煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)研究

吳連勇，郭棟梁

(1.潞安化工集團(tuán) 司馬煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 047105； 2.太原科技大學(xué)， 山西 太原 030024)

運(yùn)輸巷道是井下煤炭開(kāi)采運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸途徑，煤礦井下空間小，設(shè)備多，人員流動(dòng)性大，實(shí)現(xiàn)通行人員與工作設(shè)備之間的安全高效管控難度較大。因人員安全意識(shí)不足和井下安保措施不到位導(dǎo)致運(yùn)輸巷道事故頻發(fā)，研究其原因主要有：人為因素：人員缺乏足夠的安全意識(shí)和自我保護(hù)意識(shí)，對(duì)安全生產(chǎn)的重要性缺乏合理認(rèn)識(shí)，未嚴(yán)格按照安全流程進(jìn)行操作；設(shè)備因素：現(xiàn)有設(shè)備識(shí)別度低，無(wú)聲光報(bào)警器和語(yǔ)音提示器，設(shè)備無(wú)可靠聯(lián)動(dòng)攔截停機(jī)閉鎖裝置。

針對(duì)以上生產(chǎn)管理中遇到的問(wèn)題，基于當(dāng)前迅速發(fā)展的AI智能識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了一套煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)誤入?yún)^(qū)域視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)采集傳輸以及整個(gè)運(yùn)輸巷道的低延時(shí)音頻語(yǔ)音提示。機(jī)車(chē)即將運(yùn)行到巷道口有誤入人員進(jìn)入黃色警戒時(shí)給出聲光報(bào)警提示并通過(guò)本安型攝像儀對(duì)誤入人員拍照，利用5G高速率、大寬帶特性實(shí)時(shí)傳輸照片信息至監(jiān)測(cè)與控制中心進(jìn)行身份識(shí)別，有誤入人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域啟動(dòng)攔截裝置并進(jìn)行機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖，避免安全事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)、AI視覺(jué)識(shí)別監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音提示及聲光報(bào)警系統(tǒng)、誤入人員攔截及機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖系統(tǒng)4部分組成。其中監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)通行人員的跟蹤定位。AI視覺(jué)識(shí)別監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)本安型攝像儀進(jìn)行整個(gè)誤入?yún)^(qū)域的視頻監(jiān)控和對(duì)誤入人員進(jìn)行照片拍攝，誤入人員的位置和照片信息利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G通信技術(shù)通過(guò)本安型基站傳輸至監(jiān)測(cè)與控制中心，監(jiān)測(cè)與控制中心處理數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)和LED顯示屏顯示誤入人員的位置和身份信息。語(yǔ)音提示及聲光報(bào)警系統(tǒng)由語(yǔ)音提示器對(duì)整個(gè)運(yùn)輸巷道的通行人員進(jìn)行語(yǔ)音提醒，提高人員的安全意識(shí)；當(dāng)機(jī)車(chē)即將運(yùn)行到巷道口且誤入人員已經(jīng)進(jìn)入黃色警戒線時(shí)，聲光報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，以提示誤入人員注意運(yùn)行機(jī)車(chē)且退出黃色警戒線等候機(jī)車(chē)通過(guò)。誤入人員攔截及機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖系統(tǒng)中攔截裝置由道閘系統(tǒng)構(gòu)成，機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖系統(tǒng)由鉗盤(pán)式制動(dòng)器構(gòu)成，機(jī)車(chē)即將運(yùn)行到巷道口且誤入人員已進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，機(jī)車(chē)制動(dòng)鉗迅速制動(dòng)同時(shí)道閘桿落下以阻止誤入人員通過(guò)，通過(guò)攔截裝置與機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置聯(lián)動(dòng)保證誤入人員的安全，誤入人員退出黃色警戒線后，機(jī)車(chē)重新啟動(dòng)運(yùn)行，待機(jī)車(chē)完全駛離運(yùn)輸巷道口后，道閘桿升起允許通行人員繼續(xù)通行,見(jiàn)圖1.

