礦用提升機輔助智能監控系統的研發

李 龍,程 亮

(1.山西馬堡煤業有限公司, 山西 長治 046000;2.太原科技大學, 山西 太原 030024)

在煤礦生產過程中,物料、人員、設備的輸送要依靠提升機,提升機的可靠運行直接關系到工作人員的安全以及煤礦的經濟效益[1]. 然而傳統的提升機不能智能檢測提升重物的重量、識別寬高是否超限。超限運輸可能導致物體墜落、鋼絲繩斷裂甚至人員傷亡。目前所使用的檢測物體長、寬、高的裝置多為對射式光柵激光傳感器和發射式激光傳感器,這種傳感器對于形狀簡單的物體檢測精度較高,但對于形狀復雜的物體檢測精度則不足[2].同時,目前礦用防超閉鎖裝置多采用手動控制,效率較低。為此,通過AI視頻識別和各種傳感器感知技術設計了礦用提升機輔助監控系統,減少礦井在運輸過程中的安全隱患。

1 主要原理與技術

1.1 激光雷達檢測

激光掃描技術以激光測距原理為基礎,通過棱鏡旋轉改變光束發射方向。依據激光檢測儀發出激光束的往返時間可以計算出激光雷達與待檢測物體間的距離,從而計算出物體的外形輪廓[3]. 具體運行過程如下:

1) 激光檢測儀對沒有物料的平板車底面各點掃描,得出激光檢測儀和軌道平板車之間的高度,并記錄下初始數據H0.

2) 掃描平板車上的物體各點,記錄各掃描點掃描角度的掃描儀接收到反射信號的時間,示意圖見圖1.

圖1 檢測原理立體圖

3) 完成對物體的掃描后,得到掃描序列。

由圖1中表示的幾何關系可知:

H=D×sina

(1)

式中: ɑ為掃描光束與物體某一掃描點之間的夾角;H為物體某一點至掃描儀的高度;D為物體的某一點與掃描儀的距離。

按照計算結果,得出一組物體上某點至掃描儀的高度序列(H1,H2,H3,H4…Hn). 根據設定好的初始高度H0減去當前高度,即為物體某點的高度,以此為依據,可得出一組物體掃描截面上各點高度,標記為(HJ1,HJ2,HJ3…HJn),關系表達式為:

(2)

該組數據需要進行有效判斷,超過定值2.50 m 或低于定值0.05 m均為無效數據,檢測時,去除無效數據,選擇有效數據中最大值作為物體超限檢測的最終高度值[4].

寬度檢測原理與高度檢測類似。

1.2 AI視頻識別

人員誤入監測的原理是在提升機巷道口安裝攝像機,利用AI智能人體識別深度算法,實時監測識別人員與危險邊界的距離。攝像機與控制柜相連,控制柜內置軟件系統,具有智能分析人體和監測人體越界功能。當攝像機識別到人員與提升機巷口的距離發生變化且進入預設警戒線,并且在持續預定的時間不離開時,AI智能識別系統發出警告信息。

2 系統設計

2.1 軟件設計

在控制箱中安裝西門子S7-1200型PLC,選用西門子STEP7-V13編程軟件進行PLC編程。系統工作流程示意圖見圖2.

圖2 系統工作流程圖

該系統開始運行后判斷系統是否鎖定,如果鎖定,需要專門人員在絞車房內的控制柜上進行操作,通過密碼、人臉、IC卡、指紋識別之一驗證成功后可解鎖系統。解鎖后攝像頭對井口區域進行監控,如果識別到井口廣場區域有人員闖入,控制柜將智能控制大喇叭發出警告聲。激光雷達和稱重傳感器自動檢測運輸系統所運輸物體的形狀以及重量,并將所得的數據傳輸到就地控制柜中。顯示器與控制柜連接,顯示器上顯示檢測區域的動態圖像和檢測到的數據。控制系統將數據與設定值比較,如果物體在裝車完畢后或者在運輸過程中的寬、高和重量超過設定值,則通過控制電纜停止運輸系統的運行并將系統鎖定,通過攝像頭抓拍超載物體,并控制聲光報警器發出警報。

2.2 系統硬件結構設計

煤礦輔助運輸智能監控系統包括上位機、控制柜、激光雷達、攝像頭、稱重傳感器、顯示屏、聲光報警器等。系統示意圖見圖3.

