煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統研究

吳連勇，郭棟梁

(1.潞安化工集團 司馬煤業有限公司， 山西 長治 047105； 2.太原科技大學， 山西 太原 030024)

運輸巷道是井下煤炭開采運輸的主要運輸途徑，煤礦井下空間小，設備多，人員流動性大，實現通行人員與工作設備之間的安全高效管控難度較大。因人員安全意識不足和井下安保措施不到位導致運輸巷道事故頻發，研究其原因主要有：人為因素：人員缺乏足夠的安全意識和自我保護意識，對安全生產的重要性缺乏合理認識，未嚴格按照安全流程進行操作；設備因素：現有設備識別度低，無聲光報警器和語音提示器，設備無可靠聯動攔截停機閉鎖裝置。

針對以上生產管理中遇到的問題，基于當前迅速發展的AI智能識別技術、物聯網技術、5G通訊技術設計了一套煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統。通過5G技術實現對誤入區域視頻監控的實時采集傳輸以及整個運輸巷道的低延時音頻語音提示。機車即將運行到巷道口有誤入人員進入黃色警戒時給出聲光報警提示并通過本安型攝像儀對誤入人員拍照，利用5G高速率、大寬帶特性實時傳輸照片信息至監測與控制中心進行身份識別，有誤入人員進入危險區域啟動攔截裝置并進行機車停機閉鎖，避免安全事故發生。

1 系統總體設計

煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統由監測傳感系統、AI視覺識別監控系統、語音提示及聲光報警系統、誤入人員攔截及機車停機閉鎖系統4部分組成。其中監測傳感系統通過傳感器實現對通行人員的跟蹤定位。AI視覺識別監控系統通過本安型攝像儀進行整個誤入區域的視頻監控和對誤入人員進行照片拍攝，誤入人員的位置和照片信息利用物聯網技術和5G通信技術通過本安型基站傳輸至監測與控制中心，監測與控制中心處理數據并通過計算機和LED顯示屏顯示誤入人員的位置和身份信息。語音提示及聲光報警系統由語音提示器對整個運輸巷道的通行人員進行語音提醒，提高人員的安全意識；當機車即將運行到巷道口且誤入人員已經進入黃色警戒線時，聲光報警器開始報警，以提示誤入人員注意運行機車且退出黃色警戒線等候機車通過。誤入人員攔截及機車停機閉鎖系統中攔截裝置由道閘系統構成，機車停機閉鎖系統由鉗盤式制動器構成，機車即將運行到巷道口且誤入人員已進入危險區域時，機車制動鉗迅速制動同時道閘桿落下以阻止誤入人員通過，通過攔截裝置與機車停機閉鎖裝置聯動保證誤入人員的安全，誤入人員退出黃色警戒線后，機車重新啟動運行，待機車完全駛離運輸巷道口后，道閘桿升起允許通行人員繼續通行,見圖1.

圖1 煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統圖

2 硬件設計

煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統硬件部分由地面和井下兩部分構成。其中，地面部分主要包括地面工業以太環網、WEB服務器、數據庫服務器、無線路由器、用戶計算機、LED顯示屏、地面5G基站等組成。井下部分主要包括井下工業以太環網、井下交換機、監測傳感器、本安型攝像儀、語音提示器、聲光報警器、攔截裝置及機車停機閉鎖裝置等組成。其中，監測傳感器對運輸巷道通行人員的位置進行監測定位，同時將采集的數據信息反饋至監測與控制中心，攔截裝置實現運輸巷道口的迅速封閉，機車停機閉鎖裝置使機車快速停機閉鎖以保護誤入人員的人身安全，AI視覺識別監控誤入區域且對誤入人員身份識別。系統構架圖見圖2.

圖2 系統架構圖

2.1 監測傳感器

監測傳感器主要由熱釋電紅外傳感器模塊組成。在運輸巷道中，熱釋電紅外傳感器模塊用來檢測運輸巷道是否有人員通行，實現對通行人員的位置定位。熱釋電紅外傳感器模塊結構框圖見圖3.

圖3 熱釋電紅外傳感器模塊圖

使用移動電源為熱釋電紅外傳感器模塊提供+7 V電壓，電源穩壓電路由低壓差線性穩壓器(型號為HE9073)為熱釋電紅外傳感器模塊的各部分提供穩壓電源。當通行人員進入每個監測區域時，因為人體的正常溫度保持在37 ℃左右，人體自身會發出特定波長范圍的紅外信號，對應監測區域的紅外傳感器監測并采集人體發出的特定紅外信號并將此紅外信號轉化為電信號。由于通行人員距離紅外傳感器位置遠近的不同會導致紅外傳感器輸出的電信號強度不同。

這些電信號強度一般較弱，需要放大電路對傳感器輸出的信號進行放大，采用濾波電路對放大信號中的雜波信號進行過濾。最終，過濾后的電信號通過一系列的數據傳輸處理顯示在監測與控制中心，實現通行人員在巷道位置的實時監控。

2.2 攔截裝置

攔截裝置實現機車即將運行到巷道口時對危險區域的誤入人員進行攔截，避免造成生產安全事故。攔截裝置主要由道閘系統組成，其中道閘系統包括智能控制器、電動機驅動器、電動機、道閘機構。道閘系統圖見圖4.

