陳林坤，張彩江，馬心剛

(中信重工開誠智能裝備有限公司，河北省唐山市，063020)

0 引言

煤礦副立井擔(dān)負著煤礦人員及物料的提升任務(wù)，是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一[1]，其上下井口安全及生產(chǎn)效率是影響煤礦生產(chǎn)的重要因素。近年來，為了提高煤礦副立井操車系統(tǒng)的安全性、可靠性及自動化水平，研發(fā)人員對操車系統(tǒng)進行了不斷改進。曹旭平[2]采用PLC技術(shù)對原有副立井操車控制系統(tǒng)進行了改進和完善；張耀武[3]針對煤礦副立井操車系統(tǒng)中存在的問題，利用機電一體化技術(shù)，對副立井操車系統(tǒng)進行了改造升級；丁成波[4]采用PLC實現(xiàn)了副立井操車系統(tǒng)電控系統(tǒng)的技術(shù)改造；孫彩紅[5]等提出了一種煤礦井下無線遠程遙控信號及操車系統(tǒng)，利用手持式遙控器遠程控制操車系統(tǒng)的運行。

目前，國內(nèi)煤礦副立井操車系統(tǒng)基本實現(xiàn)了集中自動控制，較大程度上改善了傳統(tǒng)現(xiàn)場啟動及操車的方法，改善了工作條件，減輕了工人的勞動強度。然而，依然存在著系統(tǒng)功能不完善、數(shù)據(jù)上傳不便、各子系統(tǒng)自動化程度參差不齊等問題，難以形成統(tǒng)一的信息資源，導(dǎo)致各系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)無法深度利用?；诖?，開發(fā)了煤礦副立井智能操車系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用高清攝像儀、高性能運算服務(wù)器、智能語音識別終端和智能檢測裝置，實現(xiàn)井口設(shè)備運行狀態(tài)、人員及環(huán)境的安全監(jiān)測以及操車系統(tǒng)的智能控制，從而提高井口操車系統(tǒng)及罐籠區(qū)域的智能化感知水平，實現(xiàn)井口周圍設(shè)備感知控制的一體化和智能化。

1 煤礦副立井智能操車系統(tǒng)總體方案設(shè)計

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)采用中央核心服務(wù)器云計算技術(shù)和分布式客戶端監(jiān)控部署，構(gòu)建副立井操車系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一規(guī)劃與集約建設(shè)，同時提供數(shù)據(jù)綜合服務(wù)、數(shù)據(jù)可視化服務(wù)、協(xié)同控制服務(wù)、業(yè)務(wù)流程服務(wù)和大數(shù)據(jù)分析服務(wù)等服務(wù)和工具，實現(xiàn)信息世界和物理世界的實時信息融合和控制迭代優(yōu)化，最終實現(xiàn)副立井操車系統(tǒng)聯(lián)動與智慧運營。

通過對副立井上下井口電磁環(huán)境的分析研究，煤礦副立井智能操車系統(tǒng)能夠應(yīng)用多通道傳輸、機碼校驗等方法降低誤碼率，保障信號傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斝?，同時利用機器視覺檢測、位置檢測、智能優(yōu)化決策和自動控制原理，實現(xiàn)煤礦副立井上下井口遠程遙控自動操車和無人值守智能化控制，最終實現(xiàn)無人則安的目標。煤礦副立井智能操車系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦副立井智能操車系統(tǒng)總體架構(gòu)

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)主要包括機器感知和智能控制兩大系統(tǒng)[6]，并通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將二者有機融合，機器感知系統(tǒng)實現(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入，并對感知數(shù)據(jù)進行識別運算，獲得的感知識別結(jié)果作為智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行策略依據(jù)；智能控制系統(tǒng)對PLC執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送智能控制指令，保障每一條操作指令的實時性和安全性。通過高度精細化和智能化的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)推車機、阻車器、安全門、搖臺等相關(guān)設(shè)備及整個副立井運行過程的自動檢測和控制，為企業(yè)生產(chǎn)提供更便捷的運行與維護管理、更智能的人機交互體驗以及更全面的數(shù)據(jù)記錄與分析，進而深入挖掘數(shù)據(jù)背后設(shè)備的健康情況[7-8]。

