煤矿井下掘进机人员安全防护系统

周开平

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

3煤矿采掘机械装备国家工程实验室 山西太原 030006

井 下掘进工作面环境复杂多变，作业空间有限，配套设备多，大量工序交叉施工，掘进设备外形尺寸较大，司机视觉盲区较大，增加了人员设备之间的挤压剐蹭的可能，因此，掘进机的安全运行是煤炭生产效率和人员安全的重要保障。目前，掘进设备上所采用的防碰撞装置较多，但都存在着一些局限性，如毫米波雷达测距精度高、范围广，但其在井下抗电磁波干扰能力差；超声波测距穿透性强、衰减小，但所用的传感器是铝制外壳，不利于防爆设计；红外测距反馈速度快、隐蔽性强，但方向性差；激光测距传感器精确度高、响应速度快，但井下粉尘、湿度较大，影响测量结果；基于接收信号强度指示测距技术受井下电磁环境和障碍遮挡等影响，信号衰减严重，测距误差较大；机器视觉测距识别和目标检测能力近年来大幅提高，但受粉尘、水雾等影响，普通光学视觉系统在井下使用有很大的局限性。可见，使用单一的测距技术无法有效解决井下设备人员防碰撞问题[1-2]。

针对当前煤矿井下掘进设备人员安全防护技术使用中的问题，提出了一种基于 UWB 技术测距和红外热成像技术相融合的人员安全防护系统方案，该系统充分利用了 UWB 技术抗干扰能力和穿透性强、时间分辨率高、功率消耗低、测距精度高及安全性强等特点，结合热成像视频识别技术，提升井下人员防护系统的可靠性。

1 人员安全防护系统技术原理

1.1 基于 UWB 技术高精度测距

掘进设备人员安全防护系统采用 SDS-TWR 算法，即对称双边双向测距算法，该算法不依赖读卡器与识别卡时间同步就可实现设备与人员之间的精准测距，能最大程度降低时钟偏移带来的测距误差影响[3-4]。

人员标识卡向记载读卡器发送第 1 帧数据信息，同时记录发送时间；读卡器接收数据信息，同时记录接收时间；之后，读卡器向标识卡返回响应信号，同时记录发送时间；标识卡接收响应信息，同时记录接收时间；标识卡处理响应信息后，发送第 2 帧数据信息至读卡器，同时记录发送时间；读卡器再次接收第2 帧响应信息，同时记录接收时间，即成了 1 个测距循环。SDS-TWR 测距原理如图1 所示。

图1 SDS-TWR 测距原理Fig.1 SDS-TWR ranging principle

人员标识卡与记载读卡器 1 次循环数据信息传输的时间

式中：t1为标识卡发出第 1 帧数据信息到再次接收到响应信息时间；ta为读卡器数据包延迟处理时间；t2为读卡器发出响应信息到再次接收到第 2 帧数据信息时间；tb为标识卡数据包延迟处理时间。

标识卡与读卡器之间的距离

式中：C为电磁波在介质中的传播速度。

1.2 基于红外热成像视觉技术

基于红外热成像视觉技术运用斯特藩-玻尔兹曼定律。在特定温度下，物体材料、表面特性存在细微差别，当被识别物体温度高于绝对零度时，物体内部产生热运动并向周围以红外线辐射一定波段的电磁波，红外线辐射通过光学系统成像调制，由红外探测器转换为相应的电信号，电信号经过电子处理系统转变为视觉分辨的热成像图[5-6]。红外热成像原理如图2所示。

图2 红外热成像原理Fig.2 Principle of infrared thermal imaging

2 人员安全防护系统设计方案

2.1 安全防护系统组成与功能

2.1.1 系统组成

掘进设备人员安全防护系统主要包括控制器、显示器、声光报警器、摄像仪、读卡器和标识卡等，如图3 所示。

图3 安全防护系统Fig.3 Safety protection system

控制器为矿用隔爆兼本安型，主要包括工控机、视频输入隔离模块、视频输出隔离模块、RS485 隔离模块和信号采集模块。

显示器为矿用本安型，安装于掘进机操作台上，用于显示红外热成像仪所采集的视频画面，同时，司机可根据画面中所标定的距离标线判断人员与设备之间的距离。

声光报警器为矿用本安型，体积小、质量轻，安装于掘进机机身上方，通过不同灯光与不同语音的组合来表示不同危险等级。

读卡器为矿用浇封兼本安型，由通信接口、数字编码单元、输出控制单元、电源管理单元、声光报警单元、无线信号测距基站单元及无线信号收发单元组成，用于判断与标识卡之间的距离，当距离小于设定阈值时，发出报警信号。工作时，读卡器实时测量外部标识卡与读卡器之间的距离，若距离小于所设定的报警距离时，无线测距基站模块会驱动声光报警器发出报警信号。