圖4 道閘系統圖

智能控制器接收監測與控制中心發出的控制信號來控制道閘桿升桿和落桿、遇阻時的停啟、道閘桿的運動速度。電動機驅動器驅動電機正反轉及調整電機轉速，使得道閘桿在運行過程中勻速平穩。電動機是道閘系統中重要執行件之一，電動機驅動道閘機構快速動作。道閘機構主要由道閘桿、箱體、減速器、機械傳動部分等組成。道閘結構示意圖見圖5.

圖5 道閘結構示意圖

2.3 機車停機閉鎖裝置

盤式制動和傳統鼓式剎車相比較，盤式制動散熱速度快、徑向尺寸小、制動力矩大、可以在工況環境較差的地方使用且維護方便。因此，該設計中機車停機閉鎖裝置選用鉗盤式制動器，制動鉗和制動盤是鉗盤式制動器的重要部分。金屬塊和金屬背板組成摩擦片，每個鉗盤式制動器中有兩片摩擦片，摩擦片及其推動裝置固定在制動鉗的夾鉗形支架中構成制動鉗，制動鉗安裝在機車上，制動盤安裝在機車齒輪上。

當機車即將運行到巷道口有誤入人員步入危險區域時，監測與控制中心發出緊急停機指令使機車緊急制動，制動時液壓油通過油路進入液壓缸，液壓缸驅動制動鉗使制動鉗上的摩擦片接近制動盤直到摩擦片接觸制動盤并使機車完全停機。待誤入人員退出黃色警戒線后，監測與控制中心發出機車啟動指令，剎車片與制動盤分離且剎車片退回特定位置。機車停機閉鎖裝置實現緊急情況下的機車快速停機制動，提高機車運行中的安全性。

2.4 AI視覺識別

AI視覺識別監控具備兩種功能：一種是誤入區域的全時段視頻監控。監控設備啟動后，設備根據監控環境自動設置采集幀數、信噪比、亮度等參數，全時段、多方位對誤入區域視頻信號采集，采集的信號通過5G通信技術實時傳輸至監測與控制中心，在監測與控制中心用LED顯示屏顯示視頻信息，滿足管理人員對誤入區域情況的實時了解。另一種是誤入人員拍照及身份識別。當機車即將運行到巷道口時，本安型攝像儀對誤入區域的誤入人員拍照，同時將照片信息傳輸到監測與控制中心進行數據處理，圖片預處理提高圖片清晰度、色彩鮮明度，改良圖片視覺識別效果。為提高誤入人員身份識別效率，在預處理后的圖片中把誤入人員目標從背景中提取出來。將提取出來的誤入人員照片與礦工信息庫中的照片進行對比、查找來確定誤入人員身份信息并將身份信息顯示在計算機和LED顯示屏。

3 系統設計

煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統采用Keil software公司的KEIL4軟件開發設計。該軟件具有靈活的窗口管理系統，并具有較強的可讀性和可維護性。煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統的基本工作流程為：監測→判斷→聲光報警→誤入人員攔截及機車制動。程序流程圖見圖6.

圖6 程序流程圖

4 系統應用

潞安化工集團某煤礦之前對誤入人員的管理采用定人定點的人工監督管理方式，控制中心無法做到全時段對監督人員是否在崗進行監管，人工看護成本較高且安全性較低，設備之間的聯動水平低，緊急情況下的機車制動不及時。

為了解決上述問題，該煤礦應用了煤礦井下運輸巷道人員誤入報警系統且該系統在運輸安全中發揮了重要作用并有良好的效果，總結如下：

1) 用熱釋電紅外傳感器模塊對通行人員位置定位并實現了人員位置信息的可視化，管理人員可通過計算機對通行人員位置信息實時查看。

2) 攔截裝置與機車停機閉鎖裝置聯動，緊急情況下保證多種方式來保障誤入人員的生命安全，提升自動化水平。

3) AI視覺識別的應用實現對誤入區域24小時監控和誤入人員身份信息的高效識別，解決了人工監管存在的曠工、監管不嚴等問題，實現了智能化監管，推動了煤礦智能化發展。

5 結 論

本設計結合AI智能識別技術、物聯網技術、5G通信技術等實現了對誤入人員的精準定位、身份識別和誤入攔截，保障了誤入人員的生命安全。該系統符合當前企業生產條件需求，有效降低了運輸巷道人工看護成本，提高企業智能化和技術化水平，有良好的市場前景和可觀的市場需求。