2 煤礦副立井智能操車系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 智能控制功能

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)在功能設(shè)計上要實現(xiàn)操車作業(yè)過程中的人員、礦車、安全門等智能化全流程控制。系統(tǒng)運行時，檢測到有礦車進入車場區(qū)域，現(xiàn)場一部推車機動作，同時系統(tǒng)檢測推車機1 m范圍內(nèi)是否存在人員入侵，當(dāng)有人員入侵時，推車機停止動作并發(fā)出人員驅(qū)離報警；如無人員入侵推車機正常作業(yè)，到達二部推車機工作區(qū)域后，當(dāng)檢測到有礦車駛?cè)霑r二部推車機動作，智能檢測過程與一部推車機動作邏輯相同；到達“四超”作業(yè)區(qū)域時，通過智能相機檢測礦車長、寬、高是否超過閾值，稱重傳感器檢測是否超重，檢測數(shù)值在閾值范圍內(nèi)方可進入下一工作區(qū)域，否則語音報警提示告知作業(yè)人員處理。

礦車進入井口區(qū)域時，阻車器動作，礦車在罐籠井口時推車機待命，待罐籠到達上井口時，系統(tǒng)實時檢測罐籠口是否存在人員入侵狀態(tài)，存在人員入侵則語音提示報警驅(qū)離。正常時打開安全門，同時攝像機智能判斷安全門到位狀態(tài)，此時搖臺落下，阻車器打開，井口推車機動作將礦車推入罐籠；同時上層乘人罐籠人員入罐，系統(tǒng)檢測到上乘安全門口無人員滯留則關(guān)閉安全門，相機同步識別安全門關(guān)閉狀態(tài)。正常檢測完成后發(fā)送罐籠下降信號，入罐作業(yè)完成。

罐籠在提人升井以及提物出籠作業(yè)時，對安全門及推車機作業(yè)檢測原理同礦車作業(yè)相同，通過相機的智能識別保障人員設(shè)備的安全狀態(tài)。

2.2 信號顯示功能

(1)絞車房液晶屏顯示功能。一是可顯示“提人”“提物”“檢修”“慢提”“上急”“下急”等提升類別；二是可顯示提升指令的代碼和提升數(shù)。

(2)上下井口提升信號顯示功能。除具有絞車房的顯示功能外，還可顯示上井口位或下井口位發(fā)出的急停信號、操作方式、提升信號關(guān)聯(lián)設(shè)施的閉鎖顯示以及油溫、油位、油壓故障顯示。

(3)操車執(zhí)行機構(gòu)工藝模擬顯示功能。可實現(xiàn)“罐籠到位顯示”“阻車器顯示”“安全門開與閉顯示”“搖臺起與落顯示”“推車機置于前、后限位顯示”。

2.3 系統(tǒng)閉鎖功能

(1)信號與絞車控制回路閉鎖功能。只有當(dāng)絞車房接到上井口發(fā)來的提升信號指令時，絞車方可提升。

(2)信號與安全回路閉鎖功能。當(dāng)絞車房收到上下井口發(fā)來的“急?！毙盘枙r，絞車安全回路跳閘。

(3)信號轉(zhuǎn)發(fā)閉鎖功能。上井口只有收到下井口發(fā)來的信號時，才能向絞車房發(fā)出信號，并只能轉(zhuǎn)發(fā)與下井口相同的信號。

(4)操車與信號閉鎖功能。只有當(dāng)操車執(zhí)行部位處于正常位置時方可發(fā)出提升信號指令，否則發(fā)不出提升信號。

2.4 系統(tǒng)診斷與故障報警功能

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)具有自診斷功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷線、受干擾等傳輸問題時，網(wǎng)絡(luò)可自動偵測并發(fā)出報警；當(dāng)PLC掃描器和適配器發(fā)生故障時，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)的通訊情況可判斷故障并發(fā)出報警；當(dāng)PLC的I/O模塊發(fā)生故障時，CPU通過I/O模塊的狀態(tài)位偵測到故障及故障內(nèi)容并發(fā)出報警；當(dāng)模擬量傳感器或信號線發(fā)生斷線故障時，PLC通過測量值判斷故障并發(fā)出報警。出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會判斷故障性質(zhì)與故障位置，并用漢字顯示各故障信息及語音報警。

