礦井斜坡道車輛管理監(jiān)控系統(tǒng)

安徽鼎信集團
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鼎信科技集團礦山信息化平臺（井下斜坡道，斜坡道交通，斜坡道交通信號，井下人員定位，井下車輛管理）
公司簡介
井下斜坡道交通指揮調度系統(tǒng)
井下人員考勤管理系統(tǒng)
井下人員定位管理系統(tǒng)
井下數(shù)字網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)
安徽鼎信科技集團簡介
公司概況
成立于1994年3月，注冊資本 500萬元人民幣，集團公司資本2億
主營業(yè)務
產學研一體化
公司長期與中國科技大學、解放軍電子工程學院、中國礦大等合作研發(fā)系列行業(yè)和民用產品。
產品特點
鼎信科技集團井下斜坡道交通信號系統(tǒng)特點
一、國家級重點創(chuàng)新項目：2006年獲國家科技部創(chuàng)新項目立項和基金扶持，并獲得省級專項基金支持，2007年獲得安徽省新產品證書。已通過了科技部和省經濟信息化委員會專家組織鑒定和驗收。
二、高穩(wěn)定性：系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關重要，井下交通信號用來對井下交通進行自動管理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。
實踐檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鼎信井下斜坡道系統(tǒng)在全亞洲具代表性的金屬礦山-銅陵冬瓜山礦成功應用了4年以上，并根據(jù)客戶需要不斷進行擴展至三期工程。系統(tǒng)目前已成為該礦井下交通管理十分重要的技術手段，極大提高了運輸效率，降低井下交通安全事故隱患。目前一直應用穩(wěn)定，客戶認可度高。
三、技術先進、理念領先：2003年在業(yè)界率先提出解決方案，并成立專業(yè)團隊進行調研、研發(fā)和設計工作，采用先進的無線技術、單片機技術、網(wǎng)絡技術，運用先進的理念，緊密結合礦山井下生產需要，開發(fā)出該系統(tǒng)。經過多年應用和革新，始終保持系統(tǒng)穩(wěn)定性、技術先進性。
四、平臺化設計：系統(tǒng)平臺化、功能模塊化，易擴展。
系統(tǒng)采用全局平臺設計，分步分項功能模塊實施思想。系統(tǒng)可分步實現(xiàn)井下交通智能管理、車輛和井下人員考勤管理、車輛和井下人員定位
系統(tǒng)概述
井下斜坡道汽車及機車運行指揮調度系統(tǒng)主要由車輛檢測、信號控制、信息管理、系統(tǒng)通信四大單元構成，如下圖3.1.1所示：
圖3.1.1井下斜坡道汽車及機車運行指揮調度系統(tǒng)結構圖
■ 車輛檢測單元：主要是利用RFID射頻識別技術，對車輛進行自動識別；
■ 信號控制單元：主要是利用微處理控制技術，對交通信號燈進行自動控制；
■ 信息管理單元：主要是利用計算機管理技術，對車輛運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并將相關數(shù)據(jù)進行自動顯示和統(tǒng)計；
■ 系統(tǒng)通信單元：主要是利用CAN總線通信技術，以支持各監(jiān)控分站之間以及分站與上位機之間進行通信。

系統(tǒng)原理
系統(tǒng)為每個車輛配置具有唯一代碼的標識卡，在斜坡道的每個出入口設置讀卡器節(jié)點（包括車輛識別和信號控制）。
車輛標識卡利用自身能量以一定時序主動將車輛識別碼信息發(fā)射出去；
車輛在經過出入口的讀卡器時，讀卡器將接收到車輛標識卡發(fā)射的載波信號，經處理后，一方面?zhèn)魉偷狡渌x卡器節(jié)點，進行交通信號燈邏輯聯(lián)動切換控制；另一方面?zhèn)魉偷缴衔粰C，進行數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)顯示。
井下斜坡道汽車及機車運行指揮調度系統(tǒng)原理如下圖3.1.2所示：
圖3.1.2井下斜坡道汽車及機車運行指揮調度系統(tǒng)原理示意圖
技術路線
1、多技術融合應用
系統(tǒng)將RFID射頻識別技術、微處理控制技術、CAN總線通信技術以及計算機管理技術等進行融合在系統(tǒng)中，以實現(xiàn)各自的相應功能和系統(tǒng)整體功能。
2、“集散式”控制
所謂“集散式”控制是指“集中管理、分散控制”。
分散控制：即斜坡道內每個檢測分站（包括車輛識別和信號控制），直接形成控制回路，實現(xiàn)對交通信號的分散式控制；
