智能化電機車防撞系統(tǒng)的可行性研究

井下運輸大巷是礦井運輸?shù)拇髣用}，大巷運輸安全更是煤礦安全生產(chǎn)的前提和基礎。隨著煤炭事業(yè)的飛速發(fā)展，煤炭市場的持續(xù)高漲，與煤礦的原煤生產(chǎn)緊密相關的井下大巷運輸也越來越繁重，通常采取增加運輸車輛和車次，或者提高車速等措施來適應。由此也帶來了許多不利因素和安全隱患，特別是因為電機車司機注意力不集中，反應遲鈍，觀察判斷失誤或疲勞瞌睡，不負責任以及道岔錯位、誤打切道岔等原因，大巷軌道運輸電機車迎面相撞和追尾事故時有發(fā)生，特別是迎面相撞事故由于極大的動力和慣性，造成的后果非常嚴重。可能會損毀軌道、路基、車輛和運送的設備，甚至會造成冒頂塌方、火災瓦斯事故。若是運送人員的車輛相撞后果更為嚴重，將造成大量人員受傷。而目前電機車的制動一般都是人工操作電阻制動和手閘制動兩種，剎車時易產(chǎn)生劇烈抖動或剎車過猛而造成人為事故。這種機車相撞事故一旦發(fā)生危害巨大，后果慘重，極大地影響了煤礦企業(yè)正常有序的安全生產(chǎn)，因此，井下電機車自動防撞系統(tǒng)的研究應用成為煤礦工作的一項重要而迫切的任務。
　　根據(jù)多年的經(jīng)驗教訓、理論知識和事故案例，結合目前市場上多種車輛防撞裝置的特點，設計了一種井下智能化電機車防撞系統(tǒng)方案。
1 對比分析
　　目前大多電機車的防撞裝置是靠彈性碰頭被動地緩沖和吸收部分碰撞能量，來減輕撞擊危害的，但真正發(fā)生機車相撞時其防撞作用是微不足道的。市場上或技術類刊物上介紹有許多關于公路機動車防撞報警或剎車裝置的產(chǎn)品和文章，實際使用的卻不多。首先，他們的共同點都是利用紅外線、超聲波、激光、無線電等發(fā)生器發(fā)出的信號被反射回來，接收器對接收到的信號進行判斷處理，然后報警或剎車。但是煤礦井下環(huán)境特殊、巷道狹窄，岔道彎道較多，巷壁距道軌最大不足1 In。當電機車行駛到彎道和岔巷時，安裝在電機車自身的發(fā)射器發(fā)出的電磁波或光線很容易被巷道墻壁或臨道過往車輛反射而造成剎車裝置誤報警誤動作。其次，剎車裝置靠手閘、電機杠桿等機械機構制動，反應速度或慢或急，制動不平穩(wěn)，同樣容易導致車輛掉道或設備損壞，甚至造成人員受傷。所以，此類剎車裝置用于煤礦井下不適宜，還可能留下安全隱患。
2 系統(tǒng)特點
　　1） 井下智能化電機車防撞系統(tǒng)采用紅外線作為距離探測光源，抗干擾能力強，可靠性高，不受電機車大燈、巷道照明、工人礦燈以及其他電磁波的干擾。紅外發(fā)射器和接收器分體安裝，不會因車輛或巷道墻壁反射信號而誤動作。
　　2） 該系統(tǒng)運用單片計算機作為主控制器，利用其超強的數(shù)據(jù)運算和信息處理能力，真正實現(xiàn)了智能化和自動化目的，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和智能化水平，使電機車運行獲得更安全的保證。
　　3） 當電機車駛入前方紅外線的不同射程內時，本系統(tǒng)能自動依靠微電腦單片機對電機車當前運行速度和相對距離進行運算來發(fā)出聲光報警信號，必要時啟動制動程序控制比例電磁閥的節(jié)流，使撞車危險發(fā)生前實現(xiàn)軟制動，剎車既迅速又平穩(wěn)，保證了人員和車輛設備的安全，不致于因劇烈碰撞和剎車過猛造成二次不必要的人員和設備損失。
　　4） 倘若再增加上LED或LCD顯示裝置，則系統(tǒng)會更直觀更完善，功能會更強大。
3 系統(tǒng)組成
