煤礦井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用*

冀建磊

(晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 晉中 030600)

0 引 言

近年來，隨著煤礦開采深度和開采強度的增加，煤礦事故頻頻發(fā)生，據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計顯示，2020年國內(nèi)發(fā)生煤礦事故122起，死亡人數(shù)達到225人。常見的煤礦事故主要有瓦斯爆炸、透水以及井下火災(zāi)等，這些事故大多是由于監(jiān)控力度不夠引起的，很多事故的苗頭沒有得到重視，最終釀成大禍[1]。因此，保證煤礦安全生產(chǎn)和提高煤礦產(chǎn)量是丞待解決的關(guān)鍵難題。筆者從對煤礦井下人員及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的要求出發(fā)，深入分析了視頻監(jiān)控、信號傳輸、中心控制、遠(yuǎn)程監(jiān)管等應(yīng)用現(xiàn)狀，提出新的設(shè)計方案，建立井下監(jiān)控系統(tǒng)、井上監(jiān)控系統(tǒng)和煤礦設(shè)備運行監(jiān)控系統(tǒng)三位一體、智能化、全方位管理體系，形成了當(dāng)前較為先進的監(jiān)控中心和調(diào)度中心，促進煤礦安全管理工作更加科學(xué)化、數(shù)字化，有利于實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)目標(biāo)。

1 煤礦井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控要求

1.1 煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

目前，國內(nèi)煤礦基本上實現(xiàn)了機械化，采用大型的掘進機、錨桿轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機等不同的機械設(shè)備輔助煤礦生產(chǎn)，減輕了工人的勞動強度。目前國內(nèi)采用機械化的煤礦僅僅占到45%左右，礦工務(wù)工占比較大，所以對煤礦井下設(shè)備和人員進行智能監(jiān)控對于保障礦工生命安全和提高煤礦產(chǎn)量具有重要的意義和作用。煤礦事故主要存在以下難題：①地面人員不能及時動態(tài)了解井下工作人員的分布情況和作業(yè)情況；②地面與井下人員和設(shè)備之間的溝通不及時；③煤礦事故發(fā)生后，由于內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜且未知，需要長時間制定救援方案，導(dǎo)致救援不及時，搜救效果比較差[2]。

1.2 設(shè)計原則

礦工在井下大約幾千米的深井處作業(yè)，遠(yuǎn)離地面，環(huán)境比較惡劣，井下與地面之間人員溝通很不方便，采用傳統(tǒng)的定點監(jiān)控存在監(jiān)控不到位情況，同時由于某個攝像頭損壞會導(dǎo)致井下監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸困難，因此建立井下遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能遠(yuǎn)距離監(jiān)控設(shè)備和人員，隨時掌握人員的分布情況和井下作業(yè)所處的環(huán)境，還可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的事故苗頭，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱、聲音異常等現(xiàn)象時能及時判斷故障并且提醒維護檢修，有效避免事故發(fā)生[3-4]。為此，井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足以下設(shè)計要求。

(1) 滿足煤礦井下相關(guān)的管理規(guī)定和設(shè)計技術(shù)規(guī)范。如《煤礦安全規(guī)程》《計算機軟件開發(fā)規(guī)范》《安全防范工程程序和要求》等。

(2) 需要保證煤礦井下視頻成像清晰度，能夠辨識井下工作人員和設(shè)備所處的狀態(tài)，同時準(zhǔn)確識別設(shè)備異常故障并進行智能診斷[5]。

(3) 由于井下距離比較長，需要解決長距離數(shù)據(jù)傳輸問題，保證從地面上能夠隨時掌握井下的數(shù)據(jù)信息，保證從地面能夠?qū)崟r接收到井下的視頻信息。

2 智能化監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)需要根據(jù)實際使用位置的不同進行調(diào)整，為此作出如下系統(tǒng)設(shè)計方案。

(1) 皮帶入倉口：監(jiān)控范圍比較小，實際的光線相對比較差，所以需要采用長焦鏡頭低照度攝像機，對單一范圍進行精確監(jiān)控。

(2) 變電所以及水泵房：由于硐室內(nèi)光線比較好，所需要的監(jiān)控的對象位置也比較固定，所以采用高清攝像機就可以獲取到比較清晰的圖像。

(3) 副井上下井口：由于在副井位置處的光線相對比較亮，所以監(jiān)控范圍比較大，為此需要使用彩色廣角鏡頭高清攝像機，對進出口的罐籠運行狀態(tài)和物料進行精確監(jiān)控。

(4) 采煤工作面及煤礦巷道：煤礦巷道光線比較暗，煤礦井下需要全天24 h工作，因此需要使用低照度高清攝像機；井下空氣中含有有毒有害氣體，易燃易爆氣體比較多，遇到明火非常容易引起爆炸，因此需要使用專用的礦用防爆攝像機。如圖1所示為礦用防爆攝像機。

