顧海榮， 郭項(xiàng)偉， 徐信芯，2， 張雅倩， 羅 佳

（1.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710064；2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，河南新鄉(xiāng)453003）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)，但較大事故持續(xù)不斷，重特大事故還未得到根本遏制，煤礦系統(tǒng)性安全風(fēng)險(xiǎn)猶存［1］。當(dāng)煤礦發(fā)生透水、火災(zāi)、冒頂?shù)仁鹿适构ぷ魅藛T被困于井下，而救援人員又無(wú)法靠近事故地點(diǎn)時(shí)，建立直達(dá)事故地點(diǎn)的通道進(jìn)行施救是煤礦應(yīng)急救援的主要任務(wù)［2］。鉆孔救援一般通過(guò)鉆取地面大直徑逃生鉆孔，并以救援提升艙為載體營(yíng)救井下被困人員，是有效實(shí)施救援的重要技術(shù)途徑［3-5］。目前，逃生鉆孔內(nèi)大多要安裝無(wú)縫鋼套管。但井筒套管處于一個(gè)由巖土、地應(yīng)力場(chǎng)、水和溫度場(chǎng)環(huán)境共同組成的復(fù)雜自然環(huán)境中［6］，加上工程因素和地震等突發(fā)因素的影響，井筒套管可能會(huì)產(chǎn)生變形甚至是破裂損壞，造成救援提升過(guò)程中提升艙的卡滯，直接影響救援工作的順利進(jìn)行。因此，在救援提升過(guò)程中對(duì)井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量很有必要。

激光測(cè)量因其具有測(cè)量精度高、速度快等特點(diǎn)，在礦山井筒測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。于志龍等［7］利用激光垂準(zhǔn)儀建立雙激光基準(zhǔn)，并在井筒中選取特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和坐標(biāo)計(jì)算，通過(guò)對(duì)比特征點(diǎn)坐標(biāo)的變化得出井筒變形情況。王正洋等［8］研制了由6個(gè)手持式激光測(cè)距儀和鋁合金框架組合而成的礦井立井井筒變形檢測(cè)裝置，并確立了通過(guò)井筒斷面測(cè)量及罐道變形檢測(cè)來(lái)檢測(cè)井筒變形的方法。查劍林［9］設(shè)計(jì)了一款井筒內(nèi)壁快速成圖系統(tǒng)，其通過(guò)安置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的激光位移傳感器進(jìn)行三維掃描來(lái)得到井筒數(shù)據(jù)信息，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件模塊。馬福義等［10］利用三維激光掃描儀掃描豎井井筒，對(duì)獲得的點(diǎn)云進(jìn)行三維建模并將其與參考井筒模型進(jìn)行比較獲得井筒變形情況。

本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，以測(cè)量平臺(tái)模擬提升艙，采用激光測(cè)距傳感器獲得測(cè)量平臺(tái)與井壁間的距離，并利用最小二乘圓法對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終在LabVIEW軟件中對(duì)井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算分析了該系統(tǒng)誤差，表明該系統(tǒng)可用于指導(dǎo)救援提升工作。

1 最小二乘圓算法

為表征救援井井筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在測(cè)量過(guò)程中需要確定每個(gè)井筒截面的理想圓心位置及其到截面輪廓的距離，即擬合出井筒截面輪廓曲線的圓心坐標(biāo)和半徑值。最小二乘圓（LSC）是一種評(píng)定基準(zhǔn)圓，它使從被測(cè)輪廓上各點(diǎn)到該圓的徑向距離的平方和為最?。?1-14］，其得到的圓心坐標(biāo)能較準(zhǔn)確地反映井筒軸線位置。本文采用LSC法來(lái)確定井筒截面的理想中心。

如圖1所示，閉合的實(shí)線為井筒截面輪廓；虛線為擬合得到的LSC。以提升艙測(cè)量平臺(tái)中心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立測(cè)量平臺(tái)坐標(biāo)系，Pixi，y( )i（i＝1，2，…，m）為井筒截面輪廓的一測(cè)點(diǎn)，該點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為Ri，對(duì)應(yīng)的角度為θi。

