岳巧珍，牛 磊，秦文光，劉 清

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限公司，陜西 西安 710000；2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；3.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X煤礦，山西 運(yùn)城 043000)

煤礦智能化是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷綜合機(jī)械化、自動(dòng)化，進(jìn)入了智能化初級(jí)階段[1]，智能化采煤工作面多采用“無(wú)人操作、有人巡視”的遠(yuǎn)程干預(yù)型[2]智能化少人開采模式，采煤工作面僅有少量巡視人員，采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)根據(jù)程序自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作，在這一過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)巡視人員造成意外傷害，研究一種結(jié)合人員精準(zhǔn)定位與智能化采煤工作面設(shè)備操控關(guān)聯(lián)閉鎖的控制方式，制定合理的閉鎖控制策略，成為煤炭行業(yè)智能化發(fā)展的必然要求。我國(guó)煤炭行業(yè)研發(fā)了多種型號(hào)的礦井人員跟蹤定位設(shè)備系統(tǒng)[3]和數(shù)字礦山智能協(xié)同綜合管控系統(tǒng)[4]，對(duì)入井人員實(shí)行定位跟蹤與考勤，隨時(shí)掌握入井人員的具體位置及活動(dòng)軌跡[5]。該類系統(tǒng)一般以標(biāo)識(shí)卡為基本數(shù)據(jù)采集單元，根據(jù)通信技術(shù)類型，可分為采用RFID技術(shù)[6]、采用WSN通信技術(shù)[7]、采用WIFI技術(shù)[8]、采用UWB技術(shù)[9]等。人員定位系統(tǒng)按照功能劃分可以分為以下三種類型：第一種是純?nèi)藛T定位系統(tǒng)[10]，系統(tǒng)未接入設(shè)備安全保護(hù)，無(wú)相關(guān)作業(yè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)保護(hù)機(jī)制及策略，只監(jiān)測(cè)人員位置；第二種是“設(shè)備自動(dòng)定位+保護(hù)機(jī)制”[11]，例如天瑪公司液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機(jī)距離保護(hù)功能，此保護(hù)策略是機(jī)械的、固定的、參數(shù)化的，無(wú)法解決巡檢人員移動(dòng)保護(hù)問(wèn)題；第三種是近感探測(cè)式系統(tǒng)[12]，檢測(cè)人員信號(hào)到達(dá)即閉鎖、人員信號(hào)離開即解鎖，此系統(tǒng)缺點(diǎn)是缺少移動(dòng)策略保護(hù)，受遮擋等環(huán)境影響較大且人員定位精度不高。雖然可以及時(shí)檢測(cè)到工作面人員信號(hào)，但是人員定位系統(tǒng)與電液控制系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)人員保護(hù)功能?，F(xiàn)有研究基本解決了礦井人員精準(zhǔn)定位問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全礦井的人員定位系統(tǒng)全覆蓋，但是作為礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，與礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的融合不足[13]。

采煤工作面是礦井生產(chǎn)的核心場(chǎng)所，在其生產(chǎn)期間，采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)頻繁動(dòng)作，稍有不慎，可能會(huì)對(duì)采煤工作面內(nèi)的人員造成意外傷害。為了給智能化采煤工作面巡檢人員提供安全保障，建立智能化采煤工作面液壓支架控制系統(tǒng)與巡檢人員之間的聯(lián)動(dòng)閉鎖控制，依托人員定位系統(tǒng)，當(dāng)巡檢人員攜帶定位標(biāo)簽卡進(jìn)入采煤工作面時(shí)，通過(guò)人員定位系統(tǒng)可以精確定位到巡檢人員所在位置[14]，進(jìn)而推算出所在位置的液壓支架編號(hào)，人員定位系統(tǒng)將該定位數(shù)據(jù)及時(shí)通知液壓支架電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支架快速閉鎖，避免傷人事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)動(dòng)控制。針對(duì)采煤工作面人員精準(zhǔn)定位與液壓支架電液控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，本文研究了一套智能化采煤工作面安全閉鎖及解鎖策略方法，利用高精度人員定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員識(shí)別，利用人員定位系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)主機(jī)、支架控制器實(shí)現(xiàn)協(xié)同配合及邏輯判斷，結(jié)合巡檢人員實(shí)際移動(dòng)速率進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)了人員定位系統(tǒng)、智能化采煤工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)、巡檢人員的安全協(xié)同。通過(guò)在王家?guī)X煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了控制策略的可靠性。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人員定位系統(tǒng)

