智能綜采工作面人員感知定位控制系統(tǒng)研究

和志偉

（山西長(zhǎng)治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 047102）

0 引言

由于礦井生產(chǎn)過(guò)程中，采煤工作面是一個(gè)非常重要的場(chǎng)所，在進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)工作環(huán)節(jié)都必須處于時(shí)刻工作狀態(tài)，因此稍有不慎將會(huì)使位于采煤工作面的工作人員受到傷害。為了能夠最大限度地提高工作安全性，在采煤過(guò)程中引入智能化控制開采采煤工作面。依據(jù)人員定位系統(tǒng)，當(dāng)工作人員攜帶者定位標(biāo)簽卡在工作面工作時(shí)，在定位系統(tǒng)中能夠準(zhǔn)確地對(duì)工作人進(jìn)行定位，進(jìn)一步可以得到工作人員的液壓支架編號(hào)。人員定位系統(tǒng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算可以把相關(guān)的人員位置參數(shù)傳輸給液壓支架電液控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以進(jìn)一步讓液壓支架實(shí)現(xiàn)快速閉鎖，進(jìn)而起到減少采煤工作面工作人員安全事故發(fā)生率的效果。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人員定位系統(tǒng)

該定位系統(tǒng)包括下面幾個(gè)單元：（1）工作面UWB超寬帶基站；（2）人員定位服務(wù)器；（3）支架控制器；（4）液壓支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)等。其中，UWB基站安裝設(shè)置在工作面上，其信號(hào)能夠達(dá)到整個(gè)工作面，對(duì)每個(gè)工作人員的位置進(jìn)行定位[1]。假如工作人員位于工作面時(shí)，UWB雷達(dá)可以借助定位卡對(duì)小于30 cm的人員進(jìn)行定位，這時(shí)基站可以收集到定位數(shù)據(jù)，同時(shí)將該信息傳輸給人員定位系統(tǒng)；上位機(jī)向人員定位系統(tǒng)定期輸送人員定位數(shù)據(jù)，同時(shí)把數(shù)據(jù)傳輸給支架控制系統(tǒng)，還將信息輸送給支架控制主機(jī)，圖1所示為相應(yīng)的數(shù)據(jù)流[2]。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，其中的實(shí)線箭頭表示上傳數(shù)據(jù)，而支架控制系統(tǒng)可以對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把處理結(jié)果輸送給對(duì)應(yīng)的支架控制系統(tǒng)，其中虛線箭頭為數(shù)據(jù)流。

圖1 人員定位系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 智能化采煤工作面控制區(qū)域

在智能化工作面實(shí)施工作時(shí)，如下幾個(gè)部分是巡檢工作人員頻繁出現(xiàn)的位置：（1）在采煤機(jī)前滾筒周圍，便于司機(jī)調(diào)整頂滾筒的高，與此同時(shí)對(duì)煤機(jī)速度進(jìn)行有效地控制；（2）在采煤機(jī)后滾筒周圍，能夠讓司機(jī)控制割底滾筒臥底量[3]；（3）當(dāng)處于跟機(jī)收護(hù)幫支架后方時(shí)，可以借助巡檢人員對(duì)支架收縮進(jìn)行控制；（4）位于跟機(jī)推溜支架動(dòng)作區(qū)域前方，不同的巡檢人員都應(yīng)該配置對(duì)應(yīng)的工作區(qū)域，更加便于負(fù)責(zé)支架移動(dòng)以及伸護(hù)幫等。

由此可以看出，智能化采煤工作面的液壓電控包括如下幾個(gè)部分：（1）支架推溜動(dòng)作區(qū)域A；（2）支架移架動(dòng)作區(qū)域B；（3）支架收護(hù)幫動(dòng)作區(qū)域C。圖2所示為相應(yīng)的巡檢人員位置以及相應(yīng)的支架跟機(jī)動(dòng)作位置[4]。

圖2 工作面液壓支架跟機(jī)情況與人員分布位置情況

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，人員移動(dòng)的方向與采煤機(jī)具有一致性，當(dāng)采煤機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的支架也會(huì)出現(xiàn)跟機(jī)動(dòng)作，與此同時(shí)將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)工作人員所在支架與后方的跟機(jī)支架重瞳，主要表現(xiàn)在如下2種情況：第一，假如支架巡檢工作者出現(xiàn)在區(qū)域4時(shí)，那么后方的跟機(jī)推溜支架將會(huì)重疊，從導(dǎo)致出現(xiàn)沖突的現(xiàn)象；第二，當(dāng)煤機(jī)司機(jī)位于區(qū)域2位置時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)與跟機(jī)支架B重疊的現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)支架閉鎖與跟機(jī)支架之間發(fā)生沖突[5]。因此，支架巡檢工作人員在區(qū)域4位置時(shí)，支架號(hào)越大，其將會(huì)和后面的區(qū)域A包含的跟進(jìn)推溜動(dòng)作發(fā)生沖突。與此同時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)所在位置的支架號(hào)越大，那么這時(shí)與后方跟進(jìn)支架的B位置支架近，從而需要及時(shí)的解鎖工作人員所在的支架。