集中管理：即在井下或地面控制室設置上位機，通過管理軟件對車輛的有關運行信息進行集中管理和顯示。
分散式控制的技術特點為：當某一分站出現(xiàn)故障，不影響其它分站，體現(xiàn)了系統(tǒng)的安全性。
3、實時動態(tài)控制策略
地面上交通信號控制系統(tǒng)一般采用的是被動式的控制策略，它是按照事先設定的時間間隔來切換信號燈，而不管此時是否有車以及車輛的多少。
本系統(tǒng)是一種實時動態(tài)的控制策略，它是根據(jù)巷道內是否有車來切換信號燈，不僅提高了車輛運行效率，而且保證了車輛運行安全。

車輛檢測單元
車輛檢測單元主要采用RFID（ Radio Frequency Identification縮寫）無線射頻識別技術，解決了斜坡道內車輛和人員混行的識別問題，可實現(xiàn)對井下斜坡道內無軌車輛運行等的相關信息進行采集、識別、傳輸?shù)裙δ堋?BR>車輛檢測單元主要由車輛標識卡、讀卡器兩部分組成。射頻天線內置在車輛標識卡和讀卡器內。
車輛檢測單元的總體技術要求：
1、識別對象為高速移動物體：系統(tǒng)應能夠實現(xiàn)對遠距離、高速移動物體的識別；
2、識別對象的工作環(huán)境惡劣：系統(tǒng)設計和工藝采用“三防”處理；
3、交通道口的短距離特點，系統(tǒng)設計要解決多標簽沖突、讀寫器沖撞的技術問題，以降低誤讀率和漏讀率，提高系統(tǒng)識別的準確性。
標識卡
射頻識別系統(tǒng)中的電子標簽在本系統(tǒng)中被稱為“車輛標識卡”。，車輛標識卡作為待識別車輛的唯一電子標記,“一車一卡”。
車輛標識卡在本系統(tǒng)中的功能是向讀卡器發(fā)送車輛標識信息。
車輛標識卡的特點：
a. 能量模式：有源卡，并提供電池供電和外部直流供電兩種方式。正常情況下使用外部直流供電，外部無法供電時由電池供電，同時設置電池充電電路。
b. 時序方式：TRF（主動式），即車輛標識卡利用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀卡器，數(shù)據(jù)傳輸速度1000Kbps。
c. 工作頻率：微波（μWF）2.4GHz，系統(tǒng)識別距離較長。
d. 功率可調
e.工作流程：系統(tǒng)上電復位后，微處理器對收發(fā)芯片進行初始化，完成收發(fā)芯片工作參數(shù)配置，之后系統(tǒng)進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，以固定的時間間隔發(fā)送自身ID信息至標識卡天線覆蓋范圍之內，待讀卡器檢測。
讀卡器
射頻識別系統(tǒng)中的讀寫器在本系統(tǒng)中被稱為“讀卡器”，是讀取車輛標識卡內存標識信息的電子裝置。
讀卡器在本系統(tǒng)中的功能是接收車輛標識卡發(fā)射的射頻標識信號，達到對車輛自動識別的目的，同時控制單元根據(jù)車輛運行信息，進行交通信號燈的邏輯切換控制。
射頻讀卡模塊中的收發(fā)芯片在系統(tǒng)上電復位，并經過初始化之后，將處于數(shù)據(jù)信息接收狀態(tài)；微控制器控制收發(fā)芯片以一定時間間隔掃描數(shù)據(jù)接收端口，直至讀到車輛標識卡ID信息；控制器對所接收到的車輛信息進行分析判斷，觸發(fā)交通信號燈動作，并通過CAN總線將車輛運行信息送傳至其它讀卡器節(jié)點實現(xiàn)巷段內邏輯聯(lián)動控制并把車輛運行信息傳送至控制終端顯示給用戶，并對異常信息給予報警提示，同時數(shù)據(jù)存儲在用戶數(shù)據(jù)庫中，備用戶日后查用。
信號指示燈
信號指示燈是本系統(tǒng)對車輛進行指揮的執(zhí)行機構，受控制器的指令進行信號燈切換工作。
信號指示燈由采用高亮度發(fā)光二極管制作，以“紅”、“綠”、“紅燈閃爍”三種標識組成，分別表示“停止”、“通行”、“車輛違章進入保護路段”。
信號系統(tǒng)的控制邏輯
1、控制邏輯
■ 車輛進入判斷
首先需判斷巷段2內是否有車：如前方道口信號燈為紅色，表示巷段內有車，需巷段外等待；如前方道口信號燈為綠色，表示巷段內無車，可繼續(xù)行駛。
■ 車輛進入巷段2
當車輛進入巷段2，被入口處的讀卡器所檢測，此時巷段兩端的信號燈切換為紅色，封鎖本巷段，其它車輛不得進入。如下圖所示：

■ 車輛駛出巷段2
當車輛駛離巷段2，被出口處的讀卡器所檢測，此時巷段兩端的信號燈切換為綠色，巷段2恢復通行。如下圖所示：

由平巷進入巷段2的車輛，同樣可通過設置在斜坡道入口處的信號燈，來判斷是否可以進入該巷段。
如車輛繼續(xù)向上行駛，其信號控制邏輯同上所述。
2、說明：