采用的人員安全感知定位控制系統(tǒng)由工作面UWB超寬帶基站、人員定位服務(wù)器、液壓支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)以及支架控制器組成。UWB基站安裝在工作面支架中，信號(hào)覆蓋整個(gè)工作面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到工作面任意位置人員的定位信號(hào)，當(dāng)人員攜帶標(biāo)簽卡在工作面時(shí)，UWB雷達(dá)以不大于30cm的定位精度及不小于5m/s的人員位移識(shí)別速度對(duì)人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位[15]，基站將采集到的定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至人員定位系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器再以固定周期將人員定位相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給支架控制系統(tǒng)主機(jī)，數(shù)據(jù)流如圖1所示。圖中，實(shí)線箭頭表示上傳數(shù)據(jù)，支架控制系統(tǒng)主機(jī)接收到人員定位數(shù)據(jù)后開始進(jìn)行邏輯判斷，判斷完畢后將閉鎖或解鎖指令發(fā)送給工作面支架控制系統(tǒng)；虛線箭頭代表下發(fā)數(shù)據(jù)流。

圖1 人員定位系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 智能化采煤工作面控制區(qū)域劃分

智能化采煤工作面生產(chǎn)過(guò)程中，巡檢人員活動(dòng)頻度較高區(qū)域[16]分為以下4部分區(qū)域：區(qū)域1，采煤機(jī)前滾筒附近，1#采煤機(jī)司機(jī)監(jiān)測(cè)頂滾筒高度調(diào)節(jié)及煤機(jī)速度控制；區(qū)域2，采煤機(jī)后滾筒附近，2#采煤機(jī)司機(jī)監(jiān)測(cè)割底滾筒臥底量及干預(yù)調(diào)節(jié)；區(qū)域3，跟機(jī)收護(hù)幫支架動(dòng)作區(qū)域后方，1#支架巡檢工負(fù)責(zé)操作支架收伸縮梁及收護(hù)幫；區(qū)域4，跟機(jī)推溜支架動(dòng)作區(qū)域前方，2#支架巡檢工負(fù)責(zé)操作支架移架、伸護(hù)幫及推溜，每個(gè)巡檢人員都有相對(duì)應(yīng)的活動(dòng)區(qū)域。

根據(jù)上述分析，可將智能化采煤工作面電液控制系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作區(qū)域劃分如下：區(qū)域A，支架推溜動(dòng)作區(qū)域；區(qū)域B，支架移架動(dòng)作區(qū)域；區(qū)域C，支架收護(hù)幫動(dòng)作區(qū)域。巡檢人員位置分布及對(duì)應(yīng)支架跟機(jī)動(dòng)作區(qū)域如圖2所示。

圖2 液壓支架跟機(jī)動(dòng)作及人員位置分布

由于人員移動(dòng)方向和采煤機(jī)為同一個(gè)運(yùn)行方向，隨著采煤機(jī)不斷向前移動(dòng)，采煤機(jī)附近的支架也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的跟機(jī)動(dòng)作，有可能帶來(lái)人員所在的閉鎖支架與后方進(jìn)行跟機(jī)動(dòng)作的支架沖突的問(wèn)題，主要有以下2種情況會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作沖突：①第1種情況，2#支架巡檢工所在的區(qū)域4與后方跟機(jī)推溜支架區(qū)域A重疊時(shí)，2#支架巡檢工所在的支架閉鎖與跟機(jī)推溜支架動(dòng)作產(chǎn)生沖突；②第2種情況，2#煤機(jī)司機(jī)所在的區(qū)域2與后方跟機(jī)移架支架區(qū)域B重疊時(shí)，2#煤機(jī)司機(jī)所在的支架閉鎖與跟機(jī)移架支架動(dòng)作產(chǎn)生沖突。由此推斷，2#支架巡檢工所在區(qū)域4的支架號(hào)越大，則離后方進(jìn)行跟機(jī)推溜動(dòng)作的區(qū)域A的支架越近，人員所在閉鎖支架應(yīng)當(dāng)盡快解鎖，支架的理論延遲解鎖時(shí)間越短，反之，2#巡檢工所在區(qū)域4的支架號(hào)越小，則離后方進(jìn)行跟機(jī)推溜動(dòng)作的區(qū)域A的支架越遠(yuǎn)，人員所在閉鎖支架可以適當(dāng)延遲解鎖，支架的理論延遲解鎖時(shí)間越長(zhǎng)。同理，2#采煤機(jī)司機(jī)所在區(qū)域2的支架號(hào)越大，則離后方進(jìn)行跟機(jī)移架動(dòng)作的區(qū)域B的支架越近，人員所在閉鎖支架應(yīng)當(dāng)盡快解鎖，支架的理論延遲解鎖時(shí)間越短，反之，2#采煤機(jī)司機(jī)所在區(qū)域2的支架號(hào)越小，則離后方進(jìn)行跟機(jī)移架動(dòng)作的區(qū)域B的支架越遠(yuǎn)，人員所在閉鎖支架可以延遲解鎖，支架的理論延遲解鎖時(shí)間越長(zhǎng)。