1.3 系統(tǒng)對(duì)接設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)信息的輸送選用UDP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)包含：姓名；距離；支架號(hào)；人員定位服務(wù)器采用主動(dòng)上報(bào)；向支架輸送人員信息的單元。

1.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

假如智能采煤工作面接收到人員定位信息后，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)的對(duì)人員的信息進(jìn)行提取，諸如姓名、名稱以及支架號(hào)等，同時(shí)將其保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。一般情況下，在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)表，包含卡號(hào)和名稱[6]。

1.3.3 數(shù)據(jù)顯示及下發(fā)

為了能夠更好地調(diào)用定位人員的信息，液壓支架控制系統(tǒng)能夠進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)讀取，在系統(tǒng)中設(shè)置二維的展示界面，進(jìn)而便于觀察工作人員的情況。圖3所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)人員定位邏輯。

圖3 支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)人員具體定位邏輯

2 安全策略

2.1 系統(tǒng)閉鎖

液壓支架系統(tǒng)可以借助定位系統(tǒng)查找工作人員所在的支架號(hào)，這時(shí)可以調(diào)用系統(tǒng)的邏輯判斷程序，把相應(yīng)的控制程序傳輸給支架控制系統(tǒng)，具體如下：當(dāng)已經(jīng)把相應(yīng)的支架號(hào)輸送給電液主機(jī)，進(jìn)而能夠保存支架模式設(shè)置為1，這樣可以通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)的訊號(hào)單元對(duì)支架模式進(jìn)行控制，生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的閉鎖指令。圖4所示為相應(yīng)的主機(jī)閉鎖工作流程。

圖4 支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)具體閉鎖控制邏輯

2.2 系統(tǒng)解鎖策略

當(dāng)巡檢人員出現(xiàn)在支架位置時(shí)，而支架單元卻處于閉鎖狀態(tài)，巡檢人員需要離開時(shí)，為了能夠有效地將支架解鎖，通產(chǎn)在解鎖單元上設(shè)置解鎖指令，進(jìn)而便于便捷地解除支架閉鎖。通常在該系統(tǒng)中設(shè)置2種解鎖模式：主動(dòng)解鎖和被動(dòng)解鎖。其中，主動(dòng)解鎖方式系統(tǒng)能夠起到支架控制解鎖指令的作用，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)控制器的解鎖；而被動(dòng)解鎖是指當(dāng)在一定時(shí)間周期內(nèi)控制器未收到相應(yīng)的解鎖指令時(shí)，其可以實(shí)現(xiàn)自行解鎖的功能[7]。

（1）被動(dòng)解鎖

假如工作人員離開支架后，而定位器并不向主機(jī)發(fā)送解鎖指令；主機(jī)對(duì)該情況進(jìn)行判斷，當(dāng)在5 s內(nèi)并未收到定位器發(fā)出的指令，那么將判斷工作人員已經(jīng)離開支架，這時(shí)主機(jī)將會(huì)發(fā)出解鎖指令，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)解鎖。圖5所示為被動(dòng)解鎖流程。

圖5 控制器進(jìn)行被動(dòng)解鎖具體控制邏輯情況

（2）主動(dòng)解鎖

通常主機(jī)系統(tǒng)每間隔1 s可以接收到人員定位信息，同時(shí)支架控制系統(tǒng)接收到信號(hào)之后將執(zhí)行閉鎖指令將其設(shè)置為1，而其僅僅能夠給控制器發(fā)出1個(gè)閉鎖指令。而主機(jī)內(nèi)部程序設(shè)置為煤3 s實(shí)現(xiàn)以此閉鎖指令的復(fù)位，而相應(yīng)的指令發(fā)送時(shí)間小于1 s，當(dāng)信號(hào)復(fù)位之后，主機(jī)將會(huì)收到人員定位信號(hào)；與此同時(shí)還會(huì)把閉鎖指令傳輸給支架控制器，這樣能夠通過(guò)檢測(cè)到的人員心跳信息傳輸給主機(jī)與支架控制器；假如工作人員離開支架時(shí)，人員定位系統(tǒng)將不會(huì)再向主機(jī)發(fā)送任何信號(hào)，而相應(yīng)的當(dāng)主機(jī)發(fā)生復(fù)位之后，對(duì)應(yīng)的主機(jī)也不在傳遞閉鎖指令。假如控制器能夠在5 s內(nèi)并未接收到主機(jī)心跳信息，那么系統(tǒng)將默認(rèn)為工作人員離開當(dāng)前的支架，這時(shí)設(shè)置的程序?qū)⑹沟弥Ъ茏孕薪怄i，由此可得該模式為自動(dòng)解鎖模式。

