智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的可行性研究

　　1 對比分析

　　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。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。

　　根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、理論知識和事故案例，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。

　　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)對電機(jī)車當(dāng)前運(yùn)行速度和相對距離進(jìn)行運(yùn)算來發(fā)出聲光報(bào)警信號，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(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對38 kHz的載波信號進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生三種不同頻率的調(diào)制信號送至放大器以驅(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，又避免了信號相互干擾，造成接收器誤測。

　　通過對發(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)射單元正對的位置。