1.3 系統(tǒng)對(duì)接設(shè)計(jì)

1)數(shù)據(jù)傳輸。人員定位系統(tǒng)與智能化采煤工作面集中控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用UDP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：姓名、距離及所在支架號(hào)，人員定位服務(wù)器采用主動(dòng)上報(bào)、固定周期方式實(shí)時(shí)向支架控制系統(tǒng)發(fā)送人員定位數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。智能化采煤工作面集中控制系統(tǒng)接收到人員定位數(shù)據(jù)以后，提取人員姓名及人員所在支架號(hào)字段數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)字段作為人員定位系統(tǒng)界面顯示及支架閉鎖指令下發(fā)依據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表，包括卡號(hào)(人員所在支架號(hào))及名稱(人員姓名)。

3)數(shù)據(jù)顯示及下發(fā)。液壓支架控制系統(tǒng)人員定位模塊通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的字段數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示被定位人員姓名及所在支架號(hào)，系統(tǒng)界面采用二維形式展示智能化工作面巡視人員工作狀態(tài)。同時(shí)傳給支架控制器對(duì)應(yīng)的支架上的數(shù)據(jù)“人員定位”變量，電液控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)支架對(duì)象的人員定位變量，如果變量值發(fā)生變化，則發(fā)送閉鎖支架指令。液壓支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)人員定位邏輯如圖3所示。

圖3 液壓支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)人員定位邏輯

2 安全策略

2.1 系統(tǒng)閉鎖策略

當(dāng)液壓支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)人員定位服務(wù)器定位到巡檢人員所在支架號(hào)后，通過(guò)執(zhí)行邏輯判斷，將控制指令發(fā)送到對(duì)應(yīng)的支架控制器上，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

電液控主機(jī)接收到具體的支架號(hào)數(shù)據(jù)后，將對(duì)應(yīng)的主機(jī)中的支架模型變量置1，電液控驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架模型變量，電液控主機(jī)監(jiān)測(cè)到模型變量變化事件后(0→1)，生成閉鎖指令及人員定位架號(hào)信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線廣播至工作面電液控制系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)架號(hào)的支架控制器接收到閉鎖指令后立即將人員所在支架進(jìn)行閉鎖，如圖4所示。

圖4 支架電液控制系統(tǒng)主機(jī)閉鎖控制邏輯

2.2 系統(tǒng)解鎖策略

當(dāng)巡檢人員在支架中時(shí)，巡檢人員所在的支架保持閉鎖狀態(tài)，當(dāng)巡檢人員離開當(dāng)前所在的支架時(shí)，需要支架控制器執(zhí)行解鎖指令，解除支架的閉鎖狀態(tài)。系統(tǒng)采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種解鎖模式，主動(dòng)方式是通過(guò)系統(tǒng)給支架控制器發(fā)送解鎖指令，完成控制器解鎖；被動(dòng)方式是控制器在一定時(shí)間內(nèi)未收到閉鎖信號(hào)后則自行解鎖。

1)被動(dòng)解鎖方式具體實(shí)現(xiàn)方式如下：當(dāng)人員離開當(dāng)前支架后，人員定位服務(wù)器不再向主機(jī)發(fā)出任何信號(hào)，主機(jī)判斷在5s內(nèi)沒(méi)有接收到人員定位服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)后，則認(rèn)為人員已離開當(dāng)前支架，此時(shí)主機(jī)主動(dòng)給控制器發(fā)送解鎖指令，控制器完成解鎖，此種解鎖模式下為被動(dòng)解鎖模式，如圖5所示。

