矿山井下狭窄巷道行人行车智能管控系统研究与应用.pdf

2023 年 31 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application矿山井下狭窄巷道行人行车智能管控系统研究与应用巫乔顺（云南昆钢电子信息科技有限公司，云南 安宁 650302）在科技迅猛发展的现阶段，智能控制装置被广泛用于各个行业中，例如交通控制、冶金钢铁以及汽车工业等，目前已升级为工业生产的调度指挥中心。然而，矿山井下 350380m 的狭窄巷道、急弯及陡坡等特殊低端，因现有交通控制装置无法应用，造成矿山井下狭窄巷道的车辆与行人难以同时通行，安全隐患非常大，若车辆进入巷道过程中，巷道两侧预留空间狭窄，导致行人无法避让，极易发生安全事故1。所以，需要研发一种行车时无法通人，而行人时无法行车的智能管控装置。本文提出井下狭窄巷道行人行车智能管控装置，为矿井交通技术范畴，是具有较高通行效率、结构简单以及安全可靠的一种行人行车交通控制装置。1矿山井下狭窄巷道交通管控背景技术以往矿井下与封闭巷道交通管控装置，大多选择人工控制模式，或者将电子标签安装于矿车中，沿线装置压力传感器或者射频读卡器等点状分布的通信基站与位置传感器，从而实现终端位置的智能化移动检测，以达到连接通讯目标，对行车安全进行有效控制2。然而，人工控制通行效率相对较低，再加上很难消除人为因素对矿山井下交通安全产生的影响。压力传感器、射频传感器等通信控制，可以有效杜绝人工控制缺陷，但因矿山井下施工环境非常恶劣，而且稳定性不足，实用效率低，存在较大的维护难度。现有技术下的很多矿井主支巷道因各种因素制约，会产生狭窄巷道，而且狭窄巷道地形比较复杂，很容易产生超载、坡陡以及弯急等特殊状况，会大大加大狭窄巷道中车辆与行人同时通行的难度，一方面通行效率较低，另一方面安全隐患也非常大3。车辆进入巷道过程中，巷道两侧预留空间距离十分狭窄，行人通行难度较大，极易引发矿山井下安全事故。随着科技的发展，在冶金钢铁工业、交通控制、汽车工业等许多行业，其智能控制装置被认为是工业生产的“大脑”和“调度”的核心，占有极其关键的地位，摘要：矿山井下狭窄巷道行人行车智能管控装置，是狭窄巷道两端出入口顶部安装的一种行人行车红绿灯，控制器输入端连接狭窄巷道的行车地磁传感器，输出端则连接行车红灯与行人绿灯，保证矿山井下单向行车与双向行人安全，为矿井狭窄巷道交通安全提供重要保障，防止发生矿山井下交通事故。该文基于矿山井下狭窄巷道施工背景，分析行人行车智能管控装置的设计模式及实际应用，以期能够为矿井安全施工提供技术保障。关键词：矿山井下；狭窄巷道；行人行车；智能管控装置；交通安全中图分类号院TD525文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-0138-04Abstract:The intelligent control device for pedestrian driving in narrow tunnels underground is a pedestrian driving trafficlight installed at the top of the entrances and exits at both ends of the narrow tunnel.The input end of the controller isconnected to the driving geomagnetic sensor of the narrow tunnel,and the output end is connected to the driving red light andpedestrian green light,ensuring the safety of one-way and two-way pedestrians in the mine underground,providing importantguarantees for traffic safety in narrow tunnels underground,and preventing