煤礦井下掘進(jìn)機人員安全防護(hù)系統(tǒng)

周開平

1中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 山西太原 030006

井 下掘進(jìn)工作面環(huán)境復(fù)雜多變，作業(yè)空間有限，配套設(shè)備多，大量工序交叉施工，掘進(jìn)設(shè)備外形尺寸較大，司機視覺盲區(qū)較大，增加了人員設(shè)備之間的擠壓剮蹭的可能，因此，掘進(jìn)機的安全運行是煤炭生產(chǎn)效率和人員安全的重要保障。目前，掘進(jìn)設(shè)備上所采用的防碰撞裝置較多，但都存在著一些局限性，如毫米波雷達(dá)測距精度高、范圍廣，但其在井下抗電磁波干擾能力差；超聲波測距穿透性強、衰減小，但所用的傳感器是鋁制外殼，不利于防爆設(shè)計；紅外測距反饋速度快、隱蔽性強，但方向性差；激光測距傳感器精確度高、響應(yīng)速度快，但井下粉塵、濕度較大，影響測量結(jié)果；基于接收信號強度指示測距技術(shù)受井下電磁環(huán)境和障礙遮擋等影響，信號衰減嚴(yán)重，測距誤差較大；機器視覺測距識別和目標(biāo)檢測能力近年來大幅提高，但受粉塵、水霧等影響，普通光學(xué)視覺系統(tǒng)在井下使用有很大的局限性。可見，使用單一的測距技術(shù)無法有效解決井下設(shè)備人員防碰撞問題[1-2]。

針對當(dāng)前煤礦井下掘進(jìn)設(shè)備人員安全防護(hù)技術(shù)使用中的問題，提出了一種基于 UWB 技術(shù)測距和紅外熱成像技術(shù)相融合的人員安全防護(hù)系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)充分利用了 UWB 技術(shù)抗干擾能力和穿透性強、時間分辨率高、功率消耗低、測距精度高及安全性強等特點，結(jié)合熱成像視頻識別技術(shù)，提升井下人員防護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

1 人員安全防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1 基于 UWB 技術(shù)高精度測距

掘進(jìn)設(shè)備人員安全防護(hù)系統(tǒng)采用 SDS-TWR 算法，即對稱雙邊雙向測距算法，該算法不依賴讀卡器與識別卡時間同步就可實現(xiàn)設(shè)備與人員之間的精準(zhǔn)測距，能最大程度降低時鐘偏移帶來的測距誤差影響[3-4]。

人員標(biāo)識卡向記載讀卡器發(fā)送第 1 幀數(shù)據(jù)信息，同時記錄發(fā)送時間；讀卡器接收數(shù)據(jù)信息，同時記錄接收時間；之后，讀卡器向標(biāo)識卡返回響應(yīng)信號，同時記錄發(fā)送時間；標(biāo)識卡接收響應(yīng)信息，同時記錄接收時間；標(biāo)識卡處理響應(yīng)信息后，發(fā)送第 2 幀數(shù)據(jù)信息至讀卡器，同時記錄發(fā)送時間；讀卡器再次接收第2 幀響應(yīng)信息，同時記錄接收時間，即成了 1 個測距循環(huán)。SDS-TWR 測距原理如圖1 所示。

圖1 SDS-TWR 測距原理Fig.1 SDS-TWR ranging principle

人員標(biāo)識卡與記載讀卡器 1 次循環(huán)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r間

式中：t1為標(biāo)識卡發(fā)出第 1 幀數(shù)據(jù)信息到再次接收到響應(yīng)信息時間；ta為讀卡器數(shù)據(jù)包延遲處理時間；t2為讀卡器發(fā)出響應(yīng)信息到再次接收到第 2 幀數(shù)據(jù)信息時間；tb為標(biāo)識卡數(shù)據(jù)包延遲處理時間。

標(biāo)識卡與讀卡器之間的距離

式中：C為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

1.2 基于紅外熱成像視覺技術(shù)