3 感知系統(tǒng)設(shè)計

3.1 感知系統(tǒng)組成和功能

感知系統(tǒng)由高性能運算服務(wù)器、防爆計算機、防爆攝像機、紅外成像儀以及各種傳感器組成，綜合利用機器視覺、機器聽覺、非特定人聲識別等多傳感器融合技術(shù)，將深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于圖像及音頻識別領(lǐng)域，實現(xiàn)對上下井口及推車場關(guān)鍵目標的識別檢測；并將識別結(jié)果關(guān)聯(lián)執(zhí)行機構(gòu)，保障上下井口作業(yè)區(qū)域行車及人員作業(yè)的安全。感知系統(tǒng)利用高靈敏度拾音傳感器，實時采集現(xiàn)場聲音，通過高速DSP數(shù)字信號處理器和ClearSpeech自適應(yīng)動態(tài)降噪處理技術(shù)，結(jié)合音頻模型算法和語音識別技術(shù)，接收操作人員發(fā)出的“急?！钡瓤刂浦噶?，并實現(xiàn)設(shè)備控制聯(lián)動。系統(tǒng)在上下井口各部署一臺防爆計算機作為客戶端，與高性能運算服務(wù)器做數(shù)據(jù)交互，并獲取目標識別狀態(tài)，實時監(jiān)控井口各個設(shè)備的運行狀態(tài)。同時通過對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫訪問，可以按時間維度、區(qū)域維度對系統(tǒng)內(nèi)歷史作業(yè)過程的識別、檢測和控制進行數(shù)據(jù)回放、查看和追蹤。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將檢測區(qū)域分為罐籠區(qū)域、上下井口推車機區(qū)域、下井人員檢測區(qū)域和彎道推車場4個區(qū)域，對4個檢測區(qū)域分別安裝可見光攝像機、紅外熱像儀、高清晰度拾音器等裝置，對上下井口附近的罐籠、安全門等做全域動態(tài)感知識別，通過千兆環(huán)網(wǎng)將現(xiàn)場音視頻數(shù)據(jù)傳輸至高性能運算服務(wù)器做集中運算處理。根據(jù)不同區(qū)域和不同功能需求，實現(xiàn)定制化開發(fā)。感知系統(tǒng)識別目標功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 感知系統(tǒng)識別目標功能架構(gòu)

3.2 感知系統(tǒng)實現(xiàn)方案

3.2.1 罐籠區(qū)域

罐籠區(qū)域內(nèi)主要檢測罐籠內(nèi)礦車是否停放在規(guī)定區(qū)域范圍，通過在罐籠門口安裝光柵安全檢測裝置，檢測礦車?？课恢檬欠裾_。

3.2.2 上下井口推車機區(qū)域

(1)搖臺、前阻車器識別。在井口安全門側(cè)上方安裝防爆攝像機，實時采集安全門處的圖像信息，服務(wù)器對圖像進行分析處理，檢測安全門口處人員滯留狀況；系統(tǒng)自動關(guān)閉安全門前，確認安全門附近無人員方可關(guān)門。同時，防爆攝像機還實時采集前阻車器、搖臺等設(shè)備圖像，通過特征提取實現(xiàn)目標狀態(tài)位置識別，確保閉鎖安全。上下井口推車機區(qū)域識別過程如圖3所示。

圖3 上下井口推車機區(qū)域識別過程

(2)安全門開關(guān)狀態(tài)識別。在井口安全門正前方頂部安裝防爆攝像機，通過安全門牽引裝置和邊緣與罐籠邊界的相對位置關(guān)系，檢測安全門打開或關(guān)閉是否到位。安全門有左側(cè)開、右側(cè)開以及關(guān)閉3種基本形態(tài)，開閉過程中由鉸鏈帶動牽引裝置控制安全門開閉。當(dāng)檢測到牽引裝置運動時，實時跟蹤其位置；當(dāng)?shù)竭_開閉狀態(tài)位并停止時，再檢測安全門位置，對安全門是否到位狀態(tài)進行確認。

