煤礦井下掘進機人員安全防護系統

周開平

1中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 山西太原 030006

井 下掘進工作面環境復雜多變，作業空間有限，配套設備多，大量工序交叉施工，掘進設備外形尺寸較大，司機視覺盲區較大，增加了人員設備之間的擠壓剮蹭的可能，因此，掘進機的安全運行是煤炭生產效率和人員安全的重要保障。目前，掘進設備上所采用的防碰撞裝置較多，但都存在著一些局限性，如毫米波雷達測距精度高、范圍廣，但其在井下抗電磁波干擾能力差；超聲波測距穿透性強、衰減小，但所用的傳感器是鋁制外殼，不利于防爆設計；紅外測距反饋速度快、隱蔽性強，但方向性差；激光測距傳感器精確度高、響應速度快，但井下粉塵、濕度較大，影響測量結果；基于接收信號強度指示測距技術受井下電磁環境和障礙遮擋等影響，信號衰減嚴重，測距誤差較大；機器視覺測距識別和目標檢測能力近年來大幅提高，但受粉塵、水霧等影響，普通光學視覺系統在井下使用有很大的局限性。可見，使用單一的測距技術無法有效解決井下設備人員防碰撞問題[1-2]。

針對當前煤礦井下掘進設備人員安全防護技術使用中的問題，提出了一種基于 UWB 技術測距和紅外熱成像技術相融合的人員安全防護系統方案，該系統充分利用了 UWB 技術抗干擾能力和穿透性強、時間分辨率高、功率消耗低、測距精度高及安全性強等特點，結合熱成像視頻識別技術，提升井下人員防護系統的可靠性。

1 人員安全防護系統技術原理

1.1 基于 UWB 技術高精度測距

掘進設備人員安全防護系統采用 SDS-TWR 算法，即對稱雙邊雙向測距算法，該算法不依賴讀卡器與識別卡時間同步就可實現設備與人員之間的精準測距，能最大程度降低時鐘偏移帶來的測距誤差影響[3-4]。

人員標識卡向記載讀卡器發送第 1 幀數據信息，同時記錄發送時間；讀卡器接收數據信息，同時記錄接收時間；之后，讀卡器向標識卡返回響應信號，同時記錄發送時間；標識卡接收響應信息，同時記錄接收時間；標識卡處理響應信息后，發送第 2 幀數據信息至讀卡器，同時記錄發送時間；讀卡器再次接收第2 幀響應信息，同時記錄接收時間，即成了 1 個測距循環。SDS-TWR 測距原理如圖1 所示。

圖1 SDS-TWR 測距原理Fig.1 SDS-TWR ranging principle

人員標識卡與記載讀卡器 1 次循環數據信息傳輸的時間

式中：t1為標識卡發出第 1 幀數據信息到再次接收到響應信息時間；ta為讀卡器數據包延遲處理時間；t2為讀卡器發出響應信息到再次接收到第 2 幀數據信息時間；tb為標識卡數據包延遲處理時間。

標識卡與讀卡器之間的距離

式中：C為電磁波在介質中的傳播速度。

1.2 基于紅外熱成像視覺技術

基于紅外熱成像視覺技術運用斯特藩-玻爾茲曼定律。在特定溫度下，物體材料、表面特性存在細微差別，當被識別物體溫度高于絕對零度時，物體內部產生熱運動并向周圍以紅外線輻射一定波段的電磁波，紅外線輻射通過光學系統成像調制，由紅外探測器轉換為相應的電信號，電信號經過電子處理系統轉變為視覺分辨的熱成像圖[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 人員安全防護系統設計方案

2.1 安全防護系統組成與功能

2.1.1 系統組成

掘進設備人員安全防護系統主要包括控制器、顯示器、聲光報警器、攝像儀、讀卡器和標識卡等，如圖3 所示。

圖3 安全防護系統Fig.3 Safety protection system

控制器為礦用隔爆兼本安型，主要包括工控機、視頻輸入隔離模塊、視頻輸出隔離模塊、RS485 隔離模塊和信號采集模塊。

顯示器為礦用本安型，安裝于掘進機操作臺上，用于顯示紅外熱成像儀所采集的視頻畫面，同時，司機可根據畫面中所標定的距離標線判斷人員與設備之間的距離。

聲光報警器為礦用本安型，體積小、質量輕，安裝于掘進機機身上方，通過不同燈光與不同語音的組合來表示不同危險等級。

讀卡器為礦用澆封兼本安型，由通信接口、數字編碼單元、輸出控制單元、電源管理單元、聲光報警單元、無線信號測距基站單元及無線信號收發單元組成，用于判斷與標識卡之間的距離，當距離小于設定閾值時，發出報警信號。工作時，讀卡器實時測量外部標識卡與讀卡器之間的距離，若距離小于所設定的報警距離時，無線測距基站模塊會驅動聲光報警器發出報警信號。

