基于RFID矿井斜坡道交通信号监控系统的故障处理方案

目前，我国矿井下主巷道运输的自动化程度相对较高，但如何对斜坡道内的运输安全进行自动化监控，基本上是一个空白点。斜坡道是很多矿山采掘企业在矿井下单独修建的一条负水平螺旋形斜坡巷道（即辅助巷道），利用无轨车辆（即卡车、工程车等）运送材料、设备以及人员等。斜坡道与开采层面的平巷形成丁字路口，丁字路口将相邻两个弯道形成距离不等的巷段。斜坡道内一般为单行道，无法进行车辆交会，一旦出现故障，不仅会严重影响车辆的运行效率，而且也存在着较大的安全隐患。 

本监控系统运用RFID（Radio Frequency ldentification）射频识别技术，通过一定频率的无线射频方式进行数据通讯，以达到自动识别和数据交换的目的。射频识别技术具有较高的通讯速率、较强的抗干扰能力、保密性强、多标签、远距离和高速移动物体识别等传统的“传感装置”无可比拟的技术优势，使得它不仅能够适应井下复杂、恶劣的作业环境，而且能够准确地解决车辆和人员混行识别问题，在系统中加入了各种故障处理方案，从而很好地解决了井下施工的安全隐患。
 
1 系统体系结构 

1.1系统组成 
根据矿井斜坡道作业环境和车辆运行特点，系统的安全性、可靠性、实用性是项目设计的主要原则，本系统利用RFID射频识别技术对车辆进行自动识别；利用微处理控制技术对交通信号进行自动控制；利用计算机管理技术对车辆的运行轨迹和数据进行自动显示和统计；利用CAN总线技术，支持数据处理终端与各检测分站之间进行网络通讯。并采取集散式的方式对整个系统进行控制。 

本系统主要由车辆识别、信号控制、信息管理、系统通讯四大单元所组成。很好地实现了对车辆的自动识别、自动控制和对车辆运行轨迹和相关数据自动显示和统计以及数据处理终端与监控分站之间以及分站相互之间进行通信等功能。 

1.2系统原理 
射频识别技术是本系统的技术关键，主要由电子标签（Tag）、读写器（Reader and Writer）等组成。电子标签由标签天线和标签芯片（包括射频收发模块、控制模块等）所构成，具有智能读写及加密通信等功能，读写器由无线收发模块、控制模块和接口电路所构成，用以产生发射无线电射频信号，并接收电子标签发射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，以达到自动识别的目的。射频识别设备采用的是2.4GGHz超高频工作频段和有源能量供应模式以及CAN总线通讯技术。 

如图1所示，系统在斜坡道内的每个交通道口设置监控分站，当附着车辆标识卡的无轨车辆进入分站发射天线工作区域后被激活，同时将载有车辆识别码的信息，经卡内发射模块发射出去；接收天线接收到无轨车辆标识卡发射的载波信号，经读卡器处理后，将车辆的有关信息（识别码信息和运行位置信息等），通过CAN总线，一方面传送到信号控制器，驱动信号灯进行信号切换，实现分散式控制；另一方面传送到数据处理终端，由管理软件进行数据处理和运行轨迹显示，实现车辆有关信息的集中管理。由于斜坡道的丁字道口形成3个行驶方向：①巷内上行；②巷内下行；③斜坡道至平巷的进出口。故系统是以1台读卡器配置3台天线、3组信号机的设计方案（也可以用3台读卡器配置3台天线、3组信号机的设计方案，具体由现场环境定），而斜坡道的进、出口分站，则只需配置1台读卡器、1台天线、1组信号机（根据各矿山斜坡道的结构不同，还可在有些矿山斜坡道内设有错车道）。 

2 系统故障处理 

该系统中，射频识别采用超高频、有源能量模式、扩频方式、光电隔离等技术措施，避免了检测信号的误报和多径抗干扰，提高系统的抗干扰能力；系统通讯采用CAN总线技术，短帧传送，传输时间短，受干扰概率低，每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率极低，保证了系统的可靠性；系统采用了分站式监控方式，当某一监控分站出现故障，不影响总线上其它节点交通信号控制的正常运行；设备选型考虑到井下工况环境的特殊要求。但为了证了系统的安全性，我们全面考虑了可能出现的故障，设计了相应的故障处理方案，使得系统具备故障自动诊断功能。 

2.1车辆故障处理 
车辆故障报警的技术处理为：事先对车辆经过每个巷段的平均时间间隔进行测试，并在控制程序中加以设定。当进入某一巷段的车辆在设定的时间间隔内，未通过巷段出口被读卡器天线所检测，则被认为车辆在巷段内出现故障。当车辆出现故障停滞于巷段内时，系统将启动声、光报警，并在数据处理终端提示出故障的具体巷段。在故障时间内，可采取紧急措施将车辆置入某一错车道内，并亮起该错车道的红灯，以免造成交通堵塞和所有车辆的停滞。 

2.2信号故障处理 
信号灯故障的技术处理为：通过信号控制器中的控制单片机定时对信号灯进行自动检测，发现故障立即报告给数据处理终端进行声、光报警，并在数据处理终端提示信号灯发生故障的所在具体位置。在信号灯出现故障时，车辆调度管理人员可进行人工干预，手工切换信号灯，并配合语音通信系统进行人工车辆调度，当巷段内故障排除后，系统再转入信号的自动控制。在人工干预期间，由于车辆识别系统仍在工作，原有的车辆运行数据仍被系统所保存。所以，当转入系统自动控制时，无损于系统对车辆运行数据的管理。 

2.3网络故障处理 
总线控制器中的CPU定时对CAN总线网络进行检测，如发现通信中断：一方面驱动所在监控分站的报警程序，驱动信号灯的红灯不停地闪烁进行报警，表示系统出现通信故障，提醒车辆驾驶人员引起注意；另一方面上传给数据处理终端，以便车辆调度管理员通知系统维护人员采取应急措施。
 
2.4标识卡电压检测 
车辆标识卡中的单片机控制器内部电路带有电压检测功能，当车辆标识卡的电压不足时，系统将以预设的标识在数据处理终端进行显示提示，并在数据处理终端提示出故障的具体巷段，通知系统维护人员处理该问题。 

2.5其他故障处理 
对车辆误闯红灯、两端车辆同时进入巷道、车辆故障停滞于巷道等异常情况，计算机终端将以声、光两种模式给予提示，并采取相关紧急措施处理故障，以免造成交通事故。 

由于CAN节点具有自动离线功能，当CAN总线上某节点出现事严重的错误情况，该节点将自动离线，其它节点不受影响，并在数据处理终端进行显示提示。 

3 结束语 

由于本系统的识别对象是高速运动车辆物体，要求系统具有较高的读写速度、较好的识别精度以及通讯品质，同时要保证系统在出现紧急状况和故障时要有一定的自处理能力。本文中所列的各种故障处理方案涵盖了系统中可能出现的各种情况，使其不仅具有很好的行业示范价值，而且具有极大的应用空间和发展前景。正是由于具备以上故障处理方案，目前本系统已安全地投入实际使用，并已形成备案标准。