CN104715618B - 一种井下智能交通灯控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种井下智能交通灯控制系统，包括机车定位和交通灯控制器、网络交换机、机车定位仪、综合分站、交通灯LED显示屏；其中，机车定位和交通灯控制器连接到网络交换机，用于获取综合分站发送的关于机车定位仪的位置信息，并且下发控制信息到交通灯LED显示屏；其中，机车定位仪安装在机车上，具有唯一的标识号码，周期性的发出广播包，与信号覆盖范围内的综合分站进行精确定位。

Description

一种井下智能交通灯控制系统和方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术，更具体地，涉及一种井下智能交通灯控制系统和方法。

背景技术

目前，煤矿的安全生产受到前所未有的关注和重视，煤矿的安全生产是煤矿企业效益的保障和持续健康发展的重要条件。井下运输是矿山生产的一个关键环节，随着国家对矿井安全的日益重视和监管力度的不断加强，大中型采矿企业井下运输安全生产监控系统开始研制和装备。

很多采矿企业在矿山井下单独修建一条负水平的斜坡道，利用无轨车辆运送人员、物资和矿产。由于斜坡道运输巷内一般为单车道双向通行，不仅影响车辆的运行效率，也存在着较大的安全隐患。矿井的特定环境，给井下车辆准确定位、通讯带来了一定的困难，汽车一旦在井下发生问题(例如汽车堵塞、汽车故障等)，将会造成撞车、追尾等事故的发生，严重影响生产，矿山管理人员也难以及时掌握井下汽车的动态分布及作业情况。

因此，建立可靠实用的煤矿井下智能交通灯控制系统，对井下机车进行精确定位，提高对井下机车的监控和调度，以改善煤矿的安全生产管理，有着重要的现实意义。

随着井下定位系统的不断发展，矿方对井下人机定位提出更高的要求。由原来的只要求区域定位，到现在需要达到一定的精度定位，但是原来Zigbee大都是采用场强定位，但是场强由于遮挡和天线方向性的原因，场强变化很大，使得定位基本上只是实现区域定位，有些可通过控制场强，增加密度来减小定位区域，实现区域精确定位，但并不是真正的精确定位。

中国专利CN202394390中披露了一种矿用机车交通安全信号控制系统，该控制系统包括传感器和控制系统，通过检测煤车启用与否来判断煤车的位置，并且传递给红绿灯控制器。该方案在实际应用中，由于坑道的特殊性，使得信号使用传感器检测的准确度较低，判断反应时间较短，对于安全监控实际上不能真正实用。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种井下智能交通灯控制系统和方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种井下智能交通灯控制系统，包括机车定位和交通灯控制器、网络交换机、机车定位仪、综合分站、交通灯LED显示屏；其中，机车定位和交通灯控制器连接到网络交换机，用于获取综合分站发送的关于机车定位仪的位置信息，并且下发控制信息到交通灯LED显示屏；其中，机车定位仪安装在机车上，具有唯一的标识号码，周期性的发出广播包，与信号覆盖范围内的综合分站进行精确定位。

根据本发明的另一个方面，提出一种井下智能交通灯控制方法，包括：机车定位仪发出广播包，综合分站收到机车定位仪的信息后发出定位包，机车定位仪收到定位包后自动回应一个定位返回包，并马上发送一个数据包；当综合分站收到机车定位仪的定位返回包和数据包后，计算出机车定位仪与自己的距离，然后通过有线将机车定位仪的距离和信息发送到上位机；上位机通过多个分站上报的距离信息，得出机车的精确位置，并根据综合分站的地理信息，根据机车到达路口的先后，通过综合分站无线控制交通灯变化。

本发明提出一种新的定位技术，采用线性调频扩频技术（Chirp SpreadSpectrum，CSS），通过测量飞行时间（TOF）来进行精确定位，定位精度3-5米，通过这种技术可以实现井下人员和机车的精确定位。在机车精确定位的基础上，交通灯控制系统根据各类机车的位置，对路口的交通灯按照先到先走的原则进行控制。

附图说明

图1为根据本发明的智能交通灯控制系统的组成结构图；

图2是飞行时间计算的使用示意图；

图3A-3C是基于综合分站获取机车定位仪的示意图；

图4是机车定位仪的组成电路原理图；

图5是综合分站的组成结构示意图；

图6是综合分站与机车定位仪以及交通灯LED显示屏的运行关系图。

为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种井下智能交通灯控制系统和方法进行详细描述。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