　　該智能化電機車防撞系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射單元、紅外接收單元、主控制單元、執(zhí)行單元、聲光報警單元、液壓制動單元幾部分組成。
　　紅外線發(fā)射單元包括編碼調制器、載波振蕩器、電子開關、發(fā)射管、聚光透鏡等組成；紅外接收單元為紅外集成一體化接收頭；主控制單元由單片機、時鐘電路、復位電路、手動操作鍵盤、D／A轉換器組成；執(zhí)行單元由光電隔離器、模擬放大器組成；聲光報警單元由電機車電笛和閃光報警電路構成；液壓制動單元由速度傳感器、液壓油泵、比例電磁閥、溢流閥、液壓油缸、剎車推桿等組成。
4 系統(tǒng)要求
　　1）《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“兩機車或兩列車在同一軌道同向行駛時，必須保持不少于100m的距離。運送人員時列車的制動距離不得超過20m”。其次，井下大巷彎道一般最小曲率半徑在25Ill左右。因此，本系統(tǒng)按最危險的同一軌道相向行駛來計算并設定系統(tǒng)參數(shù)。紅外線發(fā)射單元中，三個紅外發(fā)射管發(fā)射距離分別調整為報警距離80m、一般制動距離50m、緊急制動距離7m三種。
　　2）考慮到煤礦井下環(huán)境潮濕，特別是夏季軌道面黏著系數(shù)更低很容易打滑，所以電機列車的制動距離設定為報警、20m、2m三種，這樣列車制動后仍留有一定的緩沖距離，防止打滑影響機車的制動效果。根據(jù)三角函數(shù)公式α=2arctan（a/b）（其中a為最大光束半徑，b為光束射程即最大發(fā)射距離）算出紅外線管發(fā)射角度分別為44‘，68’和8°，即每個發(fā)射管的最大射程為80m、50m、7m時最大光束直徑均為1m（電機車的寬度），光束正好覆蓋了電機車端面，又不影響到其它車輛，保證了靈敏度和可靠性。
　　3） 根據(jù)單片機每一時刻只能處理一路信號的特點，須將每個發(fā)射管的高頻調制脈沖的占空比控制在1／3以下，使其依次輪流工作，既減小了工作電流，降低了功耗，又不使信號相互干擾，造成誤測，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　4）根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》井下最高限速直行道5m／s，彎道2m／s的規(guī)定，在程序參數(shù)設定時要求：當電機車進入設定的制動距離時，單片機按公式a=V2／2L計算剎車加速度（其中V為當前車速，為最大制動距離），即單片機將剎車加速度自動控制在0．6～4m／s2之間，并發(fā)出制動指令，調節(jié)比例電磁閥控制制動壓力，使列車在規(guī)定位移內平穩(wěn)地制動停車。
5 工作原理
智能化電機車防撞系統(tǒng)原理，見圖1。

1） 紅外線發(fā)射單元的編碼調制器的三種不同編碼信號對38 kHz的載波信號進行調制，產(chǎn)生三種不同頻率的調制信號送至放大器以驅動三個紅外發(fā)射管，發(fā)射出三種不同編碼的紅外線。根據(jù)單片機每一時刻只能處理一路信號的特點，三路放大器由電子開關控制其依次導通，保證每一時刻只有一路發(fā)射管工作，這樣既減小了工作電流，降低了功耗，又避免了信號相互干擾，造成接收器誤測。
　　通過對發(fā)射管選型和調整放大器發(fā)射功率使發(fā)射距離分別為S1=80m，S2=50m，S3=7m；通過調整各自透鏡組的焦距使光束射角分別為α1=44僅α2=68’，僅α3=8°，使每個發(fā)射距離的臨界處光束直徑都是1m，正好覆蓋住電機列車的端面，既保證了接收又防止了對相鄰車道車輛的干擾。發(fā)射單元安裝在電機車的照明大燈下方和列車尾燈下方適當位置，由于井下軌道運輸電機車、列車雙向行駛不分頭尾，所以機車和列車（礦車）兩端都分別安裝紅外發(fā)射器。紅外接收頭安裝在電機車頭與發(fā)射單元正對的位置。
