基于噪聲抑制的斜井跑車識別技術(shù)研究與仿真

宋國棟

(1. 應(yīng)急管理部信息研究院,北京 100029;2. 礦山安全無線定位與監(jiān)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3. 中安智訊(北京)信息科技有限公司,北京 100029)

1 引言

煤礦跑車現(xiàn)象是斜井運(yùn)輸中常見的事故類型,對人身安全和巷道設(shè)施危害性較大[1],2019年2月23日,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏旗銀漫礦業(yè)公司井下運(yùn)送工人車輛發(fā)生事故,致21死29傷。

針對上述跑車形成的原因,如何檢測與識別跑車是進(jìn)行預(yù)警和攔截的重要前置研究課題[2-5]。跑車一旦發(fā)生,由于斜井巷道斜度比較大,通常在與水平成30°夾角坡,因此在礦車重力加速度牽引下速度提升很快,這就要求對跑車的形成做到早期識別、快速預(yù)警、快速攔截的目的。

跑車識別是通過檢測跑車過程中的物理量數(shù)據(jù)變化實(shí)現(xiàn)的,對影響跑車的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,是跑車事故識別與預(yù)警的先決條件[6]。傳統(tǒng)的跑車識別算法,主要存在的問題包括:①根據(jù)測量儀器測回的速度、加速度、以及鋼絲繩的張力的參數(shù),在不同的跑車故障下的變化不同,針對于此定下參數(shù)變化范圍,當(dāng)超出此范圍時(shí)就將其判定為跑車故障[7-12];②主要的測量值為第一輛礦車和最后一輛礦車的加速度和速度,以及鋼絲繩的張力,難以精準(zhǔn)反應(yīng)跑車現(xiàn)象的真實(shí)情況;③采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)定識別故障的閥值,從而判斷是否發(fā)生故障,這種基本的識別算法,主觀性太強(qiáng),還可能存在誤判或者等缺陷。

本項(xiàng)目針對現(xiàn)有的識別算法不足,將雷達(dá)測速與計(jì)算仿真模型相結(jié)合,提出一種新的煤礦跑車系統(tǒng)的故障診斷方法,提高了礦車跑車識別診斷的效率與準(zhǔn)確性,解決了傳統(tǒng)跑車故障識別中存在誤差較大等問題。

2 總體架構(gòu)

為了提升跑車識別準(zhǔn)確率,并綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境、施工難度以及維護(hù)保養(yǎng),本文將無線傳感器應(yīng)用在礦車上進(jìn)行防撞預(yù)警與故障識別,在礦車上安裝信號傳感器,傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過基站傳送到控制中心,就可將礦車的準(zhǔn)確信息讀取出來,自動檢測機(jī)車是否有失速、超速等情況的發(fā)生,并采用PLC判斷出機(jī)車距離前方擋板的距離,然后將距離信息根據(jù)事先設(shè)定好的防撞預(yù)警策略進(jìn)行分析和判斷后,快速地將判斷結(jié)果傳遞給絞車司機(jī)。比如在前方擋板距離礦車過近,而絞車司機(jī)還沒有發(fā)現(xiàn)的時(shí)候,反復(fù)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警,直到司機(jī)對這種危險(xiǎn)情況處理為止,提前將危險(xiǎn)遏制,保證煤礦運(yùn)輸過程中的安全。

識別與預(yù)警系統(tǒng)主要包括:遠(yuǎn)距離雷達(dá)測速識別,識別距離大于1000米;加速度識別卡加速度及位置識別;張力傳感器鋼絲繩張力識別;編碼測速器、位置傳感器、光電傳感器速度識別,用于識別礦車實(shí)際運(yùn)行速度,作為解除擋車器攔截的判據(jù);預(yù)警通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸,在主站和從站進(jìn)行聲光報(bào)警及語音提示。

因此,跑車識別與預(yù)警需要完成以下內(nèi)容設(shè)計(jì):雷達(dá)測速器、測速編碼器、壓力傳感器、測速傳感器、加速度識別卡、傳輸接口、PLC控制器等。 識別與預(yù)警結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跑車識別與預(yù)警結(jié)構(gòu)圖

礦車在啟動后進(jìn)入勻速行進(jìn)時(shí),加速度識別卡產(chǎn)生加速度信號,通過一、二次積分產(chǎn)生速度及位置信號,通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)讀取到接口裝置讀卡器中;雷達(dá)測速器通過多普勒脈沖信號照射礦車,通過軟件濾波及算法得到礦車速度信號,通過485總線傳輸?shù)浇涌谘b置中;脈沖測速編碼器、壓力傳感器、位置傳感器和光電檢測傳感器通過有線信號傳輸?shù)絇LC控制器中。本文重點(diǎn)介紹通過雷達(dá)測速方式識別跑車現(xiàn)象的方法。

雷達(dá)預(yù)警測速器集成DSP、單片機(jī)、存儲器、濾波電路,硬件濾波采用低通濾波器,過濾雜散低頻外部噪聲信號以及電氣機(jī)械設(shè)備的低頻電源干擾信號,如圖2所示。