图1示出井下智能交通灯控制系统的组成结构，如图1所示，该系统包括机车定位和交通灯控制器、网络交换机、机车定位仪、综合分站、交通灯LED显示屏。

其中，机车定位和交通灯控制器可以位于地上，网络交换机可以位于地上。其中，机车定位和交通灯控制器连接到网络交换机，用于获取综合分站发送的关于机车定位仪的位置信息。其中，机车定位仪安装在机车上，具有唯一的标识号码，周期性的发出广播包，与信号覆盖范围内的综合分站进行精确定位。

其中，多个综合分站可以有线或者无线布置，综合分站通过计算飞行时间（TOF）的方式计算出机车定位仪与综合分站的距离。

其中，TOF的测距原理如图2所示，Distance=｛(T1-T2)/2｝*C，T1为广播包发送时间，T2为接收从机车定位仪返回的广播包的时间，C为光速。该计算的测距精度3-5米。对于井下环境，把巷道看成是一个一维的环境，认为巷道是一条直线。单个分站测试出的距离，认为机车定位仪的位置有2种可能，一种是在综合分站的左边，一种是在综合分站的右边，当有2个综合分站测试出距离，就可以把根据2个综合分站的地理信息判断出机车定位仪的精确位置。

具体实现方式如图3A-3C所示，图3A中，综合分站之间的距离预知为250米，通过两个综合分站反馈的信息，机车定位仪在分站1的距离为30米，距离分站2为280米，由于已知分站1在分站2的左边，所以通过2个分站测试出来的距离,可以分析出机车定位仪在分站1的左边30米处。图3B中示出，通过2个分站测试出来的距离，可以分析出机车定位仪距离2个分站的距离都小于250米，机车定位仪在2个分站中间，距离分站2为150米处。图3C中示出，通过2个分站测试出来的距离,可以分析出机车定位仪在分站2的右边30米处。这样可以看到，通过该方式，不仅可以判断机车定位仪的距离，还可以判断机车定位仪的相对位置，这对于在交叉路口的交通灯控制极为重要。

其中，交通灯LED显示屏布置在每个有交通管控区域的交通路口，通过有线或者无线方式连接到综合分站，接收来自交通灯控制系统下发的交通灯控制指令，实现交通灯控制。

其中，综合分站的无线通信距离250到300米之间，不间断接收信号。其中，机车定位报警仪的无线通信距离250到300米之间，每0.5秒发出一次广播包，与信号覆盖范围内综合分站进行一次测距。当然，可以理解，布置距离和发射频率相应于通信能力和精度要求，其余不同布置方式对于本领域的普通技术人员而言可以根据上述教导而获取。

进一步，如在图1所示里，井下的综合分站是通常固定在巷道里，相隔250到300米之间分布布置一台综合分站，每台综合分站具有唯一属于它的编号，并在处理器软件里体现每台综合分站的分布位置。进一步，而机车定位报警仪则安装在机车前端上，交通灯LED显示屏安装在岔路口。

通常，在运行中，当机车携带机车定位仪运行到巷道中某个位置时，综合分站可以接收到来自机车定位仪发送过来的信号，实现精确定位。井上的人可以通过定位显示屏获取井下机车的精确位置。

同时当机车定位仪行驶到岔路口附近时，交通灯控制系统根据机车精确定位系统提供的机车位置信息来控制交通灯LED显示屏，实现智能交通控制。交通灯LED屏安装在交叉路口，交通灯的控制采用先到先走的原则，井下的巷道通常比较狭窄，只能允许一辆车通过，车辆到达路口时，交通灯给予最先到达的车辆以绿灯，其他路口为红灯，车辆进入避车道内，先到的车辆通过后，再给予其他路口的车辆绿灯，路口都没有车辆的时候，交通灯为黄灯。

其中，所述机车精确定位系统、交通灯控制系统以及每个综合分站之间采用有线的传输方式，通常采用以太网光缆传输方式。交通灯LED显示屏和综合分站之间采样采用WIFI协议进行无线传输。综合分站、机车定位仪之间采用基于于802.15.4a协议进行无线传输。