以上是按單車行駛，多車輛行駛時需等待巷段恢復通行，方可進入巷段。
信息管理單元
信息管理單元是對讀卡器通過通訊網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂剖疑衔粰C的有關車輛的信息，進行遠程數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)顯示，為車輛監(jiān)測和安全運輸調度提供依據(jù)。
信息管理的組成
信息管理單元主要包括：工控機、傳輸電纜、CAN通訊接口卡、管理軟件等。
信息管理的功能
信息管理的主要功能為：
顯示：可在上位機終端實時顯示井下車輛在鈄坡道內的運行狀態(tài)（也可以通過模擬顯示屏進行車輛運行動態(tài)模擬顯示）；
統(tǒng)計：可統(tǒng)計當班巷道內通行的車輛車型、車號及其相關數(shù)據(jù)；查詢車輛運行的有關信息；打印有關報表和統(tǒng)計資料等；
報警：系統(tǒng)對車輛故障停滯于巷道內等異常情況，以聲、光兩種模式給予報警提示；
系統(tǒng)通訊單元
如何將現(xiàn)場采集的車輛檢測信號傳送給上位機也是系統(tǒng)的關鍵技術之一。由于斜坡道的距離較長（有的斜坡道長度在10KM以上），如采用485、Profibus等總線則滿足不了通信距離要求；如采用光纖通訊則系統(tǒng)成本太高。
CAN(Controller Area Network)總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司在現(xiàn)代汽車技術領域中領先推出的一種多主機局域網(wǎng)。
CAN總線因其卓越的性能、極高的可靠性、獨特的靈活設計以及低廉的價格，特別適合于井下高干擾環(huán)境的使用。
CAN總線技術特點
1、采用多主方式工作。 網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可以在任何時刻主動向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息, 同時還可接收總線上的信息，通訊方式靈活, 且不分主從，使系統(tǒng)具有很大的靈活性；
2、采用非破壞性仲裁技術。 CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級, 以滿足不同的實時要求。當兩個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時, 優(yōu)先級低的節(jié)點主動退出發(fā)送, 而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù), 大大節(jié)省總線沖突仲裁時間, 增強了網(wǎng)絡的實時性；
3、采用的是短幀結構。每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個（CAN技術規(guī)范2.0A），數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾概率低。每幀數(shù)據(jù)都有CRC檢驗和其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕?BR>4、CAN節(jié)點具有自動離線功能，當CAN總線上某節(jié)點出現(xiàn)事嚴重的錯誤情況，該節(jié)點將自動離線，其它節(jié)點不受影響。
5、CAN的直接通信距離最大可達10km(對應速率5kbps以下)，通信速率最高可達1Mbps(對應傳輸距離40 m)。
6、智能節(jié)點。智能節(jié)點由微處理器和可編程的CAN控制芯片所組成。它通過編程可設置工作方式、ID地址、波特率等參數(shù)。
CAN總線單元組成
1、系統(tǒng)通訊單元的組成
系統(tǒng)通訊的硬件主要是由CAN總線控制器、TJA1050總線收發(fā)器、CN137光電耦合器所構成。在本方案設計中，是將上述硬件與讀卡器的硬件設計在一塊電路板上（參見圖3.2.1-3讀卡器組成）。
CAN總線控制器：集成在LPC2119微處理器中，其主要功能是完成CAN的通信協(xié)議。
TJA1050收發(fā)器：專門用于CAN總線收發(fā)驅動的芯片，是SJA1000協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。它為SJA1000協(xié)議控制器提供差動接收性能；為總線提供差動發(fā)送性能。