(3)推車機、阻車器狀態(tài)識別。在軌道上方安裝可見光和紅外雙光云臺攝像機，在阻車器上方安裝防爆攝像機，對采集的圖像信息進行圖像特征提取處理，智能識別判斷出礦車、推車機的位置以及阻車器的狀態(tài)，同時實時顯示在監(jiān)控屏幕上，并與自動控制系統(tǒng)進行閉鎖，實現(xiàn)推車機、阻車器的智能聯(lián)動控制。

3.2.3 下井人員檢測區(qū)域

在副立井上下井口人員入罐通道處安裝固定攝像機，對入罐人員進行計數(shù)并實時顯示[9]。當(dāng)人員通過時，員工刷標識卡并面向檢測攝像機，卡機識別到標識卡信息后，系統(tǒng)對攝像機圖像中的人臉進行定位，提取眉毛、眼睛、鼻子、嘴型等關(guān)鍵點特征，并與數(shù)據(jù)庫中錄入的人臉信息進行比對，同時將識別結(jié)果和標識卡信息進行核驗，對權(quán)限符合的人員進行放行。此外，對視頻中長棍形狀的異物等違禁品進行檢測，檢測出違禁物品立即報警且禁止通行。

3.2.4 彎道推車場區(qū)域

由于彎道推車場區(qū)域長度較長，用3路攝像機交疊覆蓋整個軌道彎道區(qū)域，系統(tǒng)對每個攝像機的位置進行標定，然后對每路視頻都進行人員和礦車的檢測與識別定位，最后對3路攝像機的檢測結(jié)果進行融合，完成對整個彎道區(qū)域的監(jiān)控識別，并將識別結(jié)果和礦車推車機邏輯控制進行關(guān)聯(lián)。

4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)組成

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)的控制系統(tǒng)分為絞車房控制、上井口控制和下井口控制3個部分。

(1)絞車房控制部分。絞車房控制部分主要包括絞車房控制箱和上位機組成，絞車房控制箱由可編程控制器PLC、信號變送器、中間繼電器、安全柵等組成，主要完成輸入信號的變換與放大、PLC運算等，經(jīng)判斷發(fā)出各種控制信號，完成與絞車的信號通訊；上位機具有顯示功能，主要接收絞車房控制箱采集到的信號反饋。

(2)上井口控制部分。上井口控制部分主要由礦用本安型操作臺和礦用隔爆兼本安型可編程控制箱組成，隔爆兼本安型可編程控制箱內(nèi)置PLC控制器，用于采集現(xiàn)場的機械到位信號和視頻分析結(jié)果，實現(xiàn)對操車設(shè)備的控制并且和下井口、地面絞車房進行通訊，實現(xiàn)控制的最佳化。本安型操作臺由指示燈、按鈕、觸摸屏等組成，完成整套系統(tǒng)的控制與監(jiān)視。

(3)下井口控制部分。下井口的功能與上井口功能完全一樣，根據(jù)視頻分析結(jié)果，實現(xiàn)對操車的控制功能和絞車提升信號的發(fā)出功能。所不同的是發(fā)出提升信號時，先由下井口發(fā)出，然后再由上井口轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 控制系統(tǒng)遠程遙控及通訊

在上下井口設(shè)置礦用隔爆兼本安型無線基站，井口操作工配置礦用本安型遙控器，實現(xiàn)遠程無線控制和操車功能。在上下井口進車和出車側(cè)、司機操作室以及絞車房安裝礦用隔爆型攝像儀進行視頻采集，在上下井口把鉤工處放置隔爆型監(jiān)視器，顯示進車和出車側(cè)視頻信息，達到井口監(jiān)視無盲點。

為了保證信號傳輸?shù)目煽啃?，絞車房、上井口和下井口之間采用主、備雙信號系統(tǒng)和實時通話系統(tǒng)，主、備信號系統(tǒng)完全相同，當(dāng)出現(xiàn)故障時可直接切換到另一系統(tǒng)運行；操車控制系統(tǒng)為單系統(tǒng)，不能進行旁路。當(dāng)下井口發(fā)送信號時，信號由下井口發(fā)送至上井口，上井口只能轉(zhuǎn)發(fā)相同的信號點，之后將信號發(fā)送至絞車房。在上下井口和絞車房發(fā)信號點時，能發(fā)出相應(yīng)的聲光信號。