圖1 最小二乘圓示意圖

圖中：C（u1，u2）為擬合出的最小二乘圓圓心坐標(biāo)；R為最小二乘圓的半徑，則各測(cè)點(diǎn)到該圓心的距離R′i為

因此，各測(cè)點(diǎn)到最小二乘圓的徑向距離，即半徑誤差εi＝R′i－R的平方和為

使用最小二乘圓法即要求上式的值為最小。

在滿足圓度誤差遠(yuǎn)小于半徑的前提下，半徑誤差εi可近似表示為

由此得到最小二乘圓線性模型：

由文獻(xiàn)［15］可知，式（4）是一個(gè)超定方程組，其正則方程為

如果各測(cè)點(diǎn)均布于圓周，θi＝iΔθ，Δθ＝2π／m，且m充分大，則有：代入式（5）可得：

由此可得最小二乘圓的圓心坐標(biāo)和半徑分別為

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，可將其分為井下和地面兩部分。井下部分由激光測(cè)距傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、井下調(diào)制解調(diào)器、紅外攝像頭、拉壓力傳感器等組成；地面部分由地面中心站、井上調(diào)制解調(diào)器、深度測(cè)量裝置、提升裝置等組成。通過(guò)一對(duì)調(diào)制解調(diào)器將采集終端采集到的數(shù)據(jù)在井下進(jìn)行調(diào)制、打包并通過(guò)雙絞線傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行解調(diào)，并結(jié)合深度和提升數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送至地面中心站的計(jì)算機(jī)中。井下各裝置通過(guò)直流電源供電。

圖2 救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量硬件系統(tǒng)

2.2 激光測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

激光測(cè)量屬于無(wú)接觸測(cè)量，具有精度高、速度快、抗光、電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。基于這些特點(diǎn)，本文采用激光測(cè)距傳感器對(duì)井筒進(jìn)行測(cè)量。

激光測(cè)距傳感器選型主要考慮量程、線性度、工作條件、采樣頻率等要素。經(jīng)調(diào)研和比較，選用美國(guó)邦納公司生產(chǎn)的Q4X系列激光測(cè)距傳感器Q4XTULAF500-Q8。該傳感器為1級(jí)激光CMOS傳感器，量程為25～500 mm，能夠探測(cè)到亞毫米級(jí)的距離變化，且外殼堅(jiān)固，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP69K，能夠滿足井筒測(cè)量的要求。

如圖3所示，將6個(gè)激光測(cè)距傳感器呈60°均布裝于測(cè)量平臺(tái)同一圓上，其圓心與測(cè)量平臺(tái)中心重合，并保證呈180°布置的兩傳感器測(cè)量射線共線。

圖3 激光測(cè)距傳感器的布置

數(shù)據(jù)采集終端由數(shù)據(jù)采集卡和機(jī)箱組成。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的C系列電壓輸入模塊NI-9205，使用與之配套的CompactDAQ機(jī)箱。采用差分接法將6路激光傳感器輸出線接在采集卡的相應(yīng)接線端子上。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分是在LabVIEW軟件上實(shí)現(xiàn)。使用DAQmx模板中的創(chuàng)建虛擬通道VI、定時(shí)（采樣時(shí)鐘）VI、開(kāi)始任務(wù)VI、讀取VI、清除任務(wù)VI等完成激光傳感器數(shù)據(jù)采集程序的框架構(gòu)建［16］。由于激光測(cè)距傳感器的信號(hào)輸出方式為模擬電壓輸出，故將創(chuàng)建虛擬通道VI設(shè)置為“AI電壓”選項(xiàng)，并為之配置接線方式、物理通道、輸入電壓最大值和最小值等。同樣地，為采樣時(shí)鐘VI配置采樣模式、采樣速率，將讀取VI設(shè)置為“模擬1D波形N通道N采樣”選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器模擬信號(hào)的連續(xù)采集。

經(jīng)讀取VI后，對(duì)各路傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行平滑濾波和均值化處理，然后通過(guò)添加公式節(jié)點(diǎn)將電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的距離值輸出，其中的轉(zhuǎn)換關(guān)系式由對(duì)激光傳感器的標(biāo)定得出。輸出的距離值信號(hào)將進(jìn)入最小二乘圓子VI中，其程序框圖如圖4所示。其中，第1個(gè)公式節(jié)點(diǎn)中列出了最小二乘圓圓心坐標(biāo)和半徑的計(jì)算公式，即式（7）；第2個(gè)公式節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算最小二乘圓圓心到各測(cè)點(diǎn)的距離返回最大和最小半徑，從而得到井筒截面的圓度誤差。最小二乘圓子VI輸出的最小二乘圓圓心坐標(biāo)、井筒截面平均直徑、最大最小直徑、圓度誤差可實(shí)時(shí)顯示于LabVIEW前面板上，且可通過(guò)最小二乘圓圓心坐標(biāo)求得測(cè)量平臺(tái)中心相對(duì)于擬合圓圓心的偏心量e和偏心角度θ，計(jì)算公式如下：