机车定位仪和综合分站都配置了一块拥有Nanotron公司的NA5TR1射频芯片，射频芯片所发出的射频信息经由天线发出。图3是机车定位仪的电路原理框图，如图4所示，机车定位仪包括电源模块、NA5TR1射频模块、天线模块。其中，NA5TR1射频模块用于与综合分站进行无线通讯,进行精确定位。

图5是综合分站的结构框图，如图4所示，该综合分站包括供电模块、光纤接口、光电转换器、内部无线通信模块（诸如wifi电路板）、NA5TR1射频模块和天线模块。

图6示出综合分站与机车定位仪以及交通灯LED显示屏的运行关系图，如图6所示，其中，在一个实施例中，机车定位仪每500ms工作一次，工作时间16ms，平时处于休眠状态（不接收也不发送）。工作期间，机车定位仪发出广播包，16ms内没有收到信息就进入睡眠状态。分站一般处于接收状态，收到机车定位仪的信息后发出定位包，机车定位仪收到定位包后自动回应一个定位返回包，并马上发送一个数据包；当综合分站收到机车定位仪的定位返回包和数据包后，计算出机车定位仪与自己的距离，然后通过有线将机车定位仪的距离和信息发送到上位机,然后通过多个分站上报的距离信息，得出机车的精确位置，并根据综合分站的地理信息，根据机车到达路口的先后，通过综合分站的wifi模块无线控制交通灯变化，使得交通智能管控。

其中，数据通信协议如下描述。当然以下的数据格式仅用于示例说明，并不是限制本发明的思想和应用方式。

机车定位仪上报信息格式：

Octets:1	1	4	1	2	2
						上行帧头	数据长度	源地址	状态字节	保留	校验码

分站控制交通灯LED屏信息格式：

Octets:8	14	N	2	1
					下行帧头	包头数据	数据域	包校验	帧尾

分站上传到上位机的信息格式：

分站接收上位机的信息格式：

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (8)

1.一种井下智能交通灯控制系统，包括机车定位和交通灯控制器、网络交换机、机车定位仪、综合分站、交通灯LED显示屏；

其中，机车定位和交通灯控制器连接到网络交换机，用于获取综合分站发送的关于机车定位仪的位置信息，并且下发控制信息到交通灯LED显示屏；其中，机车定位仪安装在机车上，具有唯一的标识号码，周期性的发出广播包，与信号覆盖范围内的综合分站进行精确定位，所述综合分站不间断接收信号，所述机车定位仪定时广播，与信号覆盖范围内综合分站进行测距；

其中，多个综合分站预先布置，通过有线或者无线连接，综合分站通过计算飞行时间TOF的方式计算出机车定位仪与综合分站的距离和方向；

其中，巷道为一维环境，综合分站的位置和角度预知，综合分站通过计算飞行时间获取机车定位的相对左方或者右方，通过两个或者多个综合分站确定机车定位仪的精确位置。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，机车定位和交通灯控制器位于井下，网络交换机位于地上或者地下。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，交通灯LED显示屏布置在每个有交通管控区域的交通路口，通过有线或者无线方式连接到综合分站，接收来自机车定位和交通灯控制器下发的交通灯控制指令，实现交通灯控制。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，综合分站的无线通信距离250到300米之间；其中，机车定位报警仪的无线通信距离250到300米之间。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，机车定位仪和综合分站都配置射频芯片，射频芯片所发出的射频信息经由天线发出。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，机车定位仪包括电源模块、射频模块、天线模块；其中，射频模块用于与综合分站进行无线通讯,进行精确定位；其中，综合分站包括供电模块、光纤接口、光电转换器、内部无线通信模块、射频模块和天线模块。

7.一种井下智能交通灯控制方法，包括：

机车定位仪发出广播包，综合分站收到机车定位仪的信息后发出定位包，机车定位仪收到定位包后自动回应一个定位返回包，并马上发送一个数据包；

当综合分站收到机车定位仪的定位返回包和数据包后，计算出机车定位仪与自己的距离，然后通过有线将机车定位仪的距离和信息发送到上位机；

上位机通过多个分站上报的距离信息，得出机车的精确位置，并根据综合分站的地理信息，根据机车到达路口的先后，通过综合分站无线控制交通灯变化。

8.根据权利要求7的方法，其中，机车定位仪安装在机车上，具有唯一的标识号码，周期性的发出广播包；多个综合分站预先布置，通过有线或者无线连接，综合分站通过计算飞行时间TOF的方式计算出机车定位仪与综合分站的距离和方向。