5 感知控制一體化設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的感知控制一體化和智能化[10]，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)有機融合，在網(wǎng)絡(luò)層上，融合物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與工業(yè)控制協(xié)議，實現(xiàn)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的有機關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)感知層實現(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入，并對感知數(shù)據(jù)做感知運算，獲得感知識別結(jié)果作為控制層的執(zhí)行策略依據(jù)；控制業(yè)務(wù)層將感知結(jié)果與現(xiàn)場控制過程做邏輯無縫切入，實現(xiàn)控制關(guān)聯(lián)閉鎖，保障現(xiàn)場作業(yè)的安全性。感知、控制系統(tǒng)一體化邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 感知、控制系統(tǒng)一體化邏輯關(guān)系

5.1 通信融合

感知系統(tǒng)通過RTMP協(xié)議與高清攝像機通訊并獲取現(xiàn)場圖像[11]，通過圖像預(yù)處理后加載深度學(xué)習(xí)模型獲取感知特征，并通過RabbitMQ消息中間件發(fā)布感知結(jié)果至應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互。本安遙控器與報警傳感器作為I/O終端分別通過MQTT協(xié)議和WebSocket與感知系統(tǒng)交互[12-13]。在控制數(shù)據(jù)方面，采用ModbusTcp和ModbusRTU方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。通過物聯(lián)網(wǎng)通信與工業(yè)控制總線的融合應(yīng)用，打通系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)暢聯(lián)。

5.2 控制融合

在控制業(yè)務(wù)層上，當(dāng)PLC對操車系統(tǒng)、信號系統(tǒng)執(zhí)行邏輯動作，包括對礦車、安全門等設(shè)備操作時，感知系統(tǒng)將實時獲取到的設(shè)備狀態(tài)識別結(jié)果發(fā)送到PLC作為控制的閉鎖條件。在設(shè)備動作過程中，如果感知系統(tǒng)識別到安全隱患，同時輸出停車報警信號到執(zhí)行單元，以保障現(xiàn)場作業(yè)的安全性。

6 實際應(yīng)用效果

2021年11月，煤礦副立井智能操車系統(tǒng)在山東能源棗礦集團田陳煤礦進行了實際應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。煤礦副立井智能操車系統(tǒng)應(yīng)用界面如圖5所示。

圖5 煤礦副立井智能操車系統(tǒng)應(yīng)用界面

6.1 社會效益

應(yīng)用煤礦副立井智能操車系統(tǒng)后，基于人工智能的圖像處理技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的視頻監(jiān)控，對礦車、人員、安全門等目標實現(xiàn)了智能化識別，提高安全作業(yè)及生產(chǎn)效率的同時，降低了操車作業(yè)中的安全隱患，實現(xiàn)了煤礦副立井操車從自動化向智能化轉(zhuǎn)變，有效提高了煤礦智能化設(shè)備的應(yīng)用、管理與維護水平，提升了礦井提升機運輸環(huán)節(jié)安全與生產(chǎn)管理信息化和決策智能化水平，實現(xiàn)了以智能設(shè)備換人的目標。

6.2 經(jīng)濟效益

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)投入使用前，副立井運輸系統(tǒng)操作需要每班4人完成操作工作，煤礦副立井智能操車系統(tǒng)應(yīng)用后，上下井口只需2名操作人員即可完成副立井運輸系統(tǒng)操作工作，按照每天3班計算，每天可節(jié)省6人，按照每人15萬元/a 的工資計算，全年節(jié)省人員工資成本約90萬元。

7 結(jié)論

煤礦副立井智能操車系統(tǒng)投入使用后，使得信號工、把勾工從繁瑣的機械操作流程中解放出來，大大節(jié)約了人力成本，降低了勞動強度，提高了工作效率，不僅操作周期縮短了30%，而且提高了設(shè)備操作的流暢性。實現(xiàn)了煤礦井口固定區(qū)域的“無人值守，有人巡視”以及移動區(qū)域的“少人值守、有人巡視”，達到了管、控、監(jiān)一體化及減員增效的目的。