一種煤流運輸系統沿線人員侵入危險區(qū)域智能預測預警識別系統研究與應用

牛得草

（甘肅華亭煤業(yè)集團有限責任公司，甘肅 華亭 744100）

煤礦膠帶運輸機和刮板運輸機是煤礦井煤流運輸的主要設備，同時煤流運輸巷道條件往往比較復雜、運輸距離長，而且煤流設備操控是由在機電硐室內的司機進行控制。當下井人員在設備運轉過程中違規(guī)進入特定危險區(qū)域，如靠近膠帶機、刮板運輸機轉動部位，直接翻越刮板運輸機、膠帶機、誤入煤倉等危險區(qū)域，皮帶司機無法實時地掌握現場視頻圖像及越界告警信息，并且無法及時發(fā)現該人員的危險行為，極易導致下井人員人身安全事故發(fā)生，給煤礦安全生產帶來極為不利的影響。通過建設煤流運輸沿線人員侵入智能預測預警識別系統消除事故隱患，確保安全生產。甘肅華亭煤業(yè)集團硯北煤礦洗煤廠2020年作為試點單位，投用了該技術取得了很好的安全效益。

1 關鍵技術

系統將先進的圖像智能（AI）識別技術、JDTraxTM檢測算法、大數據算法分析、以太網數據傳輸技術、自動化控制技術與膠帶機、刮板機控制系統相結合，可實現煤流沿線人員危險行為兩級預測預警系統。增加煤流系統運行的安全性，避免人身傷亡事故的發(fā)生。實現采掘工作面刮板運輸機沿線、工作面順槽膠帶機沿線、固定膠帶機沿線等場所人員違規(guī)進入危險區(qū)域（設備轉動部位）的行為進行預測預警、緊急停機及語言報警等功能。

在保證系統的穩(wěn)定性與可靠性的前提下，采用高清自主跟蹤攝像儀加礦用人體近感熱釋傳感器進行分級探測，并通過礦用可編程控制器實現人員危險行為的分級預警和設備緊急停機。

系統具備單機與聯網運行兩種模式。單機模式下可自主實現預測預警功能；聯網模式下實現視頻抓拍，緊急停機及數據統計與存儲等。

2 系統構成

井下煤流運輸沿線人員侵入智能預測預警識別系統主要KXJ127礦用隔爆兼本安型可編程控制器、KBA127礦用隔爆兼本安型AI智能攝像儀、GUR5礦用熱釋紅外傳感器、KDY127/12B礦用隔爆兼本安型直流電源、KTK18礦用本安型急停擴音電話、礦用專用電纜組成，同時搭配礦用KJD127隔爆兼本安型計算機、KJJ12礦用本安型千兆交換機及傳感器安裝支架等構成。

系統原理框圖，如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

3 系統工作原理

人員危險行為預測預警系統是采用礦用高清AI智能攝像儀加礦用人體近感熱釋傳感器進行分級探測，并通過控制器實現分級預警并急停設備。

第一級人員危險行為預測預警：采用礦用高清AI智能分析攝像儀、礦用隔爆兼本安型聲光報警器及礦用隔爆兼本安型可編程控制器組成。

礦用高清AI智能分析攝像儀采用高性能芯片和AI算法，內置多種智能分析算法，其中基于深度學習的目標檢測算法可以通過大量真實場景樣本訓練后，能夠在各種應用場景下及時準確地對場景中發(fā)生的物體入侵行為進行深度學習分析，檢測實時視頻中的物體目標，并通過物體特征分析，準確地識別物體目標并輸出分析結果。

同時該攝像儀具備寬動態(tài)、低照度、強光抑制等特點，滿足煤礦井下環(huán)境長期穩(wěn)定使用的要求。

礦用隔爆兼本安型聲光報警器的語音報警聲音高達110dB，在井下嘈雜的環(huán)境中仍然能清晰地聽到語音報警聲音。

將礦用高清AI智能分析攝像儀和礦用隔爆兼本安型聲光報警器聯動使用能夠達到人員危險區(qū)域聲音告警功能，具體原理如下：

礦用高清AI智能分析攝像儀可以對人體的精確檢測、跟蹤，實現分析識別，實時預警周界區(qū)域內的人員入侵情況，當有可疑人員進入監(jiān)測范圍內時，可對其跟蹤自動識別，將結果發(fā)送給礦用隔爆兼本安型聲光報警器，聯動礦用聲光報警器現場發(fā)出語音信號，提示人員進入危險區(qū)域，并且在上位機軟件界面上報警彈出，如圖2所示。

