李 龍,程 亮

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

在煤礦生產(chǎn)過程中,物料、人員、設(shè)備的輸送要依靠提升機,提升機的可靠運行直接關(guān)系到工作人員的安全以及煤礦的經(jīng)濟效益[1]. 然而傳統(tǒng)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(dǎo)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(fā)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(fù)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(shù)設(shè)計了礦用提升機輔助監(jiān)控系統(tǒng),減少礦井在運輸過程中的安全隱患。

1 主要原理與技術(shù)

1.1 激光雷達檢測

激光掃描技術(shù)以激光測距原理為基礎(chǔ),通過棱鏡旋轉(zhuǎn)改變光束發(fā)射方向。依據(jù)激光檢測儀發(fā)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(shù)據(jù)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(guān)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(jié)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(jù)設(shè)定好的初始高度H0減去當(dāng)前高度,即為物體某點的高度,以此為依據(jù),可得出一組物體掃描截面上各點高度,標(biāo)記為(HJ1,HJ2,HJ3…HJn),關(guān)系表達式為:

(2)

該組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),檢測時,去除無效數(shù)據(jù),選擇有效數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)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(nèi)置軟件系統(tǒng),具有智能分析人體和監(jiān)測人體越界功能。當(dāng)攝像機識別到人員與提升機巷口的距離發(fā)生變化且進入預(yù)設(shè)警戒線,并且在持續(xù)預(yù)定的時間不離開時,AI智能識別系統(tǒng)發(fā)出警告信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件設(shè)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(tǒng)工作流程示意圖見圖2.

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

該系統(tǒng)開始運行后判斷系統(tǒng)是否鎖定,如果鎖定,需要專門人員在絞車房內(nèi)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(tǒng)。解鎖后攝像頭對井口區(qū)域進行監(jiān)控,如果識別到井口廣場區(qū)域有人員闖入,控制柜將智能控制大喇叭發(fā)出警告聲。激光雷達和稱重傳感器自動檢測運輸系統(tǒng)所運輸物體的形狀以及重量,并將所得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄偷乜刂乒裰小ｏ@示器與控制柜連接,顯示器上顯示檢測區(qū)域的動態(tài)圖像和檢測到的數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)將數(shù)據(jù)與設(shè)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(shè)定值,則通過控制電纜停止運輸系統(tǒng)的運行并將系統(tǒng)鎖定,通過攝像頭抓拍超載物體,并控制聲光報警器發(fā)出警報。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤礦輔助運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)示意圖見圖3.

圖3 系統(tǒng)示意圖

2.2.1 監(jiān)控與控制

上位機位于絞車房內(nèi),主要功能是對監(jiān)控視頻進行顯示,并儲存數(shù)據(jù)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(qū)域和絞車房內(nèi),把鉤工區(qū)域的控制柜內(nèi)置軟件系統(tǒng),可對視頻信號、稱重傳感器信號進行分析加工,依據(jù)相關(guān)算法智能進行物體超限判斷,并負責(zé)閉鎖打點信號和操作臺顯示以及收集檢測數(shù)據(jù)并上傳。絞車房內(nèi)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(qū)域。采用相控陣掃描式成像技術(shù),通過發(fā)射激光的角度和激光從發(fā)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(chǎn)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(biāo)系,將計算所得各點位置以坐標(biāo)的形式儲存,再對兩個激光雷達掃描各點的坐標(biāo)進行坐標(biāo)系的變換后放在同一個坐標(biāo)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(wǎng)線與就地控制柜(帶顯示器)連接,分別在井口和井底檢測區(qū)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(jiān)控井口區(qū)域。

3) 軌道仿形稱重傳感器?？蓽y得運輸物體的重量信息并傳送至控制箱內(nèi)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(qū)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(qū)域安裝大喇叭,當(dāng)檢測到有人員入侵時播放報警音。

2.3 系統(tǒng)功能

該提升機輔助運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的智能監(jiān)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(tǒng),可以檢測各種復(fù)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(shù)檢測井口井底廣場區(qū)域人員侵入,并且安裝大喇叭,當(dāng)檢測到有人員入侵時播放報警音進行驅(qū)離。

4) 超限發(fā)生后鎖定系統(tǒng),并報警。當(dāng)檢測到超載或超寬、超高時,將系統(tǒng)鎖定,若要解鎖系統(tǒng),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(yīng)急處置功能。若出現(xiàn)人員侵入等緊急情況,應(yīng)急處置功能將立即采取措施,對提升機緊急制動,同時發(fā)出警報,確保系統(tǒng)的安全運行。

3 輔助運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)在馬堡煤業(yè)的應(yīng)用

在山西馬堡煤業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)。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(cè)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(cè)。紅外攝像頭分別安裝在井口和井底檢測區(qū)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(jiān)控有效區(qū)內(nèi),并且確保有誤入人員進入提升機危險區(qū)域內(nèi)才進行警報驅(qū)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(qū)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(qū)域安裝大喇叭,當(dāng)檢測到有人員入侵時播放報警音。礦用輔助運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)在山西馬堡煤業(yè)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(tǒng)是否超載,提高了系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性及運輸系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)能適應(yīng)各類形狀復(fù)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(tǒng)的運行狀態(tài)更清晰地顯示。

4 結(jié) 論

依托激光雷達檢測、視頻識別等技術(shù)設(shè)計了輔助煤礦運輸智能監(jiān)控系統(tǒng),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(yè)效率。該設(shè)備的推廣使用,對保障煤礦工作人員安全和維護煤礦生產(chǎn)的正常進行具有重要意義,有利于煤礦智能化建設(shè)目標(biāo)的實現(xiàn)。