智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的可行性研究

井下運(yùn)輸大巷是礦井運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，大巷運(yùn)輸安全更是煤礦安全生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)。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(guān)的井下大巷運(yùn)輸也越來越繁重，通常采取增加運(yùn)輸車輛和車次，或者提高車速等措施來適應(yīng)。由此也帶來了許多不利因素和安全隱患，特別是因?yàn)殡?strong>機(jī)車司機(jī)注意力不集中，反應(yīng)遲鈍，觀察判斷失誤或疲勞瞌睡，不負(fù)責(zé)任以及道岔錯(cuò)位、誤打切道岔等原因，大巷軌道運(yùn)輸電機(jī)車迎面相撞和追尾事故時(shí)有發(fā)生，特別是迎面相撞事故由于極大的動(dòng)力和慣性，造成的后果非常嚴(yán)重?？赡軙?huì)損毀軌道、路基、車輛和運(yùn)送的設(shè)備，甚至?xí)斐擅绊斔?、火?zāi)瓦斯事故。若是運(yùn)送人員的車輛相撞后果更為嚴(yán)重，將造成大量人員受傷。而目前電機(jī)車的制動(dòng)一般都是人工操作電阻制動(dòng)和手閘制動(dòng)兩種，剎車時(shí)易產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)或剎車過猛而造成人為事故。這種機(jī)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(jī)車自動(dòng)防撞系統(tǒng)的研究應(yīng)用成為煤礦工作的一項(xiàng)重要而迫切的任務(wù)。
　　根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、理論知識(shí)和事故案例，結(jié)合目前市場上多種車輛防撞裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種井下智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)方案。
1 對(duì)比分析
　　目前大多電機(jī)車的防撞裝置是靠彈性碰頭被動(dòng)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(jī)車相撞時(shí)其防撞作用是微不足道的。市場上或技術(shù)類刊物上介紹有許多關(guān)于公路機(jī)動(dòng)車防撞報(bào)警或剎車裝置的產(chǎn)品和文章，實(shí)際使用的卻不多。首先，他們的共同點(diǎn)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(hào)被反射回來，接收器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行判斷處理，然后報(bào)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(dāng)電機(jī)車行駛到彎道和岔巷時(shí)，安裝在電機(jī)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(bào)警誤動(dòng)作。其次，剎車裝置靠手閘、電機(jī)杠桿等機(jī)械機(jī)構(gòu)制動(dòng)，反應(yīng)速度或慢或急，制動(dòng)不平穩(wěn)，同樣容易導(dǎo)致車輛掉道或設(shè)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(diǎn)
　　1） 井下智能化電機(jī)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(qiáng)，可靠性高，不受電機(jī)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(huì)因車輛或巷道墻壁反射信號(hào)而誤動(dòng)作。
　　2） 該系統(tǒng)運(yùn)用單片計(jì)算機(jī)作為主控制器，利用其超強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和信息處理能力，真正實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)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(jī)車運(yùn)行獲得更安全的保證。
　　3） 當(dāng)電機(jī)車駛?cè)肭胺郊t外線的不同射程內(nèi)時(shí)，本系統(tǒng)能自動(dòng)依靠微電腦單片機(jī)對(duì)電機(jī)車當(dāng)前運(yùn)行速度和相對(duì)距離進(jìn)行運(yùn)算來發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，必要時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)程序控制比例電磁閥的節(jié)流，使撞車危險(xiǎn)發(fā)生前實(shí)現(xiàn)軟制動(dòng)，剎車既迅速又平穩(wěn)，保證了人員和車輛設(shè)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(shè)備損失。
　　4） 倘若再增加上LED或LCD顯示裝置，則系統(tǒng)會(huì)更直觀更完善，功能會(huì)更強(qiáng)大。
3 系統(tǒng)組成
　　該智能化電機(jī)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(bào)警單元、液壓制動(dòng)單元幾部分組成。
　　紅外線發(fā)射單元包括編碼調(diào)制器、載波振蕩器、電子開關(guān)、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(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、手動(dòng)操作鍵盤、D／A轉(zhuǎn)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(bào)警單元由電機(jī)車電笛和閃光報(bào)警電路構(gòu)成；液壓制動(dòng)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(jī)車或兩列車在同一軌道同向行駛時(shí)，必須保持不少于100m的距離。運(yùn)送人員時(shí)列車的制動(dòng)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(xiǎn)的同一軌道相向行駛來計(jì)算并設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。紅外線發(fā)射單元中，三個(gè)紅外發(fā)射管發(fā)射距離分別調(diào)整為報(bào)警距離80m、一般制動(dòng)距離50m、緊急制動(dòng)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(jī)列車的制動(dòng)距離設(shè)定為報(bào)警、20m、2m三種，這樣列車制動(dòng)后仍留有一定的緩沖距離，防止打滑影響機(jī)車的制動(dòng)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(gè)發(fā)射管的最大射程為80m、50m、7m時(shí)最大光束直徑均為1m（電機(jī)車的寬度），光束正好覆蓋了電機(jī)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(jī)每一時(shí)刻只能處理一路信號(hào)的特點(diǎn)，須將每個(gè)發(fā)射管的高頻調(diào)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(hào)相互干擾，造成誤測，提高系統(tǒng)的可靠性。[!--empirenews.page--]