标识卡为矿用本安型，与读卡器进行通信，确定读卡器与识别卡之间的距离，由井下人员配带，具有低电量电池提醒、振动报警等功能。

2.1.2 主要功能

(1) 人员闯入报警 当人员靠近掘进机报警区域时，设备发出报警信号，提醒司机采取相应避害措施；当人员继续向设备靠近到停机区域时，掘进机停机避险。

(2) 设备之间接近报警 当两台设备相互靠近到一定距离时，发出相应的报警信号或者主动停机避害，避免设备之间的碰撞。

(3) 双向报警功能 当人员进入设备危险区域时，声光报警器发出报警信号，同时人员身上佩带的标识卡也会发出声音加振动的报警信号，提醒矿工主动避害。

(4) 启动预警检测 掘进机通电时，检测系统进行设备周围环境安全评估，当检测到停机区域有人员存在时，设备将无法启动，避免设备启动出现伤人事故。

(5) 特殊人员管理功能 本机操作人员作为特殊人员，在掘进机上操作时，本机不会报警，但本机操作人员靠近其他设备时，其他设备会进行报警提醒。

(6) 红外热成像视频显示 在井下黑暗、高粉尘、炫光环境下，红外热成像仪能够清晰成像，辅助司机看清周围环境。

(7) 视频数据存储 红外热成像仪所采集的视频数据能够实时循环存储，保证最新视频数据能够可靠存储。

2.2 UWB 测距系统设计

读卡器安装于掘进机上方中间位置，并以此为中心，设置报警区和停机区，不同报警范围会有相应的声光报警信号与控制信号输出，通过控制器控制设备停机等操作，如图4 所示。

图4 UWB 测距安全系统Fig.4 UWB ranging safety system

当人员进入报警区时，声光报警器黄灯闪烁，发出“人员靠近请注意”的报警声，掘进机执行相应的避险动作；当人员进入设备停机区时，声光报警器红灯闪烁，发出“人员危险请停机”的报警声，掘进机停机避险。人员进入报警区或停机区后，标识卡振动报警，掘进机司机在本机的报警区和停机区内属于免报警。

2.3 红外热成像系统设计

掘进机前、后方安装红外摄像仪，通过红外热成像仪采集运动物体图像信息，由图像处理系统进行预处理，以提高图像对比度，增强图像细节，去除图像噪声等，然后通过掘进机上位机软件进行预警边界线划定，设置报警线和停机线。当人员进入报警线以内时，掘进机发出相应的报警信号，人员标识框显示为黄色；当人员进入停机线以内时，人员标识框显示为红色，掘进机发出相应的报警信号停机[7-8]。红外热成像视频监控画面如图5 所示。

图5 红外热成像视频画面Fig.5 Video image of infrared thermal imaging

3 现场系统试验

为验证掘进机人员安全防护系统的可靠性，在EBZ220 型掘进机上安装人员安全防护系统进行试验，如图6 所示。

图6 人员安全防护系统安装示意Fig.6 Installation of personnel safety protection system

设置读卡器的报警区半径为 12 m，停机区半径为 8 m。为验证读卡器与标识卡之间的测距误差，测试人员进行了多次测量，设置了 5、10、15、20、25、30 m 共 6 处测试点，每个测试点进行 5 次距离误差测试，测试结果如表1 所列。根据表1 的测试数据可知，读卡器与标识卡之间的最大测距误差为 0.15 m，满足人员安全防护要求。

表1 误差测试结果Tab.1 Statistics of distance error test m

红外热成像系统测试如图7 所示，没有佩带标识卡的人员在报警线和停机线边缘进行测试。经过 10余次测试，安全防护系统没有出现误报，报警准确率较高。

图7 热成像系统测试Fig.7 Thermal imaging system test

5 结语

人员安全预警技术是实现煤矿生产“机械化换人，自动化减人”目标的关键技术手段，为实现煤矿掘进工作面智能化、无人化快速掘进提供可靠的安全技术保障。

结合煤矿井下掘进工作面配套设备多、粉尘量大、可见度低等特殊环境工况，设计了一种基于UWB 高精度测距技术+红外热成像技术相融合的掘进设备人员安全防护系统，实现了对井下人员的安全防护预警，提高了设备的运行效率及人员的安全性。