基于紅外熱成像視覺技術(shù)運用斯特藩-玻爾茲曼定律。在特定溫度下，物體材料、表面特性存在細(xì)微差別，當(dāng)被識別物體溫度高于絕對零度時，物體內(nèi)部產(chǎn)生熱運動并向周圍以紅外線輻射一定波段的電磁波，紅外線輻射通過光學(xué)系統(tǒng)成像調(diào)制，由紅外探測器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，電信號經(jīng)過電子處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X分辨的熱成像圖[5-6]。紅外熱成像原理如圖2所示。

圖2 紅外熱成像原理Fig.2 Principle of infrared thermal imaging

2 人員安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 安全防護(hù)系統(tǒng)組成與功能

2.1.1 系統(tǒng)組成

掘進(jìn)設(shè)備人員安全防護(hù)系統(tǒng)主要包括控制器、顯示器、聲光報警器、攝像儀、讀卡器和標(biāo)識卡等，如圖3 所示。

圖3 安全防護(hù)系統(tǒng)Fig.3 Safety protection system

控制器為礦用隔爆兼本安型，主要包括工控機、視頻輸入隔離模塊、視頻輸出隔離模塊、RS485 隔離模塊和信號采集模塊。

顯示器為礦用本安型，安裝于掘進(jìn)機操作臺上，用于顯示紅外熱成像儀所采集的視頻畫面，同時，司機可根據(jù)畫面中所標(biāo)定的距離標(biāo)線判斷人員與設(shè)備之間的距離。

聲光報警器為礦用本安型，體積小、質(zhì)量輕，安裝于掘進(jìn)機機身上方，通過不同燈光與不同語音的組合來表示不同危險等級。

讀卡器為礦用澆封兼本安型，由通信接口、數(shù)字編碼單元、輸出控制單元、電源管理單元、聲光報警單元、無線信號測距基站單元及無線信號收發(fā)單元組成，用于判斷與標(biāo)識卡之間的距離，當(dāng)距離小于設(shè)定閾值時，發(fā)出報警信號。工作時，讀卡器實時測量外部標(biāo)識卡與讀卡器之間的距離，若距離小于所設(shè)定的報警距離時，無線測距基站模塊會驅(qū)動聲光報警器發(fā)出報警信號。

標(biāo)識卡為礦用本安型，與讀卡器進(jìn)行通信，確定讀卡器與識別卡之間的距離，由井下人員配帶，具有低電量電池提醒、振動報警等功能。

2.1.2 主要功能

(1) 人員闖入報警 當(dāng)人員靠近掘進(jìn)機報警區(qū)域時，設(shè)備發(fā)出報警信號，提醒司機采取相應(yīng)避害措施；當(dāng)人員繼續(xù)向設(shè)備靠近到停機區(qū)域時，掘進(jìn)機停機避險。

(2) 設(shè)備之間接近報警 當(dāng)兩臺設(shè)備相互靠近到一定距離時，發(fā)出相應(yīng)的報警信號或者主動停機避害，避免設(shè)備之間的碰撞。

(3) 雙向報警功能 當(dāng)人員進(jìn)入設(shè)備危險區(qū)域時，聲光報警器發(fā)出報警信號，同時人員身上佩帶的標(biāo)識卡也會發(fā)出聲音加振動的報警信號，提醒礦工主動避害。

(4) 啟動預(yù)警檢測 掘進(jìn)機通電時，檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備周圍環(huán)境安全評估，當(dāng)檢測到停機區(qū)域有人員存在時，設(shè)備將無法啟動，避免設(shè)備啟動出現(xiàn)傷人事故。

(5) 特殊人員管理功能 本機操作人員作為特殊人員，在掘進(jìn)機上操作時，本機不會報警，但本機操作人員靠近其他設(shè)備時，其他設(shè)備會進(jìn)行報警提醒。

(6) 紅外熱成像視頻顯示 在井下黑暗、高粉塵、炫光環(huán)境下，紅外熱成像儀能夠清晰成像，輔助司機看清周圍環(huán)境。

(7) 視頻數(shù)據(jù)存儲 紅外熱成像儀所采集的視頻數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r循環(huán)存儲，保證最新視頻數(shù)據(jù)能夠可靠存儲。