traffic accidents in the mine.This article is based onthe construction background of narrow tunnels in underground mines,analyzing the design mode and practical application ofintelligent pedestrian driving control devices,in order to provide technical support for safe construction of mines.Keywords:underground mine;narrow roadway;pedestrian driving;intelligent control device;traffic safety作者简介：巫乔顺（1968-），男，硕士，正高级工程师，执行董事。研究方向为钢铁、矿山企业自动化、智能化、企业信息化。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.033138-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期尤其是在矿井下的运用日益增多。矿井下的运输控制装置对矿井作业工人的人身安全和矿车的正常行驶具有很大的影响。事实表明，安全有效的矿山井下狭窄巷道行人行车智能交通控制装置，一方面有助于车辆及人员的人身装备安全，另一方面还能大大提升井下生产和运输效率，更大程度地减少和避免矿井下发生交通安全事故。2行人行车智能管控装置本文提出一种行人行车智能管控装置，主要目的就是克服矿山井下狭窄巷道行人行车问题，该装置主要包括壳体，是创设在壳体中的存储器、微控制器、时钟、气压传感器、传感信号接收器、CMOS 开关、电源及行车电脑收发器等，主要特征在于，微控制器连接存储器、时钟、传感信号接收器、CMOS 开关、电源及行车电脑收发器。其中，CMOS 开关连接车辆行车记录仪，驾驶记录装置与 LCD 显示屏和扬声器相连，驾驶计算机与汽车计算机相连，感知讯号接收装置与汽车驱动轴系中的霍尔感应器相连，而网络信号则与伺服器之间的信号经由无线网路相连4。为了方便，在汽车进入井下巷后，利用空气压力传感器，霍尔传感器向单片机传送汽车的上行线和下行线的信息，来判定汽车的行驶车速是否超出了下行线的限制，如果汽车的车速超出了上下行线的限制，单片机就向行驶记录装置发射一个信号，使汽车的行驶车速达到了一定的上限，并将当前的速度、时间存储到存储器中，并利用Wi-Fi 将存储的相关数据和参数自动地上传到服务器，以便监控车辆驾驶员。单片机由 STM32F103CBT6 型单片机组成，单片机可与时钟联结，并经感应讯号接收端与车载驱动轴系的霍尔感应讯号联结；钟表使用 PCF8563 型的钟表，以及 CT357 型的感测信号接收机，用于基于所收到的霍尔感应器的转速信号和所述钟表所记载的时段，来推算所述时段中的平均值；其计算公式：速度（km/h）=0.003伊车辆传动轴直径（cm）伊仔/时间（s）。单片机经驾驶计算机接收端与车辆计算机相连，可从驾驶计算机中读出车辆的车速。所述微型控制器被连接到具有 AT24C256 型的存贮器，并且在运行速率的数值比预定速率的数值大时，所述微型控制器被判定为超速，并且在所述存贮器中存储目前的时间和超速的数值。单片机由 MG4953 型 CMOS 转换器与驾驶记录装置相连，由单片机控制操作驾驶记录装置。行车记录仪与液晶显示屏、喇叭和微控制器相联系，微控制器将数据信息传送到行车记录仪，行车记录仪将液晶显示屏上的数据信息（例如速度信息等）进行传送，并通过喇叭将声音信息（例如超速提示音等）传递出去。单片机与 BMP180 型空气压力传感器相连，实现了对空气压力的测量。电力供应装置被用来为设备的整体工作供电。该单片机与一个网络信号收发器相关联，而该网络信号收发器则是利用一种名为 ESP-12S 的Wi-Fi 与该服务器的信号相联系，在一辆正在运行的汽车，在其进入了一个特定的 Wi-Fi 的覆盖区域之后，就可以利用 Wi-Fi，把存储在该区域内的速度和时间等信息，自动地上传到该区域的服务器上来进行监控，从而避免了手动传输等问题5，如图 1 所示。