標識卡為礦用本安型，與讀卡器進行通信，確定讀卡器與識別卡之間的距離，由井下人員配帶，具有低電量電池提醒、振動報警等功能。

2.1.2 主要功能

(1) 人員闖入報警 當人員靠近掘進機報警區域時，設備發出報警信號，提醒司機采取相應避害措施；當人員繼續向設備靠近到停機區域時，掘進機停機避險。

(2) 設備之間接近報警 當兩臺設備相互靠近到一定距離時，發出相應的報警信號或者主動停機避害，避免設備之間的碰撞。

(3) 雙向報警功能 當人員進入設備危險區域時，聲光報警器發出報警信號，同時人員身上佩帶的標識卡也會發出聲音加振動的報警信號，提醒礦工主動避害。

(4) 啟動預警檢測 掘進機通電時，檢測系統進行設備周圍環境安全評估，當檢測到停機區域有人員存在時，設備將無法啟動，避免設備啟動出現傷人事故。

(5) 特殊人員管理功能 本機操作人員作為特殊人員，在掘進機上操作時，本機不會報警，但本機操作人員靠近其他設備時，其他設備會進行報警提醒。

(6) 紅外熱成像視頻顯示 在井下黑暗、高粉塵、炫光環境下，紅外熱成像儀能夠清晰成像，輔助司機看清周圍環境。

(7) 視頻數據存儲 紅外熱成像儀所采集的視頻數據能夠實時循環存儲，保證最新視頻數據能夠可靠存儲。

2.2 UWB 測距系統設計

讀卡器安裝于掘進機上方中間位置，并以此為中心，設置報警區和停機區，不同報警范圍會有相應的聲光報警信號與控制信號輸出，通過控制器控制設備停機等操作，如圖4 所示。

圖4 UWB 測距安全系統Fig.4 UWB ranging safety system

當人員進入報警區時，聲光報警器黃燈閃爍，發出“人員靠近請注意”的報警聲，掘進機執行相應的避險動作；當人員進入設備停機區時，聲光報警器紅燈閃爍，發出“人員危險請停機”的報警聲，掘進機停機避險。人員進入報警區或停機區后，標識卡振動報警，掘進機司機在本機的報警區和停機區內屬于免報警。

2.3 紅外熱成像系統設計

掘進機前、后方安裝紅外攝像儀，通過紅外熱成像儀采集運動物體圖像信息，由圖像處理系統進行預處理，以提高圖像對比度，增強圖像細節，去除圖像噪聲等，然后通過掘進機上位機軟件進行預警邊界線劃定，設置報警線和停機線。當人員進入報警線以內時，掘進機發出相應的報警信號，人員標識框顯示為黃色；當人員進入停機線以內時，人員標識框顯示為紅色，掘進機發出相應的報警信號停機[7-8]。紅外熱成像視頻監控畫面如圖5 所示。

圖5 紅外熱成像視頻畫面Fig.5 Video image of infrared thermal imaging

3 現場系統試驗

為驗證掘進機人員安全防護系統的可靠性，在EBZ220 型掘進機上安裝人員安全防護系統進行試驗，如圖6 所示。

圖6 人員安全防護系統安裝示意Fig.6 Installation of personnel safety protection system

設置讀卡器的報警區半徑為 12 m，停機區半徑為 8 m。為驗證讀卡器與標識卡之間的測距誤差，測試人員進行了多次測量，設置了 5、10、15、20、25、30 m 共 6 處測試點，每個測試點進行 5 次距離誤差測試，測試結果如表1 所列。根據表1 的測試數據可知，讀卡器與標識卡之間的最大測距誤差為 0.15 m，滿足人員安全防護要求。

表1 誤差測試結果Tab.1 Statistics of distance error test m

紅外熱成像系統測試如圖7 所示，沒有佩帶標識卡的人員在報警線和停機線邊緣進行測試。經過 10余次測試，安全防護系統沒有出現誤報，報警準確率較高。

圖7 熱成像系統測試Fig.7 Thermal imaging system test

5 結語

人員安全預警技術是實現煤礦生產“機械化換人，自動化減人”目標的關鍵技術手段，為實現煤礦掘進工作面智能化、無人化快速掘進提供可靠的安全技術保障。

結合煤礦井下掘進工作面配套設備多、粉塵量大、可見度低等特殊環境工況，設計了一種基于UWB 高精度測距技術+紅外熱成像技術相融合的掘進設備人員安全防護系統，實現了對井下人員的安全防護預警，提高了設備的運行效率及人員的安全性。