CN137光電耦合器：主要功能是實現(xiàn)CAN控制器和驅動器之間的電氣隔離，以保護控制系統(tǒng)的電路，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
2、系統(tǒng)通訊單元的技術特點
將CAN總線控制器集成在LPC2119微處理器中，并和TJA1050構造CAN通信模塊的結構設計，它能改進電磁輻射（EME）性能和抗電磁干擾（EMI）性能，提高系統(tǒng)的可靠性。
系統(tǒng)故障處理
系統(tǒng)故障處理主要包括巷道異常處理、以及通信故障處理等。
1巷道異常處理
巷道異常情況包括車輛因故障長期停滯巷段以及車輛違章駕駛闖紅燈導致多車進入同一巷段兩種情況：
（1）車輛故障報警的技術處理為：事先對車輛經過每個巷段的平均時間間隔進行測試，并在控制器的控制程序中加以設定。
當進入某一巷段的車輛在設定的時間間隔內，未通過巷段出口被讀卡器天線所檢測，則被認為車輛在巷段內出現(xiàn)故障。
當車輛出現(xiàn)故障停滯于巷段內時，系統(tǒng)將以聲、光報警，并提示出現(xiàn)故障的具體巷段。
（2）車輛違章駕駛信息將被系統(tǒng)記入數(shù)據(jù)庫中，并提示管理人員作出相應處理。
2網(wǎng)絡故障處理
系統(tǒng)中上位機定時對CAN總線網(wǎng)絡進行檢測，如發(fā)現(xiàn)某個讀卡器節(jié)點通信故障，上位機給予故障信息提示以便值班人員及時通知系統(tǒng)維護人員采取應急維護措施。
系統(tǒng)主要功能
礦井斜坡道交通信號監(jiān)控系統(tǒng)，具有以下主要功能：
■ 控制功能
對各巷段交通道口的信號燈標識，進行自動切換控制。
■ 診斷功能
對系統(tǒng)的設備故障具有自動診斷功能。當出現(xiàn)故障后，計算機終端可發(fā)出聲響提示，并顯示故障性質、種類和地點等。
■ 報警功能
對車輛闖紅燈、兩端車輛同時進入巷道、車輛故障停滯于巷道等異常情況，計算機終端將以聲、光兩種模式給予提示。
■ 顯示功能
可在計算機終端或LED顯示設備上，以漢字、模擬圖、表格等形式，實時地跟蹤、顯示井下車輛在斜坡道內的運行狀態(tài)等相關信息。
■ 管理功能
可對井下斜坡道內車輛的有關信息（如車的類型、車號、班次、時間、地點、次數(shù)等），進行自動統(tǒng)計、分析、查詢、打印等；
系統(tǒng)主要特點
礦井斜坡道交通信號監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點如下：
■ 可靠性
系統(tǒng)采用先進、成熟的射頻識別、控制技術和計算機技術，避免了檢測信號的誤報和漏報；設備選型考慮到井下工況環(huán)境的特殊要求；系統(tǒng)設計具有設備故障自動診斷功能，保證了系統(tǒng)的可靠性。
■ 安全性
系統(tǒng)采用分散式控制方式，當某一控制分站出現(xiàn)故障時，不影響其它巷道交通信號控制系統(tǒng)的正常運行。
無線收發(fā)芯片內置了CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議，解決了糾檢錯這個無線通信設計的難點。CAN通信采用短幀結構，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾概率低，每幀數(shù)據(jù)都有CRC檢驗和其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?BR>■ 實用性
數(shù)據(jù)采集方便，圖像顯示直觀；系統(tǒng)結構清晰，設備配置結構化；人機界面友好，操作和維護十分簡便。
■ 集成性
該系統(tǒng)不僅可作為一個獨立的單元系統(tǒng)，實現(xiàn)井下斜坡道交通信號控制，也可與礦山其它管理信息系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)集成。
■ 擴展性
模塊化和分站式設計，當井下斜坡道內新增交通道口和其它相關業(yè)務需求時，系統(tǒng)可方便靈活地擴展功能和擴大應用范圍。
系統(tǒng)技術參數(shù)
礦井斜坡道及井下機車交通信號監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如下：
工作頻率：2.4GHz；
工作模式：有源卡；
最大車速： 40KM/h；
輸出功率：1mW（可調）；
傳輸速率：20Kbps；
識別距離：有效距離8米，最遠可達15米；
傳輸方式：多主方式；
通訊距離：<=10Km；
系統(tǒng)容量：110個分站；
工作電源：交流220V ± 20％。
環(huán)境溫度：-10℃～55℃；
相對濕度：≤98%；