圖5 控制器被動(dòng)解鎖控制邏輯

2)主動(dòng)解鎖方式具體實(shí)現(xiàn)方式如下：主機(jī)每隔1s接收到人員定位服務(wù)器發(fā)來(lái)的人員定位信號(hào)后，支架控制系統(tǒng)主機(jī)接收到信號(hào)后將閉鎖信號(hào)指令置為1，并只給控制器發(fā)送1次閉鎖指令，控制器完成閉鎖；主機(jī)每3s進(jìn)行一次閉鎖指令信號(hào)復(fù)位，由于指令發(fā)送周期(1s)小于信號(hào)復(fù)位周期(3s)，在信號(hào)復(fù)位后主機(jī)會(huì)重新接收到人員定位信號(hào)，并將閉鎖指令發(fā)送給支架控制器，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和支架控制器之間的心跳通訊(心跳周期和復(fù)位時(shí)間周期相同)，當(dāng)人員離開當(dāng)前支架后，人員定位服務(wù)器不再向主機(jī)發(fā)出任何信號(hào)，主機(jī)在信號(hào)復(fù)位后則不會(huì)再發(fā)送閉鎖指令，若控制器在5s內(nèi)沒(méi)有收到主機(jī)發(fā)來(lái)的心跳信號(hào)，認(rèn)為人員已離開當(dāng)前支架，則支架控制器將自行解鎖，此種解鎖模式下控制器為主動(dòng)解鎖模式。

主動(dòng)解鎖方式的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需依賴主機(jī)發(fā)送的解鎖指令即可完成自行解鎖，避免了可能由于主機(jī)或鏈路通訊故障導(dǎo)致支架控制器無(wú)法及時(shí)解鎖的可能性?？刂破髦鲃?dòng)解鎖控制邏輯如圖6所示。

圖6 控制器主動(dòng)解鎖控制邏輯

2.3 人員動(dòng)態(tài)與系統(tǒng)匹配策略

為了解決液壓支架在閉鎖狀態(tài)時(shí)無(wú)法完成跟機(jī)動(dòng)作的問(wèn)題，需要支架控制器在液壓支架執(zhí)行跟機(jī)動(dòng)作之前及時(shí)完成解鎖，所以系統(tǒng)需要計(jì)算出支架控制器的最大解鎖延遲時(shí)間，液壓支架解鎖的最大延遲時(shí)間與采煤機(jī)運(yùn)行速度、人員—推溜距離、人員—移架距離有關(guān)系。具體計(jì)算理論方法如下：

假設(shè)采煤機(jī)的恒定運(yùn)行速度為V1，人員距離移架動(dòng)作支架的跟機(jī)移架距離L1，人員距離推溜動(dòng)作支架的跟機(jī)推溜距離L2。在2#支架巡檢工移動(dòng)范圍內(nèi)，支架控制器最佳解鎖時(shí)間一：T1=L2/V1；在2#煤機(jī)司機(jī)移動(dòng)范圍內(nèi)，控制器最佳解鎖時(shí)間二為：T2=L1/V1；通過(guò)公式可以計(jì)算得出支架控制器主動(dòng)解鎖的最佳延遲時(shí)間。

在工作面跟機(jī)生產(chǎn)時(shí)，巡檢人員移動(dòng)方向和采煤機(jī)移動(dòng)方向?yàn)橥粋€(gè)方向，如圖2所示，2#支架巡檢工的移動(dòng)范圍限定為進(jìn)行跟機(jī)推溜動(dòng)作的支架與進(jìn)行跟機(jī)移架動(dòng)作的支架之間，為了保持巡檢人員一直在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，當(dāng)采煤機(jī)不斷往前運(yùn)行時(shí)，需要巡檢人員也保持一定的移動(dòng)速度，如果巡檢人員移動(dòng)速度過(guò)慢，人員定位系統(tǒng)檢測(cè)到人員信號(hào)離開支架需要的時(shí)間也越長(zhǎng)，則支架解鎖延遲時(shí)間越長(zhǎng)，巡檢人員所在閉鎖支架會(huì)與后方進(jìn)行跟機(jī)推溜動(dòng)作的支架沖突。與此同理，1#采煤機(jī)司機(jī)、2#采煤機(jī)司機(jī)、1#支架巡檢工也有對(duì)應(yīng)的移動(dòng)范圍及解鎖延遲時(shí)間。假定巡檢人員的恒定移動(dòng)速度為V3，人員通過(guò)單個(gè)支架的距離為L(zhǎng)3，巡檢人員移動(dòng)速度與支架解鎖延遲時(shí)間三的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：T3=L3/V3。

