周開平

1中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)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(jī)視覺(jué)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(jī)的安全運(yùn)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(cè)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(cè)距穿透性強(qiáng)、衰減小，但所用的傳感器是鋁制外殼，不利于防爆設(shè)計(jì)；紅外測(cè)距反饋速度快、隱蔽性強(qiáng)，但方向性差；激光測(cè)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(cè)量結(jié)果；基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示測(cè)距技術(shù)受井下電磁環(huán)境和障礙遮擋等影響，信號(hào)衰減嚴(yán)重，測(cè)距誤差較大；機(jī)器視覺(jué)測(cè)距識(shí)別和目標(biāo)檢測(cè)能力近年來(lái)大幅提高，但受粉塵、水霧等影響，普通光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)在井下使用有很大的局限性?？梢?，使用單一的測(cè)距技術(shù)無(wú)法有效解決井下設(shè)備人員防碰撞問(wèn)題[1-2]。

針對(duì)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(wèn)題，提出了一種基于 UWB 技術(shù)測(cè)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(qiáng)、時(shí)間分辨率高、功率消耗低、測(cè)距精度高及安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合熱成像視頻識(shí)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(cè)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(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法，該算法不依賴讀卡器與識(shí)別卡時(shí)間同步就可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與人員之間的精準(zhǔn)測(cè)距，能最大程度降低時(shí)鐘偏移帶來(lái)的測(cè)距誤差影響[3-4]。

人員標(biāo)識(shí)卡向記載讀卡器發(fā)送第 1 幀數(shù)據(jù)信息，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間；讀卡器接收數(shù)據(jù)信息，同時(shí)記錄接收時(shí)間；之后，讀卡器向標(biāo)識(shí)卡返回響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間；標(biāo)識(shí)卡接收響應(yīng)信息，同時(shí)記錄接收時(shí)間；標(biāo)識(shí)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(shí)記錄發(fā)送時(shí)間；讀卡器再次接收第2 幀響應(yīng)信息，同時(shí)記錄接收時(shí)間，即成了 1 個(gè)測(cè)距循環(huán)。SDS-TWR 測(cè)距原理如圖1 所示。

圖1 SDS-TWR 測(cè)距原理Fig.1 SDS-TWR ranging principle

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

式中：t1為標(biāo)識(shí)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(shí)間；ta為讀卡器數(shù)據(jù)包延遲處理時(shí)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(shí)間；tb為標(biāo)識(shí)卡數(shù)據(jù)包延遲處理時(shí)間。

標(biāo)識(shí)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(jué)技術(shù)

基于紅外熱成像視覺(jué)技術(shù)運(yùn)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(shí)別物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，物體內(nèi)部產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像調(diào)制，由紅外探測(cè)器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)電子處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X(jué)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(jì)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(bào)警器、攝像儀、讀卡器和標(biāo)識(shí)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(jī)、視頻輸入隔離模塊、視頻輸出隔離模塊、RS485 隔離模塊和信號(hào)采集模塊。

顯示器為礦用本安型，安裝于掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)上，用于顯示紅外熱成像儀所采集的視頻畫面，同時(shí)，司機(jī)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(bào)警器為礦用本安型，體積小、質(zhì)量輕，安裝于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上方，通過(guò)不同燈光與不同語(yǔ)音的組合來(lái)表示不同危險(xiǎn)等級(jí)。

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(bào)警單元、無(wú)線信號(hào)測(cè)距基站單元及無(wú)線信號(hào)收發(fā)單元組成，用于判斷與標(biāo)識(shí)卡之間的距離，當(dāng)距離小于設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。工作時(shí)，讀卡器實(shí)時(shí)測(cè)量外部標(biāo)識(shí)卡與讀卡器之間的距離，若距離小于所設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)，無(wú)線測(cè)距基站模塊會(huì)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

標(biāo)識(shí)卡為礦用本安型，與讀卡器進(jìn)行通信，確定讀卡器與識(shí)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(dòng)報(bào)警等功能。

2.1.2 主要功能

(1) 人員闖入報(bào)警 當(dāng)人員靠近掘進(jìn)機(jī)報(bào)警區(qū)域時(shí)，設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒司機(jī)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(jī)區(qū)域時(shí)，掘進(jìn)機(jī)停機(jī)避險(xiǎn)。

(2) 設(shè)備之間接近報(bào)警 當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備相互靠近到一定距離時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)或者主動(dòng)停機(jī)避害，避免設(shè)備之間的碰撞。