2.2 UWB 測距系統(tǒng)設(shè)計

讀卡器安裝于掘進(jìn)機上方中間位置，并以此為中心，設(shè)置報警區(qū)和停機區(qū)，不同報警范圍會有相應(yīng)的聲光報警信號與控制信號輸出，通過控制器控制設(shè)備停機等操作，如圖4 所示。

圖4 UWB 測距安全系統(tǒng)Fig.4 UWB ranging safety system

當(dāng)人員進(jìn)入報警區(qū)時，聲光報警器黃燈閃爍，發(fā)出“人員靠近請注意”的報警聲，掘進(jìn)機執(zhí)行相應(yīng)的避險動作；當(dāng)人員進(jìn)入設(shè)備停機區(qū)時，聲光報警器紅燈閃爍，發(fā)出“人員危險請停機”的報警聲，掘進(jìn)機停機避險。人員進(jìn)入報警區(qū)或停機區(qū)后，標(biāo)識卡振動報警，掘進(jìn)機司機在本機的報警區(qū)和停機區(qū)內(nèi)屬于免報警。

2.3 紅外熱成像系統(tǒng)設(shè)計

掘進(jìn)機前、后方安裝紅外攝像儀，通過紅外熱成像儀采集運動物體圖像信息，由圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，以提高圖像對比度，增強圖像細(xì)節(jié)，去除圖像噪聲等，然后通過掘進(jìn)機上位機軟件進(jìn)行預(yù)警邊界線劃定，設(shè)置報警線和停機線。當(dāng)人員進(jìn)入報警線以內(nèi)時，掘進(jìn)機發(fā)出相應(yīng)的報警信號，人員標(biāo)識框顯示為黃色；當(dāng)人員進(jìn)入停機線以內(nèi)時，人員標(biāo)識框顯示為紅色，掘進(jìn)機發(fā)出相應(yīng)的報警信號停機[7-8]。紅外熱成像視頻監(jiān)控畫面如圖5 所示。

圖5 紅外熱成像視頻畫面Fig.5 Video image of infrared thermal imaging

3 現(xiàn)場系統(tǒng)試驗

為驗證掘進(jìn)機人員安全防護(hù)系統(tǒng)的可靠性，在EBZ220 型掘進(jìn)機上安裝人員安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行試驗，如圖6 所示。

圖6 人員安全防護(hù)系統(tǒng)安裝示意Fig.6 Installation of personnel safety protection system

設(shè)置讀卡器的報警區(qū)半徑為 12 m，停機區(qū)半徑為 8 m。為驗證讀卡器與標(biāo)識卡之間的測距誤差，測試人員進(jìn)行了多次測量，設(shè)置了 5、10、15、20、25、30 m 共 6 處測試點，每個測試點進(jìn)行 5 次距離誤差測試，測試結(jié)果如表1 所列。根據(jù)表1 的測試數(shù)據(jù)可知，讀卡器與標(biāo)識卡之間的最大測距誤差為 0.15 m，滿足人員安全防護(hù)要求。

表1 誤差測試結(jié)果Tab.1 Statistics of distance error test m

紅外熱成像系統(tǒng)測試如圖7 所示，沒有佩帶標(biāo)識卡的人員在報警線和停機線邊緣進(jìn)行測試。經(jīng)過 10余次測試，安全防護(hù)系統(tǒng)沒有出現(xiàn)誤報，報警準(zhǔn)確率較高。

圖7 熱成像系統(tǒng)測試Fig.7 Thermal imaging system test

5 結(jié)語

人員安全預(yù)警技術(shù)是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)“機械化換人，自動化減人”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段，為實現(xiàn)煤礦掘進(jìn)工作面智能化、無人化快速掘進(jìn)提供可靠的安全技術(shù)保障。

結(jié)合煤礦井下掘進(jìn)工作面配套設(shè)備多、粉塵量大、可見度低等特殊環(huán)境工況，設(shè)計了一種基于UWB 高精度測距技術(shù)+紅外熱成像技術(shù)相融合的掘進(jìn)設(shè)備人員安全防護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對井下人員的安全防護(hù)預(yù)警，提高了設(shè)備的運行效率及人員的安全性。