圖4 最小二乘圓子VI程序框圖

式中，(u1，u2)為最小二乘圓圓心坐標(biāo)。

此外，在程序中設(shè)置了井徑報(bào)警燈和偏心報(bào)警燈，當(dāng)測(cè)得的井筒直徑小于設(shè)定的直徑或測(cè)量平臺(tái)中心偏離設(shè)定的閾值后，報(bào)警燈被觸發(fā)，以提醒地面操作人員。

系統(tǒng)前面板由攝像頭顯示面板、可視化面板、圖表面板、數(shù)值顯示面板、報(bào)警燈面板、設(shè)置面板等組成，如圖5所示。首先，對(duì)激光測(cè)量模塊的保存路徑、拉力值范圍、井深值范圍、攝像頭視頻保存路徑等進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“運(yùn)行”后，時(shí)間、XY坐標(biāo)、井徑、拉力、深度等數(shù)據(jù)會(huì)保存在相應(yīng)的文件路徑中，并可以通過(guò)前面板的圖表面板看出井徑、速度等的變化情況?？梢暬姘逋ㄟ^(guò)調(diào)用與測(cè)試所得數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒形貌的三維展現(xiàn)。

圖5 救援井井筒直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)前面板

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建試驗(yàn)臺(tái)，使用內(nèi)徑為φ606 mm，高度為2.5 m的豎直圓筒來(lái)模擬救援井井筒，用外徑φ560 mm的測(cè)量平臺(tái)模擬提升艙，測(cè)量平臺(tái)的組成如圖6所示。

圖6 測(cè)量平臺(tái)的組成

試驗(yàn)時(shí)，在井壁內(nèi)人工添加標(biāo)志物模擬井筒變形，通過(guò)控制提升裝置中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速模擬提升艙經(jīng)過(guò)井筒變形處的過(guò)程。首先，在井筒內(nèi)適當(dāng)位置張貼標(biāo)志物模擬徑向凹陷變形即局部變形，凹陷值為5 mm，然后保持測(cè)量平臺(tái)水平，使提升裝置分別以20、40、60、100 mm／s的速度提升測(cè)量平臺(tái)。同樣地，在井筒同一位置整個(gè)圓周貼滿標(biāo)志物模擬縮徑變形，使縮徑后的井徑為φ597 mm，其他條件與上述試驗(yàn)均相同。最后，撤去全部標(biāo)志物，測(cè)量未變形井筒的井徑變化。圖7所示為不同速度下所獲得的部分井徑數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)過(guò)程中采樣率不變，測(cè)量相同井段時(shí)所獲數(shù)據(jù)會(huì)隨著速度的增大而減少，故提升速度為60和100 mm／s的試驗(yàn)只保留20組數(shù)據(jù)。

圖7 不同提升速度下測(cè)得的井徑變化

由圖7可知，以上4種速度提升時(shí)能夠看出變形處的井徑變化，且變形處測(cè)得的井徑誤差在±2 mm。又由井筒公稱直徑為φ606 mm，計(jì)算可得，當(dāng)提升速度為20和40 mm／s時(shí)，未變形井筒段擬合圓直徑相對(duì)誤差在±0.3%；當(dāng)提升速度為60和100 mm／s時(shí)，未變形段的相對(duì)誤差在±0.8%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套救援井井筒直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其硬件部分通過(guò)測(cè)量平臺(tái)上的激光測(cè)距、拉壓力傳感器、攝像頭獲取井下信息，并結(jié)合深度測(cè)量裝置和提升控制裝置的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送至上位機(jī)中。通過(guò)在LabVIEW軟件上對(duì)6個(gè)均布的激光測(cè)距傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘圓擬合，并將得到的井徑、井筒中心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)顯示于LabVIEW前面板，構(gòu)建了軟件系統(tǒng)的核心內(nèi)容。通過(guò)在井筒內(nèi)壁人工設(shè)置變形點(diǎn)，并以不同速度提升測(cè)量平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的精度。試驗(yàn)表明，以20～100 mm／s速度提升時(shí)，該系統(tǒng)的相對(duì)誤差在±0.8%范圍內(nèi)，并可通過(guò)LabVIEW前面板的圖表面板看出井徑的變化情況。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可用于指導(dǎo)鉆孔救援提升工作，提高救援效率。