圖1 礦用防爆網(wǎng)絡(luò)高清攝像儀

根據(jù)以上的監(jiān)控系統(tǒng)方案，智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括手持終端、通信基站、基站總控制器、定位發(fā)送卡以及網(wǎng)絡(luò)交換機等，圖2所示為本次設(shè)計的井下人員及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)組成原理圖。

圖2中手持終端主要安裝在井下工作人員的安全帽上，每個設(shè)備都有專用的ID號，可以通過無線通信信號與基站之間進行語音對話和數(shù)據(jù)交換，最終通訊的頻率設(shè)置為800 Hz。基站安裝在井下采區(qū)、掘進巷道的開口處、綜采工作面的順槽等位置，實現(xiàn)對井下不同位置的全方位網(wǎng)絡(luò)通信，每個基站的布置覆蓋區(qū)域為0.5km2，基站之間采用控制器連接?；镜目刂破髯鳛榘l(fā)送信號的源，主要安裝在主運輸巷道以及主副斜井的井筒內(nèi)部，在基站控制器內(nèi)部嵌入定位發(fā)送卡，實現(xiàn)上下信號的連接。主服務(wù)器主要是安裝在地面遠(yuǎn)程監(jiān)控室，主機服務(wù)器和終端計算機連接，在服務(wù)器內(nèi)部安裝有通信所需要的軟件程序、三維數(shù)據(jù)架構(gòu)軟件等，服務(wù)器通過專用的軟件可以在顯示器上直觀地展示被困人員的具體位置分布，設(shè)備表面的故障現(xiàn)象通過遠(yuǎn)紅外測溫儀進行檢測。

圖2 智能化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 智能化監(jiān)控系統(tǒng)運行原理

智能監(jiān)控系統(tǒng)人員定位子系統(tǒng)主要由定位基站、現(xiàn)場總線、智能卡三部分組成，定位基站實現(xiàn)對井下工作人員身份定位和編碼的采集，并且傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機。作業(yè)人員的身份證號碼被保存在智能卡里，當(dāng)出現(xiàn)煤礦事故時，可以發(fā)送出警報提示。如圖3所示為信息發(fā)送與接收模塊原理圖。

圖3 信息發(fā)送與接收模塊原理組成圖

在煤礦井下進行實時監(jiān)控需要保證信息的傳輸，首先系統(tǒng)的主傳輸平臺使用的是CAN總線，并且利用智能卡對設(shè)備和工人進行定位，搭建井下智能巡檢二級安全監(jiān)控和人員定位系統(tǒng)。圖4所示為智能化監(jiān)控系統(tǒng)人員識別與定位算法流程圖。

圖4 智能化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控人員系統(tǒng)流程圖

礦井作業(yè)人員以及設(shè)備的身份識別碼被存儲在監(jiān)控系統(tǒng)中，通過礦工頭盔和設(shè)備側(cè)方的識別貼條進行信號發(fā)送，信號通過中間基站進行處理和加強，最后發(fā)送到上位機并顯示人員的位置?，F(xiàn)場應(yīng)用效果如圖5所示。

圖5 應(yīng)用現(xiàn)場效果

利用井下高清防爆攝像機和紅外線熱成像技術(shù)對井下設(shè)備表面的溫升進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并提醒檢修。

4 結(jié) 論

對所設(shè)計的整個煤礦井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)進行現(xiàn)場應(yīng)用和實驗，通過高清攝像儀可以準(zhǔn)確獲取井下人員及設(shè)備所在的位置，并在上位機端進行顯示。

此監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)工作時間自動標(biāo)識人員的任務(wù)，包括檢修、滯留、維護、巡檢等多方面，對設(shè)備進行智能監(jiān)控，可以避免設(shè)備出現(xiàn)故障，有效保證煤礦井下的正常運行。主要優(yōu)點如下。

(1) 應(yīng)用效果明顯。本套系統(tǒng)設(shè)計完后首次應(yīng)用于國內(nèi)某家煤礦，對所有的礦工安全帽進行優(yōu)化，在安全帽中添加了信號發(fā)送卡，從上位機中可以實時采集到礦工和設(shè)備的位置信息，利用高清攝像機采集井下工作環(huán)境工況和設(shè)備的運行狀況，尤其是當(dāng)發(fā)生礦難時能夠準(zhǔn)確定位各個礦工的位置，便于進行救援，具有顯著的應(yīng)用效果。

(2) 受外部環(huán)境的影響比較小。相比于傳統(tǒng)的探測儀等設(shè)備，文中設(shè)計的系統(tǒng)采用的是無線通訊技術(shù)，可以實現(xiàn)信號的無線傳輸，能夠?qū)崟r采集井下環(huán)境參數(shù)，有效避免事故發(fā)生。

(3) 自動化水平高、實用性強。當(dāng)前煤礦事故頻頻發(fā)生，煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境為救援工作增加了難度，同時井下人員的分布未知導(dǎo)致救援不及時，采用本套智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)礦井工人的精確定位，實用性較強，不僅可以應(yīng)用在煤礦領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在道路和隧道施工等工程中，系統(tǒng)自身的自動化水平較高，可實現(xiàn)全域安全運行和管理。