　　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(shè)定時(shí)要求：當(dāng)電機(jī)車進(jìn)入設(shè)定的制動(dòng)距離時(shí)，單片機(jī)按公式a=V2／2L計(jì)算剎車加速度（其中V為當(dāng)前車速，為最大制動(dòng)距離），即單片機(jī)將剎車加速度自動(dòng)控制在0．6～4m／s2之間，并發(fā)出制動(dòng)指令，調(diào)節(jié)比例電磁閥控制制動(dòng)壓力，使列車在規(guī)定位移內(nèi)平穩(wěn)地制動(dòng)停車。
5 工作原理
智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)原理，見圖1。

1） 紅外線發(fā)射單元的編碼調(diào)制器的三種不同編碼信號(hào)對(duì)38 kHz的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生三種不同頻率的調(diào)制信號(hào)送至放大器以驅(qū)動(dòng)三個(gè)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(jī)每一時(shí)刻只能處理一路信號(hào)的特點(diǎn)，三路放大器由電子開關(guān)控制其依次導(dǎo)通，保證每一時(shí)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(hào)相互干擾，造成接收器誤測。
　　通過對(duì)發(fā)射管選型和調(diào)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(diào)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(gè)發(fā)射距離的臨界處光束直徑都是1m，正好覆蓋住電機(jī)列車的端面，既保證了接收又防止了對(duì)相鄰車道車輛的干擾。發(fā)射單元安裝在電機(jī)車的照明大燈下方和列車尾燈下方適當(dāng)位置，由于井下軌道運(yùn)輸電機(jī)車、列車雙向行駛不分頭尾，所以機(jī)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(jī)車頭與發(fā)射單元正對(duì)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(hào)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換可以直接與單片機(jī)端口連接。接收器的信號(hào)入射角為最小的4。，這樣不論是直道還是彎道，其信號(hào)接收都不會(huì)受對(duì)面鄰道相向行駛的電機(jī)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(jì)算機(jī)作主控芯片控制是實(shí)現(xiàn)智能化控制的真正意義所在。運(yùn)用單片計(jì)算機(jī)可使電路簡化，結(jié)構(gòu)簡單，功能增強(qiáng)，檢測控制自動(dòng)化，工作更可靠，運(yùn)行更安全。關(guān)于單片機(jī)的程序編制和應(yīng)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(jī)車當(dāng)前所處的位置，然后發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警或制動(dòng)指令。當(dāng)電機(jī)車由于某種原因在同一軌道行駛而進(jìn)入前方車輛的報(bào)警距離S1（80 m）時(shí)，接收器接收到前方發(fā)出的紅外信號(hào)迅速傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)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(jī)車號(hào)笛和閃光信號(hào)電路，發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒本車司機(jī)和對(duì)面電機(jī)車司機(jī)，注意減速慢行，保持車距；一路迅速啟動(dòng)液壓油泵，為剎車作準(zhǔn)備。如果車輛減速，退出報(bào)警距離后，系統(tǒng)自動(dòng)解除警報(bào)，斷開液壓油泵電源。
　　如果電機(jī)車沒有減速繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入一般制動(dòng)距離S2（50 m）時(shí)，接收器把接收到的紅外信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別到是制動(dòng)信號(hào)后，立即發(fā)出指令，斷開電機(jī)車主電機(jī)的控制回路，主電機(jī)斷電，使列車處于滑行狀態(tài)。同時(shí)立即與霍爾速度傳感器反饋的當(dāng)前車速進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)比分析，然后按照預(yù)設(shè)的制動(dòng)加速度發(fā)出制動(dòng)指令，控制電流經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換、模擬放大后調(diào)節(jié)比例電磁閥的開啟量，自動(dòng)調(diào)整液壓泵產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，使液壓油缸的輸出壓力逐步增加，在20 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停車。
　　如果電機(jī)車在彎道或遠(yuǎn)距離視線被遮擋的情況下發(fā)現(xiàn)前方車輛時(shí)，已經(jīng)進(jìn)入緊急制動(dòng)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(jì)算），此時(shí)接收器接收到對(duì)方發(fā)來的緊急制動(dòng)紅外信號(hào)后，單片機(jī)立即發(fā)出緊急制動(dòng)指令，以較陡的制動(dòng)加速度來控制比例電磁閥的打開，較大的制動(dòng)力矩使列車在2 m之內(nèi)迅速剎車。同時(shí)又能防止因緊急剎車導(dǎo)致制動(dòng)閘包死現(xiàn)象。
　　5） 機(jī)車制動(dòng)后需按壓復(fù)位按鈕才能使系統(tǒng)發(fā)出解除制動(dòng)指令，退出制動(dòng)狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)定為手動(dòng)控制優(yōu)先于自動(dòng)控制，按壓手動(dòng)制動(dòng)按鈕就可隨時(shí)進(jìn)行一般制動(dòng)，省去轉(zhuǎn)動(dòng)剎車手輪的繁瑣操作，方便快捷。
6 結(jié)論
　　安全是煤礦永恒的主題，安全生產(chǎn)是黨和國家一貫堅(jiān)持的重要方針。煤礦運(yùn)輸事故多主要是因?yàn)檫\(yùn)輸系統(tǒng)點(diǎn)多、線長、面廣，所有下井人員都要與運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備接觸。要減少和避免軌道運(yùn)輸事故的發(fā)生，除了加強(qiáng)思想教育、技術(shù)培訓(xùn)，提高機(jī)車司機(jī)的技能素質(zhì)，加強(qiáng)責(zé)任心外，最根本的就是要完善必要的裝備，實(shí)行自動(dòng)化控制。人機(jī)雙管齊下，才能真正有效地控制機(jī)車事故的發(fā)生、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)。智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)軌道運(yùn)輸無事故的有力技術(shù)保障措施。