主動(dòng)解鎖具有如下特點(diǎn)：不依據(jù)主機(jī)發(fā)生的指令即可實(shí)現(xiàn)解鎖，能夠有效地避免因?yàn)橹鳈C(jī)通訊中斷或者通信故障而不能對(duì)主機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而因不能接收到解鎖指令而未執(zhí)行解鎖。圖6所示為相應(yīng)的控制器主動(dòng)解鎖控制邏輯。

圖6 控制器進(jìn)行主動(dòng)解鎖具體控制邏輯情況

2.3 人員動(dòng)態(tài)與系統(tǒng)匹配策略

當(dāng)支架處于閉鎖時(shí)，其不能實(shí)現(xiàn)跟機(jī)動(dòng)作，因此必須解決支架在執(zhí)行跟機(jī)之前完成解鎖動(dòng)作，因此設(shè)計(jì)了支架控制最大解鎖延遲時(shí)間，該時(shí)間與采煤運(yùn)行速度、人員—推溜距離以及人員—移架距離參量有關(guān)，相應(yīng)的計(jì)算理論如下。

假如采集機(jī)恒定的行駛速度設(shè)定為V1，而對(duì)應(yīng)的人員距離移架動(dòng)作支架的跟機(jī)移架距離L1，而L2表示對(duì)應(yīng)的工作人員相對(duì)于推溜動(dòng)作支架的跟機(jī)之間的距離。經(jīng)過(guò)公式T1=L2/V1可以計(jì)算出之間控制器最佳的解鎖時(shí)間。

在進(jìn)行跟機(jī)生產(chǎn)的過(guò)程中，圖2所示為巡檢人員與采煤機(jī)的移動(dòng)方向保持一致，通常將巡檢工與跟機(jī)推溜動(dòng)作保持在一定的范圍內(nèi)，為了能夠允許巡檢人員長(zhǎng)時(shí)間處于該區(qū)域，需要巡檢工作人員與采煤機(jī)保持一定的移動(dòng)速度，進(jìn)而能夠始終處于該范圍內(nèi)。假如工作人員新進(jìn)速度過(guò)慢，這時(shí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)檢測(cè)之后，工作人員離開支架的時(shí)間也會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)。與此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給巡檢工作人員設(shè)定一定的移動(dòng)范圍與解鎖延遲時(shí)間，從而能夠有效地保證巡檢工作人員始終處于支架的范圍內(nèi)。假如巡檢工作人員保持一定的速度移動(dòng)即V3，當(dāng)巡檢人員通過(guò)單個(gè)支架的距離為L(zhǎng)3，那么相應(yīng)的工作人員相關(guān)的移動(dòng)速度與支架的解鎖延遲時(shí)間根據(jù)T3=L3/V3進(jìn)行計(jì)算。

要想保證工作人員通過(guò)單個(gè)支架時(shí)，支架處于解鎖的狀態(tài)，其應(yīng)該滿足公式：T3≤（T1/T2）。由此可以看出，支架在執(zhí)行跟機(jī)動(dòng)作之前必須進(jìn)行解鎖，或者推溜動(dòng)作也需要保證實(shí)現(xiàn)解鎖[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

為更好地保障智能采煤工作面巡檢人員的人身安全，本文設(shè)計(jì)了智能化采煤工作面安全閉鎖及解鎖策略方法，該系統(tǒng)能夠精確地定位人員信息，實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）智能化采煤工作面電液控制系統(tǒng)主機(jī)；（2）實(shí)現(xiàn)各個(gè)支架的系統(tǒng)控制以及相應(yīng)的邏輯判斷；（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配。

通過(guò)分析不同崗位的巡檢人員的情況，系統(tǒng)劃分智能化采煤機(jī)工作面，同時(shí)分析了動(dòng)作沖突的情況以及相應(yīng)的處理辦法。設(shè)計(jì)出閉鎖策略、主動(dòng)解鎖以及對(duì)應(yīng)被動(dòng)解鎖等系統(tǒng)，同時(shí)給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)辦法，進(jìn)而能夠?qū)θ藛T的動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行處理。

當(dāng)前定位系統(tǒng)存在不足。假如支架處于閉合狀態(tài)時(shí)，支架不能動(dòng)作，這時(shí)工作人員位于支架動(dòng)作范圍，不能有效地解決支架閉鎖與支架跟機(jī)動(dòng)作沖突問(wèn)題。當(dāng)前解決辦法僅僅能夠借助規(guī)避的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)避讓，從而有效處理支架動(dòng)作與人員區(qū)域重疊問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)踐可以借助該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支架解鎖，借助支架補(bǔ)充動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)支架與人員的區(qū)域沖突問(wèn)題，從而有效地保障人員的人身安全。