只有T3≤T1/T2，才能保證在巡檢人員通過(guò)單個(gè)支架閉鎖時(shí)間內(nèi)，支架執(zhí)行跟機(jī)移架或跟機(jī)推溜動(dòng)作之前及時(shí)完成解鎖。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

智能化采煤工作面人員安全感知定位控制系統(tǒng)及其控制策略在王家?guī)X礦12309工作面進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，測(cè)試當(dāng)巡檢人員攜帶標(biāo)簽定位卡(定位卡姓名：××，定位卡號(hào)：××)向16#支架行走靠近。UWB基站檢測(cè)到人員標(biāo)簽卡信號(hào)，并定位到當(dāng)前人員所在支架位置架號(hào)及距離，智能化采煤工作面集中控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收人員定位系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)人員定位驅(qū)動(dòng)解析UDP數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，獲取到人員所在支架號(hào)及人員姓名。智能化采煤工作面集中控制系統(tǒng)將獲取到的人員姓名及支架號(hào)數(shù)據(jù)在支架控制系統(tǒng)主機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示。隨后主機(jī)將閉鎖控制指令下發(fā)到16#支架控制器，控制器界面顯示“主控”字樣，當(dāng)人員待在16#支架信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，主機(jī)持續(xù)發(fā)送閉鎖指令，支架控制器保持閉鎖狀態(tài)，確保人員安全。當(dāng)巡檢人員繼續(xù)往前行走離開16#支架時(shí)，主機(jī)不再給16#支架控制器發(fā)送閉鎖指令，支架控制器在5s后自行解鎖，與此同時(shí)控制器界面顯示“空閑”字樣。

當(dāng)巡檢人員在工作面以一定速度與采煤機(jī)同向行走時(shí)，模擬工作面生產(chǎn)班時(shí)采煤機(jī)運(yùn)行速度(采煤機(jī)最低運(yùn)行速度為6m/min，最高為10m/min)，王家?guī)X12309工作面每個(gè)支架的中心距為1.75m，跟機(jī)移架距離為6架，跟機(jī)推溜距離為16架，跟機(jī)收護(hù)幫距離為8架，以10個(gè)支架一組測(cè)試為例，通過(guò)理論公式T3=L3/V3，計(jì)算得出支架最佳解鎖時(shí)間T3。

當(dāng)巡檢人員以不同的移動(dòng)速度(6m/min、7m/min、8m/min、9m/min、10m/min)行走，分別對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)解鎖方案進(jìn)行測(cè)試，記錄通過(guò)10個(gè)支架時(shí)每個(gè)支架的實(shí)際解鎖時(shí)間，對(duì)比主動(dòng)和被動(dòng)兩種支架解鎖方案的使用效果，支架控制器解鎖狀態(tài)以控制器顯示空閑字樣為依據(jù)，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 人員移動(dòng)速度與支架解鎖時(shí)間關(guān)系

通過(guò)實(shí)測(cè)得到，支架的實(shí)際解鎖時(shí)間比理論解鎖時(shí)間要長(zhǎng)5～7s左右，分析和UWB檢測(cè)信號(hào)覆蓋范圍有關(guān)，當(dāng)人員離開支架外側(cè)約0.2m位置后，本架人員檢測(cè)信號(hào)才會(huì)消失，所以系統(tǒng)檢測(cè)人員通過(guò)單個(gè)支架的距離長(zhǎng)度大于實(shí)際支架寬度。當(dāng)人員信號(hào)離開支架以后，人員定位系統(tǒng)不再發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包給主機(jī)，此時(shí)支架控制器在延時(shí)一段時(shí)間后自行解除支架閉鎖，由于支架控制器延時(shí)解鎖時(shí)間的設(shè)定，也會(huì)造成支架實(shí)際解鎖時(shí)間比理論解鎖時(shí)間更長(zhǎng)。

由此得出，控制器的主動(dòng)延遲解鎖時(shí)間越短，則閉鎖支架的解鎖頻率越快，但主動(dòng)延時(shí)解鎖時(shí)間周期不能小于主機(jī)發(fā)送閉鎖時(shí)間周期(目前設(shè)定主機(jī)每3s發(fā)送一次閉鎖指令，解鎖延遲時(shí)間為5s)，主機(jī)發(fā)送閉鎖時(shí)間周期不能小于人員定位服務(wù)器發(fā)送報(bào)文周期(人員定位服務(wù)器發(fā)送周期為1s)。因此主機(jī)發(fā)送閉鎖時(shí)間最佳設(shè)定周期為2s，控制器主動(dòng)延時(shí)解鎖最佳周期為3s，實(shí)際測(cè)試單個(gè)控制器的解鎖延時(shí)時(shí)間比理論時(shí)間約長(zhǎng)4～5s左右。另外，支架同時(shí)閉鎖數(shù)量和人員行走速度相關(guān)較大，由于支架延時(shí)解鎖的特性，當(dāng)人員的移動(dòng)速度越快，則同時(shí)閉鎖支架數(shù)量越多。

