煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)研究

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

摘要：煤礦井下有軌機車是煤礦生產(chǎn)的重要裝備之一，其安全運行直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的順利進行。為了保障煤礦井下有軌機車的安全運行，本文開展了煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的研究。首先，本文通過對有軌機車的運行特點和井下環(huán)境的影響進行分析，確定了煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的需求和技術(shù)指標。然后，采用傳感器和通信技術(shù)設(shè)計了煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的硬件平臺，包括機車運行參數(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)進行處理和分析，提出了輪軸軌跡分析、機車運行狀態(tài)判別和故障診斷等算法，并實現(xiàn)了有軌機車自動化調(diào)度系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，煤礦井下有軌機車監(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車的安全運行水平，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

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

2.系統(tǒng)需求與技術(shù)指標

2.1系統(tǒng)需求

(1)實時監(jiān)測機車的運行狀態(tài)和參數(shù)，包括機車速度、加速度、方向、輪軸軌跡等信息，特別是輪軸軌跡的實時監(jiān)測，對于機車的行駛穩(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)的正常運行。

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

2.2技術(shù)指標

(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：安全運行距離≥500m

(3)數(shù)據(jù)傳輸時間：數(shù)據(jù)傳輸時間≤1s

(4)數(shù)據(jù)處理速度：實時處理速度≥1000Hz

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

3.系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文所設(shè)計的煤礦井下有軌機車監(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

(1)機車運行參數(shù)采集裝置

由三個傳感器組成，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

由計算機、交流電源和視頻監(jiān)控設(shè)備組成。計算機配置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)進行處理和分析。使用MATLAB軟件實現(xiàn)輪軸軌跡分析和機車運行狀態(tài)判別算法，使用LabVIEW軟件實現(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)進行分析，可以判斷機車是否存在扭曲、晃動、跳動等安全隱患。首先，使用MATLAB對輪軸軌跡數(shù)據(jù)進行濾波處理，然后對濾波后的數(shù)據(jù)進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。如果發(fā)現(xiàn)軌跡異常，及時向監(jiān)控站發(fā)送報警信號，提示操作員注意機車的安全狀況。

4.2機車運行狀態(tài)判別

本文根據(jù)機車運行狀態(tài)的不同，將機車運行狀態(tài)分為四種，即正常、低速行駛、急剎車、受力狀態(tài)。采用機器學習算法對機車運行狀態(tài)進行分類，并建立狀態(tài)分類模型。在監(jiān)測系統(tǒng)中，實時采集機車運行參數(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)果進行機車運行狀態(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)計了故障診斷模塊，通過模型對數(shù)據(jù)進行預測和判斷，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)和運行狀態(tài)，將機車分段處理，然后根據(jù)列車的載荷和數(shù)量，設(shè)計車輛的調(diào)度計劃。將計劃輸入到LabVIEW軟件中，根據(jù)計劃自動切斷車輛，實現(xiàn)自動化調(diào)度的功能。

5.實驗結(jié)果與分析

本文將煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)應用于某煤礦的實際場景中，對其進行了系統(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，實時性好；系統(tǒng)的準確性和可靠性得到了驗證。

6.結(jié)論

本文研究了煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)，通過分析和實驗驗證，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車的安全運行水平，從而保障煤礦生產(chǎn)的安全。但是，由于煤礦井下環(huán)境的復雜性，還需要不斷改進和完善監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計與應用7.建議改進方向

在實際應用中，本文所設(shè)計的煤礦井下有軌機車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)還存在一些問題和不足之處，需要進一步改進和完善。具體的建議改進方向如下：

（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時性和準確性的要求，但是還有優(yōu)化的空間。未來可以探索更加高效和準確的數(shù)據(jù)處理算法，提高系統(tǒng)的處理速度和實時性。

（2）增強故障診斷能力。本系統(tǒng)中的故障診斷模塊能夠?qū)收蠑?shù)據(jù)進行判斷和預測，但是還需要進一步增強其診斷能力。未來可以引入機器學習算法，通過數(shù)據(jù)挖掘和分析來診斷機車的故障，提高系統(tǒng)的自動化程度和準確性。

（3）改進調(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）增強系統(tǒng)的可擴展性。隨著煤礦生產(chǎn)的不斷擴大，監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的應用范圍也會越來越廣泛。因此，未來需要增強系統(tǒng)的可擴展性，以適應不斷變化的生產(chǎn)需求。

8.（5）增強數(shù)據(jù)安全性。在互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)大發(fā)展的時代，數(shù)據(jù)安全問題日益凸顯。對于煤礦井下有軌機車監(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。未來可以從加強數(shù)據(jù)加密、建立安全備份、增強人員管理等多個方面入手，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)備包括機車傳感器、通信設(shè)備、調(diào)度控制終端等。因此，在改進系統(tǒng)的同時，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)的正常運行。

（7）加強人員培訓。本系統(tǒng)需要專業(yè)技術(shù)人員進行維護和操作，而這些人員需要具備扎實的計算機、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，未來需要加強人員培訓，保證人員技能的不斷提升，確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

通過以上的建議改進方向，可以進一步提高煤礦井下有軌機車監(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)定運行。同時，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車監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)的改進方向，我們可以從以下幾個方面入手：

（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，實現(xiàn)真正的智能化運營。

（2）加強通信設(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)議的研究和應用。這樣可以實現(xiàn)信息的實時傳輸與處理，并提高整個系統(tǒng)的響應速度和可靠性。

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

（4）增強系統(tǒng)的安全性能。現(xiàn)代煤礦井下有軌機車監(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)安全保護機制。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，可以實現(xiàn)更加準確和精細化的監(jiān)測和調(diào)度任務(wù)，為煤礦生產(chǎn)提供更好的保障。

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