圖2 預測預警示意圖

第二級人員危險行為告警急停：系統采用改進后礦用人體熱釋紅外傳感器具備靈敏度可調、延時可調、感應距離及范圍可調等特點實現人員近感檢測并結合擴音電話及可編程控制器實現第二級人員危險行為的告警急停功能。

在硯北煤礦使用過程中，發(fā)現有誤動作或者不準確等現象發(fā)生，通過現場的調研和測試，對礦用人體熱釋紅外傳感器改進了2個方面：

（1）增加第三代PIR人體熱釋紅外線探測技術的PIR控制器。該控制器是一個CMOS工藝集成的PIR（Passive Infra-Red）控制器芯片，功耗低。其內部構架、采用模擬及數字混合電路的Mixed-mode方式設計，各種情況下使用皆十分穩(wěn)定。同時，控制器內置高精度算法單元，可自調整適應當前環(huán)境，濾除環(huán)境干擾，有效提取人體信號，最遠感應距離達20多米。

（2）增加菲涅爾透鏡+濾光片。由于PIR檢測的距離有限，改進的礦用人體熱釋紅外傳感器通過增加菲涅爾透鏡，把外部的光線匯聚到PIR上，增加進光量，大大增加PIR的檢測距離和角度。同時增加濾光鏡片只能通過波長范圍為7～10um紅外線，正好適合人體紅外輻射的探測，增加了傳感器感知人體的可靠性及穩(wěn)定性。

4 布防設計

（1）膠帶機機頭布防設計。在每條膠帶機機頭設置1臺內置高性能AI芯片的高清AI智能攝像儀，攝像儀的智能分析算法通過大量現場樣本訓練后，能夠針對具體每條皮帶機頭場景下的人員入侵區(qū)域行為進行及時準確的檢測與識別，聯動礦用聲光報警器構建第一級預測預警模式。該模式下系統無論是在單機還是聯網，都可以實時預警周界區(qū)域內的人員入侵情況，聯動礦用聲光報警器發(fā)出聲光報警信號，提示人員進入危險區(qū)域。

在每條膠帶機機頭的左側、右側及前方設置礦用人體近感紅外熱釋傳感器。該熱釋傳感器配置有PIR控制器實現了傳感器探測距離可調、角度可調、靈敏度可調；同時增加分割出若干區(qū)域的菲涅爾透鏡，實現人體移動熱釋紅外的檢測，避免因照明、電機發(fā)熱引起的誤動作，提高人體闖入檢測的可靠性。礦用紅外人體近感紅外熱釋傳感器聯動礦用聲光報警器和礦用可編程控制箱，構建第二級告警停機模式。該模式下可實現語音告警輸出，上位機軟件界面上報警彈出設備緊急停車等功能。

礦用聲光報警器的語音報警聲音高達110dB，在井下嘈雜的環(huán)境中仍然能清晰地聽到語音報警聲音。

（2）刮板運輸機布防設計。在每條刮板機上方設置1臺內置高性能AI芯片的高清自主跟蹤攝像儀，攝像儀的智能分析算法通過大量現場樣本訓練后，能夠針對具體每條皮帶機頭場景下的人員入侵區(qū)域行為進行及時準確的檢測與識別，聯動礦用聲光報警器構建第一級預測預警模式。該模式下系統無論是在單機還是聯網，都可以實時預警周界區(qū)域內的人員入侵情況，聯動礦用聲光報警器發(fā)出聲光報警信號，提示人員進入危險區(qū)域。