圖3 系統示意圖

2.2.1 監控與控制

上位機位于絞車房內,主要功能是對監控視頻進行顯示,并儲存數據備查。就地控制柜(帶顯示器)包括3個控制柜,分別安裝在井口和井底把鉤工區域和絞車房內,把鉤工區域的控制柜內置軟件系統,可對視頻信號、稱重傳感器信號進行分析加工,依據相關算法智能進行物體超限判斷,并負責閉鎖打點信號和操作臺顯示以及收集檢測數據并上傳。絞車房內的控制柜控制絞車正反向運行和閉鎖,并且配有門禁一體機,支持密碼、人臉、IC卡和指紋識別。

2.2.2 檢測裝置

檢測裝置主要包括3類,分別采用了激光雷達、攝像頭和軌道仿形稱重傳感器。

1) 激光雷達。激光雷達分別安裝在井底、井口、運輸巷道中檢測區域。采用相控陣掃描式成像技術,通過發射激光的角度和激光從發射到返回的時間計算出掃描點的位置。通過多個電磁波相位不同可以產生干涉的原理來改變激光的方向,完成對物體的快速掃描,在運輸物體移動的情況下精度也很高。同時激光雷達將各點的角度和距離信息傳送至控制箱中,控制箱建立以雷達為原點的坐標系,將計算所得各點位置以坐標的形式儲存,再對兩個激光雷達掃描各點的坐標進行坐標系的變換后放在同一個坐標系上,對物體的寬度進行檢測。

2) 紅外攝像頭。紅外攝像頭通過礦用煤安網線與就地控制柜(帶顯示器)連接,分別在井口和井底檢測區域各安裝1臺,用于抓拍超重物體。另外在井口廣場處安裝攝像頭,檢測有無人員入侵并且監控井口區域。

3) 軌道仿形稱重傳感器。可測得運輸物體的重量信息并傳送至控制箱內進行處理。

2.2.3 報警

聲光報警器安裝在井口和井底把鉤工區域以及運輸巷道中,通過礦用煤安阻燃電纜與控制箱連接,在接收到控制箱的命令后開始運行,語音播放報警信息并且亮警報燈。同時在井口廣場區域安裝大喇叭,當檢測到有人員入侵時播放報警音。

2.3 系統功能

該提升機輔助運輸智能監控系統實現的智能監控功能主要有:

1) 檢測運輸物體的寬高,并智能判斷是否超限。激光雷達-攝像頭組成的測量系統,可以檢測各種復雜形狀的物體。

2) 檢測運輸物體的重量,并智能判斷是否超重。軌道仿形稱重傳感器具有很高的檢測精度和靈敏性。

3) 檢測人員入侵。利用AI視頻識別技術檢測井口井底廣場區域人員侵入,并且安裝大喇叭,當檢測到有人員入侵時播放報警音進行驅離。

4) 超限發生后鎖定系統,并報警。當檢測到超載或超寬、超高時,將系統鎖定,若要解鎖系統,需要專門人員在絞車房進行身份認證解鎖。啟動就地控制柜旁的聲光報警器,語音播放報警信息并且亮警報燈。

5) 應急處置功能。若出現人員侵入等緊急情況,應急處置功能將立即采取措施,對提升機緊急制動,同時發出警報,確保系統的安全運行。

3 輔助運輸智能監控系統在馬堡煤業的應用

在山西馬堡煤業有限公司的礦井運輸巷道中,安裝了該煤礦提升機輔助運輸智能監控系統。由于激光雷達需要從上往下對物體進行掃描,因此激光雷達安裝在運輸軌道側高2.5 m的專用安裝鐵架上,兩個激光雷達對稱安裝于軌道兩側。紅外攝像頭分別安裝在井口和井底檢測區域,提升機巷道口處蓋板焊接的鐵支架上,距地面高度約2.5 m,角度為水平方向-30°,垂直方向向下-45°,不僅使得運輸巷道全部處于監控有效區內,并且確保有誤入人員進入提升機危險區域內才進行警報驅逐、停運機車等閉鎖動作。仿形軌道狀稱重傳感器分別安裝在井口軌道和井底上坡前軌道處。聲光報警安裝在控制柜旁,方便操作人員感知。另外在井口廣場區域安裝防爆顯示器,距地面2.5 m,用來顯示物體信息。同時在井口廣場區域安裝大喇叭,當檢測到有人員入侵時播放報警音。礦用輔助運輸智能監控系統在山西馬堡煤業有限公司的成功運用取得了良好的效果:

1) 通過傳感器、攝像頭以及雷達從多維度自動感知運輸系統是否超載,提高了系統判斷的準確性及運輸系統的安全性。

2) 聲光報警器具有語音播報功能,可以使操作人員清楚地聽到超載信息,進而調整運輸物體,提高工作效率。

3) 使用雷達檢測物體寬、高,使系統能適應各類形狀復雜的物體檢測。

4) 使用觸摸屏顯示器進行人機交互,簡單易上手并且使系統的運行狀態更清晰地顯示。

4 結 論

依托激光雷達檢測、視頻識別等技術設計了輔助煤礦運輸智能監控系統,解決了煤礦提升機提升超重和寬高超限物體存在的潛在危險,并提高了物體的檢測精度和工作人員的作業效率。該設備的推廣使用,對保障煤礦工作人員安全和維護煤礦生產的正常進行具有重要意義,有利于煤礦智能化建設目標的實現。