与AP基站配套使用实现双流模式的无线通信，与安装在大巷轨道沿线的通信基站实现无线宽带通信和实时漫游切换，采用了双通道方案，可实现“先连接、后断开”的软切换方式。

车载控制器基于现有变频单轨吊机车控制器进行智能化改造，本方案涉及到的改造内容包括主控部分和接口部分。

车载控制器能够实现三个基本作用：驱动机车电机变频控制器与驻车装置、获取机车状态、传输视频和指令，并根据控制逻辑给出机车的运行指令，通过通信接口发给变频控制器，控制机车运行。

主控部分内嵌有车载控制管理软件，用于接收远程控制指令并解析执行，同时上报机车工况信息。对外接口包括与无线通信终端之间的以太网接口，与变频调速控制器的RS485/CAN/以太网接口，与传感器连接的模拟量检测接口，与人机操作面盘连接的状态采集及显示接口，与电动推杆电机连接的驱动接口。

单轨吊机车安装车载摄像机，车载控制器中配置路况分析器，主要作用是利用高清摄像头实时获取机车前进时的路况：一方面通过网络传输接口将压缩视频信号传输至远程监控中心，另一方面将处理好的信息传输至车载控制器，通过图像分析技术判断机车行进前方道路是否有障碍物及障碍物的距离，当发现障碍物时则执行停车防护措施，确保行车安全。

为了实现单轨吊机车智能化控制，还需要给单轨吊机车安装如下传感执行器：

配置电压电流传感器，用于监测单轨吊机车的电力工况，包括蓄电池电压和空压机电源。

配置信标读卡器，用于检测单轨吊机车所处的物理地标，标定行车里程，实现基于读卡器区段的机车定位跟踪。

配置车速传感器，用于检测单轨吊机车即时速度，结合信标器进行里程计算、修正。

配置电动推杆，用于刹车控制，并实时监测闸阀机构开闭状态。

调度控制中心的监测监视单元是对井下单轨吊机车运输路况的图像监视和对井下关键位置工矿实时监测。固定点摄像头通过以太网接口直接接入通信网络平台。固定点包括运输线路的关键点，如装卸站、车场出入口、重要道岔点等。

由于视频信号数据量大，传输占用网络带宽较多，为保证机车无人驾驶系统网络信息数据的稳定传输，本方案将视频监控服务、存储、井下摄像机等划分为一个视频子网，在网络中另划分为一个控制子网，配置两台S5700-24TP-SI-AC华为交换机，通过在环网交换机中划分VLAN，进行隔离。在网络传输方面通过交换机QoS设置，通信带宽分配等方法，划分专用带宽，实施流量控制，保证机车无人驾驶系统网络信息数据的优先传输。在客户端计算机中配置双网卡，分别连接视频子网可控制子网，视频数据与网络信息数据分开传输，确保系统运行的稳定可靠。

本发明系统以专用无线通信及千兆工业以太网络为传输平台，以信号监控系统为依托，采用井下机车精确定位技术、视频图像处理技术和矿井机车安全运调技术，并结合单轨吊机车变频控制及远程拟人化操作的矿井安全生产运输综合监控系统，可以实现单轨吊机车无人驾驶。系统具有多种控制工作模式，在运输的起点和终点，以及车场、料场以及装卸料必需要人参与的作业环节，可配备手持式遥控器，就近遥控控制；干线运输线，实施巷道封闭化管理，由地面控制中心拟人化操作台远程控制。

本发明有以下效果：

①安全可靠。系统以安全性及可靠性两个特殊要求为前提，按照计划调度、信号联锁、驾驶操作、设备控制、网络平台一体化建设目标，提升生产运输环节安全管理水平。

②管理优化。优化现有调度管理流程，分工合作，单轨吊机车运行途中无人化，规范运输秩序，将井下需要摘挂钩作业的环节改由作业区岗位工承担。

③减员增效。井下司机、押车工取消70％，只保留在车场及物料装卸摘挂钩作业环节的人员。单轨吊机车操作驾驶由计算机远程监控，不需要司机；车皮摘挂钩、车皮编组工作由装卸车场的固定岗生产人员承担，取消井下驾驶岗位，并转移到地面。

远程自动驾驶模式：地面调度室每班2人，三个班需6人，可以操控单轨吊列车6列。取消司机、押车工12×3＝36人。

就地遥控驾驶模式：一列车只配一个司机，可以完成驾驶、摘挂钩工作，取消押车工。每班每车取消1人，共3×6＝18人。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：包括运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统，所述运输监控系统、显示系统、信号采集单元和机车控制系统之间通过网络连接。

2.根据权利要求1所述的一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：所述运输监控系统包括调度管理系统、远程控制系统和信号连锁系统，所述调度管理系统、远程控制系统和信号连锁系统之间通过网络连接。

3.根据权利要求2所述的一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：所述显示系统包括液晶显示器、网络硬盘录像机和视频数据服务器，所述液晶显示器、网络硬盘录像机和视频数据服务器之间通过网络连接。

4.根据权利要求3所述的一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：所述信号采集单元包括若干摄像头和信标器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：所述机车控制系统包括车载控制器、车载无线终端、车载摄像机、车载传感器和车载读卡器，所述车载控制器与车载无线终端、车载摄像机、车载传感器和车载读卡器进行电连接。

6.根据权利要求5所述的一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：所述调度管理系统包括调度管理计算机和拟人化操作控制器。

7.根据权利要求6所述的一种矿用单轨吊无人驾驶系统，其特征在于：所述信号连锁系统包括信号机、读卡器、计轴器和转辙机。