　　2） 紅外線接收器采用紅外線一體化接收頭，它是集紅外接收、信號放大、帶通濾波、比較輸出等為一體的模塊，性能穩(wěn)定、可靠。無需A／D轉換器轉換可以直接與單片機端口連接。接收器的信號入射角為最小的4。，這樣不論是直道還是彎道，其信號接收都不會受對面鄰道相向行駛的電機車所發(fā)出的紅外線干擾，除非行駛在同一軌道。
　　3） 采用單片計算機作主控芯片控制是實現(xiàn)智能化控制的真正意義所在。運用單片計算機可使電路簡化，結構簡單，功能增強，檢測控制自動化，工作更可靠，運行更安全。關于單片機的程序編制和應用不算太難，由于篇幅在此不敘。
　　4） 紅外線發(fā)射器不間斷地依次向前方發(fā)射著三種不同射程不同編碼的紅外線波，以利單片控制器接收并判斷電機車當前所處的位置，然后發(fā)出相應的報警或制動指令。當電機車由于某種原因在同一軌道行駛而進入前方車輛的報警距離S1（80 m）時，接收器接收到前方發(fā)出的紅外信號迅速傳送到單片機，由單片機進行數(shù)據(jù)處理，分析判斷后經(jīng)光電隔離分兩路輸出，一路接通電機車號笛和閃光信號電路，發(fā)出聲光報警，以提醒本車司機和對面電機車司機，注意減速慢行，保持車距；一路迅速啟動液壓油泵，為剎車作準備。如果車輛減速，退出報警距離后，系統(tǒng)自動解除警報，斷開液壓油泵電源。
　　如果電機車沒有減速繼續(xù)前進，進入一般制動距離S2（50 m）時，接收器把接收到的紅外信號傳送給單片機，單片機識別到是制動信號后，立即發(fā)出指令，斷開電機車主電機的控制回路，主電機斷電，使列車處于滑行狀態(tài)。同時立即與霍爾速度傳感器反饋的當前車速進行運算，對比分析，然后按照預設的制動加速度發(fā)出制動指令，控制電流經(jīng)D／A轉換、模擬放大后調節(jié)比例電磁閥的開啟量，自動調整液壓泵產(chǎn)生的制動力矩，使液壓油缸的輸出壓力逐步增加，在20 m內實現(xiàn)平穩(wěn)停車。
　　如果電機車在彎道或遠距離視線被遮擋的情況下發(fā)現(xiàn)前方車輛時，已經(jīng)進入緊急制動距離 ，即兩車相距7 m左右（其中R為軌道曲線半徑，按25 m計算），此時接收器接收到對方發(fā)來的緊急制動紅外信號后，單片機立即發(fā)出緊急制動指令，以較陡的制動加速度來控制比例電磁閥的打開，較大的制動力矩使列車在2 m之內迅速剎車。同時又能防止因緊急剎車導致制動閘包死現(xiàn)象。
　　5） 機車制動后需按壓復位按鈕才能使系統(tǒng)發(fā)出解除制動指令，退出制動狀態(tài)。本系統(tǒng)設定為手動控制優(yōu)先于自動控制，按壓手動制動按鈕就可隨時進行一般制動，省去轉動剎車手輪的繁瑣操作，方便快捷。
6 結論
　　安全是煤礦永恒的主題，安全生產(chǎn)是黨和國家一貫堅持的重要方針。煤礦運輸事故多主要是因為運輸系統(tǒng)點多、線長、面廣，所有下井人員都要與運輸機械設備接觸。要減少和避免軌道運輸事故的發(fā)生，除了加強思想教育、技術培訓，提高機車司機的技能素質，加強責任心外，最根本的就是要完善必要的裝備，實行自動化控制。人機雙管齊下，才能真正有效地控制機車事故的發(fā)生、實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標。智能化電機車防撞系統(tǒng)的應用是實現(xiàn)軌道運輸無事故的有力技術保障措施。