煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)研究

煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)研究煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)研究

摘要：煤礦井下有軌機(jī)車是煤礦生產(chǎn)的重要裝備之一，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的順利進(jìn)行。為了保障煤礦井下有軌機(jī)車的安全運(yùn)行，本文開展了煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的研究。首先，本文通過對有軌機(jī)車的運(yùn)行特點(diǎn)和井下環(huán)境的影響進(jìn)行分析，確定了煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的需求和技術(shù)指標(biāo)。然后，采用傳感器和通信技術(shù)設(shè)計(jì)了煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的硬件平臺，包括機(jī)車運(yùn)行參數(shù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)測站。最后，使用MATLAB和LabVIEW軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提出了輪軸軌跡分析、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)判別和故障診斷等算法，并實(shí)現(xiàn)了有軌機(jī)車自動化調(diào)度系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性，能夠有效提高煤礦有軌機(jī)車的安全運(yùn)行水平，從而保障煤礦生產(chǎn)的安全。

關(guān)鍵詞：煤礦井下有軌機(jī)車，監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)，傳感器，數(shù)據(jù)處理，自動化調(diào)度

1.引言

煤礦井下有軌機(jī)車是煤礦生產(chǎn)中的重要裝備之一，它的安全運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的順利進(jìn)行。由于煤礦井下環(huán)境的特殊性，使得有軌機(jī)車的運(yùn)行出現(xiàn)了很多安全問題，如機(jī)車的晃動、扭曲、跳動等。因此，采用有效的監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)對有軌機(jī)車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)度，提高機(jī)車的運(yùn)行安全性和效率，成為煤礦井下有軌機(jī)車管理的重要任務(wù)之一。

2.系統(tǒng)需求與技術(shù)指標(biāo)

2.1系統(tǒng)需求

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，包括機(jī)車速度、加速度、方向、輪軸軌跡等信息，特別是輪軸軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于機(jī)車的行駛穩(wěn)定性和安全性具有關(guān)鍵作用。

(2)自動化調(diào)度，即實(shí)現(xiàn)自動化的列車分段和列車調(diào)度，避免了人為操作對機(jī)車穩(wěn)定性的影響，并且能夠提高車輛的通過效率。

(3)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中保證數(shù)據(jù)不丟失，保證監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(4)系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和實(shí)用性，可以適應(yīng)煤礦井下環(huán)境的變化和不斷的技術(shù)更新。

2.2技術(shù)指標(biāo)

(1)數(shù)據(jù)采集精度：速度采集精度≤0.5km/h，加速度采集精度≤0.1m/s2

(2)傳輸距離：安全運(yùn)行距離≥500m

(3)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間：數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間≤1s

(4)數(shù)據(jù)處理速度：實(shí)時(shí)處理速度≥1000Hz

(5)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性：故障率≤0.01，平均工作時(shí)間≥8000h

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文所設(shè)計(jì)的煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)機(jī)車運(yùn)行參數(shù)采集裝置

由三個(gè)傳感器組成，分別是速度傳感器、角速度傳感器和加速度傳感器。速度傳感器采用鐵磁共振式傳感器，掃描速度≥2kHz，采樣精度≤0.5km/h；角速度傳感器采用陀螺儀式傳感器，采樣速度≥1000Hz，采樣精度≤1.0°/s；加速度傳感器采用微機(jī)電系統(tǒng)式傳感器，采用速度≥1500Hz，采樣精度≤0.1m/s2。

(2)數(shù)據(jù)傳輸模塊

包括無線傳輸模塊和有線傳輸模塊。無線傳輸模塊采用WIFI模塊，工作頻率為2.4GHz，傳輸距離≤600m；有線傳輸模塊采用銅線傳輸，傳輸距離為500m。

(3)監(jiān)測站

由計(jì)算機(jī)、交流電源和視頻監(jiān)控設(shè)備組成。計(jì)算機(jī)配置IntelCorei5處理器、8GB內(nèi)存和500GB硬盤，操作系統(tǒng)為Windows10；交流電源輸出功率為300W，輸出電壓為220V；視頻監(jiān)控設(shè)備采用高清攝像頭，拍攝速度≥30幀/秒。

4.數(shù)據(jù)處理和分析

本文采用MATLAB和LabVIEW軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。使用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)輪軸軌跡分析和機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)判別算法，使用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)故障診斷和自動化調(diào)度功能。

4.1輪軸軌跡分析

通過對輪軸軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷機(jī)車是否存在扭曲、晃動、跳動等安全隱患。首先，使用MATLAB對輪軸軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換得到頻域信號。根據(jù)頻域信號的特征值判斷輪軸軌跡是否正常，如頻譜峰值、幅值、譜寬等指標(biāo)。如果發(fā)現(xiàn)軌跡異常，及時(shí)向監(jiān)控站發(fā)送報(bào)警信號，提示操作員注意機(jī)車的安全狀況。

4.2機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)判別

本文根據(jù)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的不同，將機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)分為四種，即正常、低速行駛、急剎車、受力狀態(tài)。采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類，并建立狀態(tài)分類模型。在監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)采集機(jī)車運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到模型中，根據(jù)模型的分類結(jié)果進(jìn)行機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的判別。

4.3故障診斷

監(jiān)測系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)中可能存在故障數(shù)據(jù)，例如傳感器數(shù)據(jù)異常、有線傳輸設(shè)備故障等。針對這些故障數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了故障診斷模塊，通過模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測和判斷，并提供故障診斷結(jié)果。