在每條刮板機的左側和右側設置2臺礦用人體近感紅外熱釋傳感器。該熱釋傳感器配置有PIR控制器，實現了傳感器探測距離可調、角度可調、靈敏度可調；同時增加分割出若干區(qū)域的菲涅爾透鏡，實現人體移動熱釋紅外的檢測，避免因照明、電機發(fā)熱引起的誤動作，提高人體闖入檢測的可靠性。礦用紅外人體近感紅外熱釋傳感器聯動礦用聲光報警器和礦用可編程控制器構建第二級告警停機模式。該模式下可實現語音告警輸出，上位機軟件界面上報警彈出設備緊急停車等功能。

礦用可編程控制箱設置在前部刮板運輸機入料口，負責轉載機、前部刮板運輸機和后部刮板運輸機的安全運行，當人員接進二級告警范圍，PLC控制箱會輸出停機信號，并配合擴音電話進行停機詳細聲音播報。

（3）設備連接設計。一級預警裝置部分：①所有提供的礦用智能AI攝像儀都內置2光3電百兆交換機，與匯聚交換機連接可以通過電口或者光口。皮帶沿線的AI分析攝像儀通過匯聚交換機集中在防爆計算機中顯示。②人員接近設備轉動部位時，智能AI攝像儀自帶告警DO輸出，通過與之連接的礦用隔爆兼本安型聲光報警器現場發(fā)出告警。礦用防爆計算機安裝的監(jiān)控軟件彈出人員接近告警窗口。③防爆計算機內置監(jiān)控主機與新提供礦用可編程控制器連接，通過礦用可編程控制器內置的語音控制模塊與天津華寧的皮帶沿線保護裝置的擴音電話連接，實現皮帶沿線人員靠近預警。④匯聚交換機通過千兆光纖連接到井下環(huán)網，經視頻、數據信息傳輸至地面。

二級設備停機部分：

礦用紅外熱釋傳感器+菲涅爾透鏡+PIR控制器實現人員闖入后輸出報警信號連接至礦用可編程控制箱，礦用可編程控制箱綜合分析AI智能分析攝像儀及PIR控制器發(fā)出的信號，輸出皮帶停機信號。

通過礦用可編程控制器內置的語音控制模塊與天津華寧的皮帶沿線保護裝置的擴音電話通信，實現皮帶沿線人員靠近準確位置的語音報警，并播報停機故障信息。

5 技術解決的問題及技術創(chuàng)新點

（1）具備區(qū)域入侵、越界入侵、人員聚集、進入/離開區(qū)域、快速移動、物品移除、徘徊、停車等智能行為分析功能；可對監(jiān)視區(qū)域的人臉進行檢測并抓拍人臉圖片，通過與外部報警輸入聯動錄像、抓拍、移動偵測聯動錄像；當人員進入警戒區(qū)域時，可自動彈出監(jiān)控畫面；具備虛焦偵測功能，當監(jiān)視畫面不清晰時，后臺可自動提示報警；人員值守的地點具備采集現場音頻的功能。

（2）視頻監(jiān)控系統系統可以對監(jiān)視畫面進入/離開的人數進行統計，當進入/離開的人數超出設定閾值時，可自動報警提示，并聯動抓圖、錄像。

（3）移動偵測功能與集控閉鎖程序聯動，接入PLC系統中，可以實現報警及停車功能。

（4）與礦井視頻管理平臺匹配，主控畫面在煤流集控室內。視頻畫面接入礦井調度室，全面掌握煤流運輸系統人員的工作狀態(tài)，增加主煤流系統運行的安全性，避免人身傷亡事故的發(fā)生。

6 結語

實現煤礦采掘工作面刮板運輸機及順槽膠帶機沿線、固定膠帶機沿線、洗煤廠等場所人員違規(guī)進入危險區(qū)域（設備轉動部位）的行為進行預測預警、緊急停機及語言報警等功能。有效消除人身傷亡事故隱患，確保安全生產?？梢詮V泛地推廣到工廠生產系統、軍隊邊防警戒區(qū)域入侵、無人值守變電所、非機動車占道監(jiān)測預警、高鐵站臺旅客越界、鐵路出入口、高速公路等出入口入侵預警。該技術研究與應用為特殊危險區(qū)域人身提供了安全保障，產生了很大的社會安全效益。