矿井窄巷中的人行交通智能化控制设备的应用，必须为每个汽车设定一个独一无二的 ID 编号，以确保与相应的汽车配套。本发明具有以下特点：借助空气压力传感器、霍尔传感器等，可以很容易地向单片机传送汽车的上下方向的信号，从而在汽车驶入井下巷后，就可以对汽车行驶车速进行判定，并在汽车车速超出上下方向的限速数值时，单片机就会向行驶记录器传送讯号，并启动扬声器，以提醒汽车超速行驶，并将当前的速度、时间存储到存储器中。在车辆进入 Wi-Fi 覆盖的区域之后，就可以利用 Wi-Fi，将存储器中存储的速度、时间等相应数据及参数，自动上传到服务器，这样就方便了管理者对司机进行监督，避免了手工传送等问题，从而提升了安全管理水平，防止道路交通意外，保证生产和运输安全。3设备功能矿山井下狭窄巷道智能管控装置的主要功能在于：淤对每个路口的车辆、行人进行识别，并对交通流进行统计，对路口的交通信号灯进行智能化的控制，并使车辆有序行驶，不仅可以提升车辆的行驶效率，还可以减少交通事故的发生。于能够对车辆进行分类，判断是重型卡车还是载人卡车，或者是上坡的车辆，从而能139-2023 年 31 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application够对重型、载人和下坡的车辆进行优先放行。盂辨别有无人通过的十字路口，在发现有人通过的情况下，十字路口的声光报警装置会发出声音，提醒路人及驾驶员注意交通安全。榆能够识别行人和车辆闯红灯的违规行为，在发生违规行为的时候，通过声光报警来提示行人和驾驶员违规行为，并将违规信息上传到地上，可以进行历史违规行为的查询。虞对单车道的车流量进行控制，避免两辆汽车在车道中会车而引起较大的安全性问题。愚增加了对汽车超速的捕捉和对地区速度测量的扩充。图 1井下巷道车辆监控装置气压传感器存储器时钟微控制器行车记录仪行车电脑霍尔传感器Wi-FiCMOS 开关行车电脑收发器传感信号接收器网络信号收发器液晶显示屏喇叭服务器4矿山井下狭窄巷道行人行车智能管控装置的设计矿山井下狭窄巷道智能管控装置，依照井下路口状况，具体分为区间测速、巷道岔口以及单行巷道等多种应用场景。矿井狭窄巷道智能管控装置主要用于智能化管控井下岔口红绿灯，单行巷道红绿灯控制主要用于控制出入口红绿灯，而区间测速则主要用于控制巷道车辆限速。4.1矿井狭窄巷道岔口红绿灯管控装置分井上、井下 2 个大模块，其中，井上模块主要用于录像、报警、数据记录与显示，并在需要时实现对井下交通信号灯的遥控操作。矿井下段是十字路口信号灯的中心，其能与上面段单独工作，并能对十字路口的车流进行实时监测，从而实现对十字路口信号灯的自动控制。在需要的时候，还可以对交通信号灯进行手工的控制。在每一个十字路口，都会有 2 个安全摄像头，1 个交通信号灯，1 个声音报警。在十字路口的旁边有摄影机，可以记录来往的汽车以及穿过十字路口的情况，而另外一个摄像头，则是距离十字路口最远的地方，正好可以看到那几辆车的行驶轨迹。4.2区间测速在要求限速的道路上，在起点各设置一台本图像处理（智能抓拍）摄影机，对经过的车辆展开拍摄，利用计算和测量的经过起点的时间，来判定该车辆是否超速，并对超速车辆进行警告和记录。现场安装了声光报警及 LED 屏幕，提示驾驶员。4.3装置度量优点利用视频智能识别分析、智能识别和追踪技术，智能控制井下胶轮车通行的交通信号灯，从而可以高效地完成对每个交通路口车辆、行人的识别和管理，智能管理交通信号灯路口秩序通行，这既可以提升装置的运转效率，又可以避免出现安全隐患。利用通讯协定，向管理伺服器提供交通信号灯的实时状况，由 AI 管理服务器对交通信号灯的交通讯号进行分析，并经由该通讯协定向隔离与安全一体化接入网关发送交通信号灯的讯号；同时，按照预先设定好的每一个子程序，精确地输出交通信号灯及声光报警信号，从而确保矿井下的交通工具的高效运行及人身的安全。能够辨别出哪些车是重型卡车，哪些是爬山车。该装置能够对有无人通过的十字路口进行判断，在发现有人通过的情况下，十字路口的声光报警装置还能发出声音，提醒行人及驾驶员注意交通安全。