(3) 雙向報(bào)警功能 當(dāng)人員進(jìn)入設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)人員身上佩帶的標(biāo)識(shí)卡也會(huì)發(fā)出聲音加振動(dòng)的報(bào)警信號(hào)，提醒礦工主動(dòng)避害。

(4) 啟動(dòng)預(yù)警檢測(cè) 掘進(jìn)機(jī)通電時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備周圍環(huán)境安全評(píng)估，當(dāng)檢測(cè)到停機(jī)區(qū)域有人員存在時(shí)，設(shè)備將無(wú)法啟動(dòng)，避免設(shè)備啟動(dòng)出現(xiàn)傷人事故。

(5) 特殊人員管理功能 本機(jī)操作人員作為特殊人員，在掘進(jìn)機(jī)上操作時(shí)，本機(jī)不會(huì)報(bào)警，但本機(jī)操作人員靠近其他設(shè)備時(shí)，其他設(shè)備會(huì)進(jìn)行報(bào)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(jī)看清周圍環(huán)境。

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

2.2 UWB 測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

讀卡器安裝于掘進(jìn)機(jī)上方中間位置，并以此為中心，設(shè)置報(bào)警區(qū)和停機(jī)區(qū)，不同報(bào)警范圍會(huì)有相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)與控制信號(hào)輸出，通過(guò)控制器控制設(shè)備停機(jī)等操作，如圖4 所示。

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

當(dāng)人員進(jìn)入報(bào)警區(qū)時(shí)，聲光報(bào)警器黃燈閃爍，發(fā)出“人員靠近請(qǐng)注意”的報(bào)警聲，掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的避險(xiǎn)動(dòng)作；當(dāng)人員進(jìn)入設(shè)備停機(jī)區(qū)時(shí)，聲光報(bào)警器紅燈閃爍，發(fā)出“人員危險(xiǎn)請(qǐng)停機(jī)”的報(bào)警聲，掘進(jìn)機(jī)停機(jī)避險(xiǎn)。人員進(jìn)入報(bào)警區(qū)或停機(jī)區(qū)后，標(biāo)識(shí)卡振動(dòng)報(bào)警，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)在本機(jī)的報(bào)警區(qū)和停機(jī)區(qū)內(nèi)屬于免報(bào)警。

2.3 紅外熱成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)前、后方安裝紅外攝像儀，通過(guò)紅外熱成像儀采集運(yùn)動(dòng)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(duì)比度，增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)，去除圖像噪聲等，然后通過(guò)掘進(jìn)機(jī)上位機(jī)軟件進(jìn)行預(yù)警邊界線劃定，設(shè)置報(bào)警線和停機(jī)線。當(dāng)人員進(jìn)入報(bào)警線以內(nèi)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，人員標(biāo)識(shí)框顯示為黃色；當(dāng)人員進(jìn)入停機(jī)線以內(nèi)時(shí)，人員標(biāo)識(shí)框顯示為紅色，掘進(jìn)機(jī)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)停機(jī)[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(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)人員安全防護(hù)系統(tǒng)的可靠性，在EBZ220 型掘進(jìn)機(jī)上安裝人員安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，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(bào)警區(qū)半徑為 12 m，停機(jī)區(qū)半徑為 8 m。為驗(yàn)證讀卡器與標(biāo)識(shí)卡之間的測(cè)距誤差，測(cè)試人員進(jìn)行了多次測(cè)量，設(shè)置了 5、10、15、20、25、30 m 共 6 處測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行 5 次距離誤差測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所列。根據(jù)表1 的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，讀卡器與標(biāo)識(shí)卡之間的最大測(cè)距誤差為 0.15 m，滿足人員安全防護(hù)要求。

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

紅外熱成像系統(tǒng)測(cè)試如圖7 所示，沒(méi)有佩帶標(biāo)識(shí)卡的人員在報(bào)警線和停機(jī)線邊緣進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò) 10余次測(cè)試，安全防護(hù)系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)誤報(bào)，報(bào)警準(zhǔn)確率較高。

圖7 熱成像系統(tǒng)測(cè)試Fig.7 Thermal imaging system test

5 結(jié)語(yǔ)

人員安全預(yù)警技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段，為實(shí)現(xiàn)煤礦掘進(jìn)工作面智能化、無(wú)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(jì)了一種基于UWB 高精度測(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)井下人員的安全防護(hù)預(yù)警，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率及人員的安全性。