基于視覺識別及紅外人身檢測的掘進安全閉鎖裝置的研究

李 冠

（山西三元煤業股份有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤礦井下地理條件復雜，規定了一些需要分開作業的特殊危險區域，比如掘進工作面截割機械的工作區域和獨立的封閉運輸巷道等，在這些區域中有工作人員進入時，必須停止機器設備[1]。

目前，針對煤炭企業安全生產的防護裝置研究還相對不夠成熟，通過設計此裝置，能夠為煤炭企業的生產環境提供一套具有較強適用性的安全體系，從而有效彌補普通生產過程中機器工作區域誤傷人員的問題，此裝置成為煤炭企業安全化生產的有效工具和手段；而通過系統的有效運行可以改變我國傳統煤炭工業勞動效率低、技術裝備落后、安全狀況差的現狀，提高企業競爭力，實現企業長遠發展[2]。因此基于視覺識別及紅外人身檢測的掘進工作面人員安全閉鎖裝置的研究對我國煤炭企業的信息化發展乃至未來發展都具有較強的現實意義。

1 閉鎖裝置原理

1.1 工作原理

基于視覺識別及紅外熱釋人身檢測的掘進工作面人員安全閉鎖裝置立足于紅外傳感理論和自動控制理論，從提高系統可靠性、消除漏報警和降低系統功耗的角度出發，提出紅外人機閉鎖保護的工作原理和工作流程，并分別制定了采煤掘進機運轉區域的紅外人機閉鎖保護方案。這套裝置能夠自動監測掘進機運轉的危險區域，如果一旦有人員進入了這個區域，系統檢測到之后就會發出警報聲，與此同時輸出閉鎖控制信號，系統會立即切斷電源，停止掘進機的運轉。掘進機上有紅外傳感器探頭[3]，如果有人進入探頭的有效檢測范圍，由于人體熱量產生的紅外線經過菲涅爾透鏡的會聚，激發紅外線接收器產生一種微弱的低頻信號，該信號經探頭內部線路二級放大，再由整形電路的處理，限幅后的信號輸入主控制器，從而產生控制操作，即報警或斷電，同時通過報警燈及語音報警器對誤入人員進行提醒，確保及時傳達信號，將危險降至最小。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.2 熱釋電紅外原理

熱釋電紅外傳感器，如圖2，由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成，它可以檢測人體發出的紅外信號，并將其轉化成電信號。傳感器的頂部有一個長方形的窗口，里面裝著一塊濾光片，可以使人體發出的9～10μm波長的紅外線通過，而其他波長的紅外線被濾除，這樣便提高了抗干擾能力。

圖2 熱釋電紅外傳感器

2 裝置總體工作過程

掘進機行人安全報警閉鎖裝置主要的探測傳感器為紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭，基于紅外熱釋識別和視頻識別相結合的原理，監測更加迅速準確全面，可靠性高[4]。在掘進機工作和停機支護作業過程中可以連續監控危險區域，通過設置在掘進機周圍的五組紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭監測危險區域是否有工作人員進入或者進行支護作業。當掘進機截割作業過程監測到有工作人員進入作業區域，裝置配備的報警控制器會發出聲光報警及LED屏顯示提醒，同時及時地實現掘進機停機閉鎖。當掘進停機工人在掘進機前部支護作業時，探測有人員在截割部區域內時，能夠實現掘進機截割的閉鎖，有限防止截割誤操作被啟動。

根據掘進機工作模式分析，具體監控區域如下：

2.1 掘進機兩側區域監測

在掘進機機身兩側安裝四組紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭共同監測掘進機機身兩側的危險區域，紅外熱釋識別和視頻識別相結合，監測更加及時準確全面，可靠性高。

裝置具體工況如下：當每次啟動掘進機時，報警器進行聲光報警和LED屏顯示提示，掘進機和皮帶運輸機開始工作；在作業過程中，當紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭監測到有人員誤入危險作業區時，系統進行聲光報警及LED屏顯示提示，同時掘進機和皮帶運輸機停機閉鎖；當監測到人員撤離危險作業區后，司機可以重新啟動掘進機；當掘進機停止作業后，系統進行聲光報警提示，LED屏顯示停止作業、人員可入。

2.2 掘進機前部監測

在掘進機前端朝向截割部安裝一組紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭共同監測掘進機前方截割部區域。采用紅外熱釋識別和視頻識別相結合技術，監測更加及時準確全面，可靠性高，有效防止誤動作。

裝置具體工況如下：當掘進機停止作業時，工作人員進行掘進機截割部區域進行支護作業，在掘進機前端朝向截割部安裝有紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭對人員進行實時監測，監測到截割部區域內有人員作業時，始終保持掘進機截割部的閉鎖直至作業人員撤離截割區域，防止掘進機截割部誤動作對作業人員造成傷害。

3 功能特點

此裝置的主要創新點在于其基于紅外識別和視頻識別相結合的原理，監測更加迅速準確全面，可靠性高。在掘進機工作和停機支護作業過程中可以連續監控危險區域，通過設置在掘進機周圍的熱釋電紅外線傳感器和視頻攝像頭實時監測危險區域，并通過報警燈和語音報警器對人員進行危險傳達。

安裝此裝置后可將掘進機使用的柵欄門和炮頭蓋去掉，使采掘工作面的生產更為方便和順暢；同時，將原來的機械主動防護變為電器自動保護，提高了安全程度，杜絕了因人工操作失誤而造成的不必要傷害。人機閉鎖保護裝置的安裝和應用，實現了掘進機運轉區域的動態安全監控，提高了相應區域機械傷害防護的可靠性，實現了相應區域的本質安全化。

4 結語

基于視覺識別及紅外人身檢測的安全閉鎖裝置主要以熱釋電紅外線傳感器的探測原理為基礎，設置有紅外線傳感器及全套裝置，可自動監掘進機工作面危險區域。若有人員進入，則發出聲音報警信號，同時輸出閉鎖控制信號，立即切斷電源，停止掘進機的運轉，保證采掘工作區域工作人員的安全。