圖2 雷達(dá)測速器系統(tǒng)框圖

軟件采用數(shù)字濾波,過濾雷達(dá)主頻的倍頻信號,并通過多次采樣過濾畸變信號,保證數(shù)據(jù)采樣準(zhǔn)確性。雷達(dá)測速器與傳輸接口采用485差分總線進(jìn)行通信,有效過濾線路噪聲干擾,轉(zhuǎn)化為MODBUS總線后串入PLC。

3 雷達(dá)測速原理

3.1 雷達(dá)測速噪聲抑制

由于雷達(dá)在斜井巷道受雜波影響[13-16],因此系統(tǒng)的噪聲抑制對于識別礦車目標(biāo)相對重要,信號噪聲比在≥20dB的情況下才能有效識別目標(biāo)信號,因此項(xiàng)目需要考慮對噪聲抑制的濾波算法,并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真。

對于目標(biāo)的辨識可以根據(jù)多種參數(shù)進(jìn)行判斷,比如:與目標(biāo)之間的距離、雷達(dá)的方位角、高度參數(shù)、速度參數(shù)等等,其中與雷達(dá)信號的波形關(guān)聯(lián)性最大的有距離和徑向速度。其中距離主要取決于信號的帶寬,對于既定的雷達(dá)系統(tǒng)而言,距離分辨力可以表述為

(1)

式中,c表示光速,τ0表示經(jīng)脈沖壓縮后的有效脈寬。

脈沖壓縮雷達(dá)可用寬度τ的發(fā)射脈沖來獲得相當(dāng)于發(fā)射有效寬度為τ0的簡單脈沖系統(tǒng)的距離分辨力。發(fā)射脈沖寬度τ跟系統(tǒng)有效(經(jīng)壓縮的)脈沖寬度τ0的比值便成為脈沖壓縮比,可以得到

(2)

則

D=B*τ

(3)

式中,B為壓縮比系數(shù)。

輸入信號形式為

(4)

(5)

系統(tǒng)采用匹配濾波

h(t)=s*(t0-t)

(6)

輸出為

so(t)=h(t)?s(t)

(7)

3.2 雷達(dá)測速仿真測試

由于雷達(dá)發(fā)射信號為線性調(diào)頻LFM信號,脈沖寬度為Tp=10e-6,信號帶寬為B=4e6,脈沖重復(fù)周期為T=100e-6,因此脈沖占空比為0.1,采樣頻率為fs=5e6。

時(shí)寬帶寬積為D=Tp*B。發(fā)射信號波形如圖3、圖4所示。

圖3 線性調(diào)頻LFM信號時(shí)域波形和頻譜

圖4 chirp信號

發(fā)射信號為16個(gè)脈沖,在經(jīng)過延時(shí)和加入噪聲后得到回波信號如圖5所示。

圖5 完整回波信號

從圖4中可看出,回波信號在每個(gè)脈沖重復(fù)周期中有3個(gè)脈沖,表示目標(biāo)個(gè)數(shù)為3。回波信號在一個(gè)周期內(nèi)如圖6所示。

圖6 回波信號的一個(gè)周期

在仿真過程中,為了使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際,在這里給回波加入一定的高斯噪聲。噪聲信號和在一個(gè)周期內(nèi)加噪聲回波信號如圖7、圖8所示。

圖7 噪聲信號

圖8 一個(gè)周期回波信號加噪聲

在接收到回波后,用Hamming窗進(jìn)行濾波,然后再進(jìn)行匹配濾波。這樣可濾除部分雜波信號,波形如圖9、圖10所示。

圖9 脈壓后輸出波形

圖10 脈壓后輸出波形

從圖中可看到3個(gè)目標(biāo)回波的信噪比S/N≥20dB。通過仿真,雷達(dá)測速器選用的濾波算法能夠滿足測速要求。

4 結(jié)論

本文將雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于斜井跑車識別中,傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過基站傳送到控制中心,將礦車的準(zhǔn)確信息讀取出來,自動檢測機(jī)車是否有失速、超速等情況的發(fā)生,并采用PLC判斷出機(jī)車距離前方擋板的距離,然后將距離信息根據(jù)事先設(shè)定好的防撞預(yù)警策略進(jìn)行分析和判斷后,快速地將判斷結(jié)果傳遞給絞車司機(jī),進(jìn)而識別出跑車現(xiàn)象,第一時(shí)間輔助跑車防護(hù)裝置給予攔截,通過對雷達(dá)測速的仿真,驗(yàn)證了該跑車識別方法的可行性,使設(shè)計(jì)時(shí)間和可靠性有了明顯的提高,對提高斜井軌道運(yùn)輸安全防護(hù)水平具有重要意義。

黑龍江某煤礦工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用表明,由跑車識別單元、柔性緩沖器以及礦用隔爆兼本質(zhì)安全性可編程控制箱等設(shè)備組成的煤礦斜井跑車防護(hù)系統(tǒng)在跑車觸發(fā)狀態(tài)識別速度、誤動作率等方面的性能指標(biāo)均能滿足多節(jié)運(yùn)輸?shù)V車防護(hù)要求,起到安全防護(hù)作用。