4.4自動化調(diào)度

本文提出了一種基于列車分段的自動化調(diào)度方法。首先根據(jù)測量數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，將機(jī)車分段處理，然后根據(jù)列車的載荷和數(shù)量，設(shè)計(jì)車輛的調(diào)度計(jì)劃。將計(jì)劃輸入到LabVIEW軟件中，根據(jù)計(jì)劃自動切斷車輛，實(shí)現(xiàn)自動化調(diào)度的功能。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文將煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦的實(shí)際場景中，對其進(jìn)行了系統(tǒng)性能測試。測試結(jié)果表明：數(shù)據(jù)采集精度高，傳輸穩(wěn)定可靠；數(shù)據(jù)處理速度快，實(shí)時(shí)性好；系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性得到了驗(yàn)證。

6.結(jié)論

本文研究了煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)的可行性和有效性。該系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性，能夠有效提高煤礦有軌機(jī)車的安全運(yùn)行水平，從而保障煤礦生產(chǎn)的安全。但是，由于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，還需要不斷改進(jìn)和完善監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用7.建議改進(jìn)方向

在實(shí)際應(yīng)用中，本文所設(shè)計(jì)的煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)還存在一些問題和不足之處，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。具體的建議改進(jìn)方向如下：

（1）優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法。目前本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)處理算法雖然能夠滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，但是還有優(yōu)化的空間。未來可以探索更加高效和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理算法，提高系統(tǒng)的處理速度和實(shí)時(shí)性。

（2）增強(qiáng)故障診斷能力。本系統(tǒng)中的故障診斷模塊能夠?qū)收蠑?shù)據(jù)進(jìn)行判斷和預(yù)測，但是還需要進(jìn)一步增強(qiáng)其診斷能力。未來可以引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過數(shù)據(jù)挖掘和分析來診斷機(jī)車的故障，提高系統(tǒng)的自動化程度和準(zhǔn)確性。

（3）改進(jìn)調(diào)度算法。本系統(tǒng)中的車輛調(diào)度算法采用基于列車分段的自動化調(diào)度方法，但是該方法存在一些不足之處。未來可以探索更加高效和靈活的車輛調(diào)度算法，以提高系統(tǒng)的調(diào)度精度和效率。

（4）增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。隨著煤礦生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大，監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也會越來越廣泛。因此，未來需要增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)需求。

8.（5）增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。在互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)大發(fā)展的時(shí)代，數(shù)據(jù)安全問題日益凸顯。對于煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)而言，其所承載的數(shù)據(jù)量龐大，涉及到煤礦生產(chǎn)的核心數(shù)據(jù)，因此必須保障數(shù)據(jù)的安全。未來可以從加強(qiáng)數(shù)據(jù)加密、建立安全備份、增強(qiáng)人員管理等多個(gè)方面入手，建立完善的數(shù)據(jù)安全體系。

（6）優(yōu)化硬件設(shè)備。本系統(tǒng)所涉及的硬件設(shè)備包括機(jī)車傳感器、通信設(shè)備、調(diào)度控制終端等。因此，在改進(jìn)系統(tǒng)的同時(shí)，也需要不斷優(yōu)化硬件設(shè)備，以提高其穩(wěn)定性、精度和靈敏度，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（7）加強(qiáng)人員培訓(xùn)。本系統(tǒng)需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和操作，而這些人員需要具備扎實(shí)的計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)和通信技術(shù)知識，還需要具備一定的煤礦安全知識。因此，未來需要加強(qiáng)人員培訓(xùn)，保證人員技能的不斷提升，確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

通過以上的建議改進(jìn)方向，可以進(jìn)一步提高煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的性能和效能，確保系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中的長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，這些建議也可拓展到其他生產(chǎn)領(lǐng)域的監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)中，具有一定的普適性和借鑒意義總的來說，對于煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的改進(jìn)方向，我們可以從以下幾個(gè)方面入手：

（1）提高系統(tǒng)的自動化程度和智能化水平，以減少人員參與和操作。通過人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化系統(tǒng)的監(jiān)測和調(diào)度流程，實(shí)現(xiàn)真正的智能化運(yùn)營。

（2）加強(qiáng)通信設(shè)備的建設(shè)，包括高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和建設(shè)，以及高效、可靠的通信協(xié)議的研究和應(yīng)用。這樣可以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸與處理，并提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。

（3）加強(qiáng)系統(tǒng)的故障檢測和故障排除機(jī)制。通過建立完善的故障檢測和排除機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和修復(fù)，避免因故障導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤和安全事故。

（4）增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性能。現(xiàn)代煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)涉及到大量的敏感數(shù)據(jù)，必須建立完善的數(shù)據(jù)安全保護(hù)機(jī)制。需要通過數(shù)據(jù)加密、安全備份和人員管理等多種方式保障數(shù)據(jù)的安全性。

（5）不斷優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)備，提高其穩(wěn)定性、精度和靈敏度。通過不斷優(yōu)化硬件設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和精細(xì)化的監(jiān)測和調(diào)度任務(wù)，為煤礦生產(chǎn)提供更好的保障。

（6）加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高操作人員的技能和素質(zhì)。對于煤礦井下有軌機(jī)車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)，需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和操作。因此，需要加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高人員