圖1 煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)硬件部分由地面和井下兩部分構(gòu)成。其中，地面部分主要包括地面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、無(wú)線路由器、用戶計(jì)算機(jī)、LED顯示屏、地面5G基站等組成。井下部分主要包括井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、井下交換機(jī)、監(jiān)測(cè)傳感器、本安型攝像儀、語(yǔ)音提示器、聲光報(bào)警器、攔截裝置及機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置等組成。其中，監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)運(yùn)輸巷道通行人員的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)信息反饋至監(jiān)測(cè)與控制中心，攔截裝置實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸巷道口的迅速封閉，機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置使機(jī)車(chē)快速停機(jī)閉鎖以保護(hù)誤入人員的人身安全，AI視覺(jué)識(shí)別監(jiān)控誤入?yún)^(qū)域且對(duì)誤入人員身份識(shí)別。系統(tǒng)構(gòu)架圖見(jiàn)圖2.

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 監(jiān)測(cè)傳感器

監(jiān)測(cè)傳感器主要由熱釋電紅外傳感器模塊組成。在運(yùn)輸巷道中，熱釋電紅外傳感器模塊用來(lái)檢測(cè)運(yùn)輸巷道是否有人員通行，實(shí)現(xiàn)對(duì)通行人員的位置定位。熱釋電紅外傳感器模塊結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3.

圖3 熱釋電紅外傳感器模塊圖

使用移動(dòng)電源為熱釋電紅外傳感器模塊提供+7 V電壓，電源穩(wěn)壓電路由低壓差線性穩(wěn)壓器(型號(hào)為HE9073)為熱釋電紅外傳感器模塊的各部分提供穩(wěn)壓電源。當(dāng)通行人員進(jìn)入每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，因?yàn)槿梭w的正常溫度保持在37 ℃左右，人體自身會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)范圍的紅外信號(hào)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)區(qū)域的紅外傳感器監(jiān)測(cè)并采集人體發(fā)出的特定紅外信號(hào)并將此紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于通行人員距離紅外傳感器位置遠(yuǎn)近的不同會(huì)導(dǎo)致紅外傳感器輸出的電信號(hào)強(qiáng)度不同。

這些電信號(hào)強(qiáng)度一般較弱，需要放大電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，采用濾波電路對(duì)放大信號(hào)中的雜波信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。最終，過(guò)濾后的電信號(hào)通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)傳輸處理顯示在監(jiān)測(cè)與控制中心，實(shí)現(xiàn)通行人員在巷道位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 攔截裝置

攔截裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)即將運(yùn)行到巷道口時(shí)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的誤入人員進(jìn)行攔截，避免造成生產(chǎn)安全事故。攔截裝置主要由道閘系統(tǒng)組成，其中道閘系統(tǒng)包括智能控制器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、道閘機(jī)構(gòu)。道閘系統(tǒng)圖見(jiàn)圖4.

圖4 道閘系統(tǒng)圖

智能控制器接收監(jiān)測(cè)與控制中心發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)控制道閘桿升桿和落桿、遇阻時(shí)的停啟、道閘桿的運(yùn)動(dòng)速度。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得道閘桿在運(yùn)行過(guò)程中勻速平穩(wěn)。電動(dòng)機(jī)是道閘系統(tǒng)中重要執(zhí)行件之一，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)道閘機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作。道閘機(jī)構(gòu)主要由道閘桿、箱體、減速器、機(jī)械傳動(dòng)部分等組成。道閘結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5.

圖5 道閘結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置

盤(pán)式制動(dòng)和傳統(tǒng)鼓式剎車(chē)相比較，盤(pán)式制動(dòng)散熱速度快、徑向尺寸小、制動(dòng)力矩大、可以在工況環(huán)境較差的地方使用且維護(hù)方便。因此，該設(shè)計(jì)中機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置選用鉗盤(pán)式制動(dòng)器，制動(dòng)鉗和制動(dòng)盤(pán)是鉗盤(pán)式制動(dòng)器的重要部分。金屬塊和金屬背板組成摩擦片，每個(gè)鉗盤(pán)式制動(dòng)器中有兩片摩擦片，摩擦片及其推動(dòng)裝置固定在制動(dòng)鉗的夾鉗形支架中構(gòu)成制動(dòng)鉗，制動(dòng)鉗安裝在機(jī)車(chē)上，制動(dòng)盤(pán)安裝在機(jī)車(chē)齒輪上。