表2 人員移架區(qū)域范圍與支架解鎖時(shí)間關(guān)系

在生產(chǎn)班對(duì)巡檢人員在不同支架動(dòng)作區(qū)域時(shí)的支架最佳解鎖延遲時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，假設(shè)跟機(jī)移架或跟機(jī)推溜距離為1～5架，當(dāng)巡檢人員在不同的活動(dòng)區(qū)域以不同的移動(dòng)速度行走時(shí)，通過(guò)理論公式T1=L2/V1，T2=L1/V1，計(jì)算得出支架最佳解鎖時(shí)間T1及T2，結(jié)合人員通過(guò)當(dāng)前支架的時(shí)間T3=L3/V3，測(cè)試結(jié)果如下：

由此得出，在假設(shè)巡檢人員移動(dòng)速度與采煤機(jī)移動(dòng)速度相同的情況下，移架距離或推溜距離越長(zhǎng)，T1和T2與T3的差值越大，在跟機(jī)距離或移架距離為1架時(shí)，T1=T3或T2=T3，此時(shí)為了保證等式T3≤T1或T3≤T2成立，應(yīng)當(dāng)至少確保V3≥V1，在跟機(jī)距離或移架距離為2架時(shí)，應(yīng)當(dāng)至少確保V3≥V1/2，在跟機(jī)距離或移架距離為3架時(shí)，應(yīng)當(dāng)至少確保V3≥V1/3，以此類推，保證在巡檢人員通過(guò)單個(gè)支架閉鎖時(shí)間內(nèi)，支架執(zhí)行跟機(jī)移架或跟機(jī)推溜動(dòng)作之前及時(shí)完成解鎖，避免人員所在區(qū)域與支架跟機(jī)動(dòng)作區(qū)域重疊。

4 結(jié) 論

1)提出一套智能化采煤工作面安全閉鎖及解鎖策略方法，利用高精度人員定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員識(shí)別，人員定位系統(tǒng)、智能化采煤工作面電液控制系統(tǒng)主機(jī)、支架控制器實(shí)現(xiàn)協(xié)同配合及邏輯判斷，結(jié)合巡檢人員實(shí)際移動(dòng)速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)了人員定位系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、巡檢人員的安全協(xié)同。

2)根據(jù)巡檢人員活動(dòng)情況，將智能化采煤工作面電液控制系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作區(qū)域進(jìn)行了劃分，分析了2種會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作沖突的情況及其解決策略。

3)給出了系統(tǒng)閉鎖策略、主動(dòng)解鎖策略、被動(dòng)解鎖策略及其實(shí)現(xiàn)方式，給出了人員動(dòng)態(tài)與系統(tǒng)匹配策略。

4)通過(guò)在王家?guī)X礦12309工作面進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，液壓支架電液控制系統(tǒng)能夠正常進(jìn)行動(dòng)作響應(yīng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)解鎖響應(yīng)時(shí)間實(shí)測(cè)表明，支架的實(shí)際解鎖時(shí)間比理論解鎖時(shí)間要長(zhǎng)5～7s左右，與人員定位系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度和支架控制器延時(shí)解鎖設(shè)置有關(guān)。

5)現(xiàn)有的人員定位智能控制系統(tǒng)尚有不完善的地方，由于當(dāng)支架處于閉鎖狀態(tài)時(shí)支架無(wú)法執(zhí)行任何動(dòng)作，當(dāng)人員所在區(qū)域與支架動(dòng)作區(qū)域重疊時(shí)，支架閉鎖與支架跟機(jī)動(dòng)作沖突的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到有效解決，現(xiàn)有的策略只能通過(guò)規(guī)避人員所在區(qū)域與支架動(dòng)作區(qū)域重疊來(lái)解決此問(wèn)題，后續(xù)可采用支架解鎖后通過(guò)補(bǔ)充支架動(dòng)作的方式來(lái)解決此問(wèn)題。