能够识别行人和车辆违章闯红灯的行为，在发生违章的时候，会第一时间使用十字路口的声光报警装置来提示行人和司机违章行为，并把违章信息上传到地面。使用管理软件对违规情况进行弹窗口展示，还可以对违规情况进行查询。5行人行车智能管控装置的应用方式该微处理器 U2 的 30 管脚和 31 管脚连接到该驾驶计算机的接收端，该微处理器 U2 用来读取该驾驶计算机上的该旋转速度和该速度信息。存储部分使用了140-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期AT24C256 单片机 U5，其 5 管脚和 6 管脚分别连接到单片机的 21 管脚和 22 管脚上。在所算出的速率值比所述预定速率值大时，判定为超速，并在所述存储器中写入所述当前时刻和所述超速信息以进行存储。CMOS切换电路 J 的 MG4953 的晶片 U6 的第 2 和 4 管脚连接到单片机 U2 的 42 和 43 管脚，第 7 管脚连接到驾驶记录器的电源切换控制上，如图 2 所示。所述的网络收发机使用了一个 Wi-Fi 网络通讯器 U3，该 U3 是 ESP-12S 型，该 U3 具有一个 1 管脚，一个 21 管脚和一个 22管脚，以及一个 11 管脚和一个单片机 U2；12 个管脚，13 个管脚连在一起，在行驶中的汽车进入特定的 Wi-Fi 覆盖区域时，Wi-Fi 会自动把存储的速度和时间等信息通过 Wi-Fi 上传到服务器监控，省去了手动传送等繁琐的工作。气压传感器使用的是一种型号为 BMP180的气压传感器，其与微处理器的 45 管脚、46 管脚相连接，气压传感器每隔 1 s 就会对当前的大气压强进行采集，如果气压值逐渐升高，那么就会判定车辆处于下坡状态。如果压力值逐步降低，就可以判定汽车是在上坡行驶。根据上下行车状况，比较目前行车速度有无超出设定限速，井下巷道一般采用 20 km/h 的下行限速，30km/h 的上行限速，确保井下巷道行车安全。时钟电路使用的是 PCF8563 的时钟芯片 U4，其中的 5 管脚、6 管脚与微控制器的 27 管脚、28 管脚相连接，其被用来采集时钟的运行信号，并用来提供整个设备的工作用电。图 2微处理器电路图6效益分析矿井下狭窄巷道智能监控设备的主要功能是依靠相机监测及智能化的分析计算，成本低、安装方便及工作稳定。该设备不但对交通信号灯进行了智能化改造，还大大提高了地下交通监控设备的性能。改善矿井下的运输安全，提升矿井运输的效率。使矿井的劳动强度大幅度下降，从而使矿井的运力得到了极大的提升。7结束语总而言之，矿洞里都是坑洞，光线很弱，遇到人和车，根本找不到躲避的地方。而且矿工们在和其他车辆擦肩而过时，几乎没有闪避的余地，因此必须将其他车辆分开。在矿山，“车不能人”的智能监视器，可以对矿山狭窄巷道的路面进行实时监控，如果有一辆矿车和一辆矿车在同一个十字路口，监视器会第一时间向行人示警，提醒其避开，并提醒驾驶员小心开车，以免伤害到其他人。参考文献院1 张坤，袁明路，李刚，等.一种井下狭窄巷道行人行车智能交通控制系统及控制方法：CN109686113AP.2019.2 巫乔顺，李杰，袁明路，等.矿山井下狭窄巷道行人行车智能管控装置：CN110969873AP.2020.3 李长军，张金富.一种矿井风门气动控制闭锁装置的设计J.企业科技与发展，2012（5）：12-13.4 韩涛.一种智能煤矿井下巷道测量装置：CN207554036UP.2018.5 朱华，李猛钢，李雨潭，等.无轨胶轮车智能车载系统、井下车辆调度系统和控制方法：CN201810095006.XP.2020-09-29.GNDR210 KU2STM32F103CBT6123P1SWC20.01 ufC415 pfY18 M15 pfGNDVDD3.3 VGNDSWCLKSWDIO123456789101112C536 VDD3.3 V35 GND34 SWDIO3332313029282726 Tach 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