當(dāng)機(jī)車(chē)即將運(yùn)行到巷道口有誤入人員步入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，監(jiān)測(cè)與控制中心發(fā)出緊急停機(jī)指令使機(jī)車(chē)緊急制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)液壓油通過(guò)油路進(jìn)入液壓缸，液壓缸驅(qū)動(dòng)制動(dòng)鉗使制動(dòng)鉗上的摩擦片接近制動(dòng)盤(pán)直到摩擦片接觸制動(dòng)盤(pán)并使機(jī)車(chē)完全停機(jī)。待誤入人員退出黃色警戒線后，監(jiān)測(cè)與控制中心發(fā)出機(jī)車(chē)啟動(dòng)指令，剎車(chē)片與制動(dòng)盤(pán)分離且剎車(chē)片退回特定位置。機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置實(shí)現(xiàn)緊急情況下的機(jī)車(chē)快速停機(jī)制動(dòng)，提高機(jī)車(chē)運(yùn)行中的安全性。

2.4 AI視覺(jué)識(shí)別

AI視覺(jué)識(shí)別監(jiān)控具備兩種功能：一種是誤入?yún)^(qū)域的全時(shí)段視頻監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備啟動(dòng)后，設(shè)備根據(jù)監(jiān)控環(huán)境自動(dòng)設(shè)置采集幀數(shù)、信噪比、亮度等參數(shù)，全時(shí)段、多方位對(duì)誤入?yún)^(qū)域視頻信號(hào)采集，采集的信號(hào)通過(guò)5G通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)與控制中心，在監(jiān)測(cè)與控制中心用LED顯示屏顯示視頻信息，滿足管理人員對(duì)誤入?yún)^(qū)域情況的實(shí)時(shí)了解。另一種是誤入人員拍照及身份識(shí)別。當(dāng)機(jī)車(chē)即將運(yùn)行到巷道口時(shí)，本安型攝像儀對(duì)誤入?yún)^(qū)域的誤入人員拍照，同時(shí)將照片信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖片預(yù)處理提高圖片清晰度、色彩鮮明度，改良圖片視覺(jué)識(shí)別效果。為提高誤入人員身份識(shí)別效率，在預(yù)處理后的圖片中把誤入人員目標(biāo)從背景中提取出來(lái)。將提取出來(lái)的誤入人員照片與礦工信息庫(kù)中的照片進(jìn)行對(duì)比、查找來(lái)確定誤入人員身份信息并將身份信息顯示在計(jì)算機(jī)和LED顯示屏。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)采用Keil software公司的KEIL4軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。該軟件具有靈活的窗口管理系統(tǒng)，并具有較強(qiáng)的可讀性和可維護(hù)性。煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)的基本工作流程為：監(jiān)測(cè)→判斷→聲光報(bào)警→誤入人員攔截及機(jī)車(chē)制動(dòng)。程序流程圖見(jiàn)圖6.

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

潞安化工集團(tuán)某煤礦之前對(duì)誤入人員的管理采用定人定點(diǎn)的人工監(jiān)督管理方式，控制中心無(wú)法做到全時(shí)段對(duì)監(jiān)督人員是否在崗進(jìn)行監(jiān)管，人工看護(hù)成本較高且安全性較低，設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)水平低，緊急情況下的機(jī)車(chē)制動(dòng)不及時(shí)。

為了解決上述問(wèn)題，該煤礦應(yīng)用了煤礦井下運(yùn)輸巷道人員誤入報(bào)警系統(tǒng)且該系統(tǒng)在運(yùn)輸安全中發(fā)揮了重要作用并有良好的效果，總結(jié)如下：

1) 用熱釋電紅外傳感器模塊對(duì)通行人員位置定位并實(shí)現(xiàn)了人員位置信息的可視化，管理人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)通行人員位置信息實(shí)時(shí)查看。

2) 攔截裝置與機(jī)車(chē)停機(jī)閉鎖裝置聯(lián)動(dòng)，緊急情況下保證多種方式來(lái)保障誤入人員的生命安全，提升自動(dòng)化水平。

3) AI視覺(jué)識(shí)別的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)誤入?yún)^(qū)域24小時(shí)監(jiān)控和誤入人員身份信息的高效識(shí)別，解決了人工監(jiān)管存在的曠工、監(jiān)管不嚴(yán)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了智能化監(jiān)管，推動(dòng)了煤礦智能化發(fā)展。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)結(jié)合AI智能識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)誤入人員的精準(zhǔn)定位、身份識(shí)別和誤入攔截，保障了誤入人員的生命安全。該系統(tǒng)符合當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)條件需求，有效降低了運(yùn)輸巷道人工看護(hù)成本，提高企業(yè)智能化和技術(shù)化水平，有良好的市場(chǎng)前景和可觀的市場(chǎng)需求。