煤礦井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要:結(jié)合煤礦事故預(yù)警和煤礦事故現(xiàn)場(chǎng)搜救中遇到的問(wèn)題，針對(duì)煤礦井下人員和設(shè)備在監(jiān)控方面存在的不足，從視頻監(jiān)控、信號(hào)傳輸、中心控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等多個(gè)方面提出全方位解決方法，通過(guò)井下與地面之間的智能中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控人員對(duì)井下運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭，防患于未然。此在線監(jiān)控系統(tǒng)提高了煤礦救援效率，使煤礦安全管理走向科學(xué)化、規(guī)范化和數(shù)字化，極大地提高了煤礦的安全管理水平。

關(guān)鍵詞:煤礦井下;智能監(jiān)控;人員及設(shè)備;物聯(lián)網(wǎng);故障診斷

0引言

近年來(lái)，隨著煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的增加，煤礦事故頻頻發(fā)生，據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)顯示，2020年國(guó)內(nèi)發(fā)生煤礦事故122起，死亡人數(shù)達(dá)到225人。常見的煤礦事故主要有瓦斯爆炸、透水以及井下火災(zāi)等，這些事故大多是由于監(jiān)控力度不夠引起的，很多事故的苗頭沒(méi)有得到重視，最終釀成大禍［1］。因此，保證煤礦安全生產(chǎn)和提高煤礦產(chǎn)量是丞待解決的關(guān)鍵難題。筆者從對(duì)煤礦井下人員及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的要求出發(fā)，深入分析了視頻監(jiān)控、信號(hào)傳輸、中心控制、遠(yuǎn)程監(jiān)管等應(yīng)用現(xiàn)狀，提出新的設(shè)計(jì)方案，建立井下監(jiān)控系統(tǒng)、井上監(jiān)控系統(tǒng)和煤礦設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)三位一體、智能化、全方位管理體系，形成了當(dāng)前較為先進(jìn)的監(jiān)控中心和調(diào)度中心，促進(jìn)煤礦安全管理工作更加科學(xué)化、數(shù)字化，有利于實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)目標(biāo)。

1煤礦井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控要求

1．1煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)煤礦基本上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，采用大型的掘進(jìn)機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等不同的機(jī)械設(shè)備輔助煤礦生產(chǎn)，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)采用機(jī)械化的煤礦僅僅占到45%左右，礦工務(wù)工占比較大，所以對(duì)煤礦井下設(shè)備和人員進(jìn)行智能監(jiān)控對(duì)于保障礦工生命安全和提高煤礦產(chǎn)量具有重要的意義和作用。煤礦事故主要存在以下難題:①地面人員不能及時(shí)動(dòng)態(tài)了解井下工作人員的分布情況和作業(yè)情況;②地面與井下人員和設(shè)備之間的溝通不及時(shí);③煤礦事故發(fā)生后，由于內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜且未知，需要長(zhǎng)時(shí)間制定救援方案，導(dǎo)致救援不及時(shí)，搜救效果比較差［2］。

1．2設(shè)計(jì)原則

礦工在井下大約幾千米的深井處作業(yè)，遠(yuǎn)離地面，環(huán)境比較惡劣，井下與地面之間人員溝通很不方便，采用傳統(tǒng)的定點(diǎn)監(jiān)控存在監(jiān)控不到位情況，同時(shí)由于某個(gè)攝像頭損壞會(huì)導(dǎo)致井下監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸困難，因此建立井下遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能遠(yuǎn)距離監(jiān)控設(shè)備和人員，隨時(shí)掌握人員的分布情況和井下作業(yè)所處的環(huán)境，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的事故苗頭，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱、聲音異常等現(xiàn)象時(shí)能及時(shí)判斷故障并且提醒維護(hù)檢修，有效避免事故發(fā)生［3－4］。為此，井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足以下設(shè)計(jì)要求。(1)滿足煤礦井下相關(guān)的管理規(guī)定和設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范。如《煤礦安全規(guī)程》《計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)規(guī)范》《安全防范工程程序和要求》等。(2)需要保證煤礦井下視頻成像清晰度，能夠辨識(shí)井下工作人員和設(shè)備所處的狀態(tài)，同時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別設(shè)備異常故障并進(jìn)行智能診斷［5］。(3)由于井下距離比較長(zhǎng)，需要解決長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，保證從地面上能夠隨時(shí)掌握井下的數(shù)據(jù)信息，保證從地面能夠?qū)崟r(shí)接收到井下的視頻信息。

2智能化監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際使用位置的不同進(jìn)行調(diào)整，為此作出如下系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。(1)皮帶入倉(cāng)口:監(jiān)控范圍比較小，實(shí)際的光線相對(duì)比較差，所以需要采用長(zhǎng)焦鏡頭低照度攝像機(jī)，對(duì)單一范圍進(jìn)行精確監(jiān)控。(2)變電所以及水泵房:由于硐室內(nèi)光線比較好，所需要的監(jiān)控的對(duì)象位置也比較固定，所以采用高清攝像機(jī)就可以獲取到比較清晰的圖像。(3)副井上下井口:由于在副井位置處的光線相對(duì)比較亮，所以監(jiān)控范圍比較大，為此需要使用彩色廣角鏡頭高清攝像機(jī)，對(duì)進(jìn)出口的罐籠運(yùn)行狀態(tài)和物料進(jìn)行精確監(jiān)控。(4)采煤工作面及煤礦巷道:煤礦巷道光線比較暗，煤礦井下需要全天24h工作，因此需要使用低照度高清攝像機(jī);井下空氣中含有有毒有害氣體，易燃易爆氣體比較多，遇到明火非常容易引起爆炸，因此需要使用專用的礦用防爆攝像機(jī)。如圖1所示為礦用防爆攝像機(jī)。圖1礦用防爆網(wǎng)絡(luò)高清攝像儀根據(jù)以上的監(jiān)控系統(tǒng)方案，智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括手持終端、通信基站、基站總控制器、定位發(fā)送卡以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等，圖2所示為本次設(shè)計(jì)的井下人員及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)組成原理圖。圖2中手持終端主要安裝在井下工作人員的安全帽上，每個(gè)設(shè)備都有專用的ID號(hào)，可以通過(guò)無(wú)線通信信號(hào)與基站之間進(jìn)行語(yǔ)音對(duì)話和數(shù)據(jù)交換，最終通訊的頻率設(shè)置為800Hz?；景惭b在井下采區(qū)、掘進(jìn)巷道的開口處、綜采工作面的順槽等位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下不同位置的全方位網(wǎng)絡(luò)通信，每個(gè)基站的布置覆蓋區(qū)域?yàn)?．5km2，基站之間采用控制器連接?；镜目刂破髯鳛榘l(fā)送信號(hào)的源，主要安裝在主運(yùn)輸巷道以及主副斜井的井筒內(nèi)部，在基站控制器內(nèi)部嵌入定位發(fā)送卡，實(shí)現(xiàn)上下信號(hào)的連接。主服務(wù)器主要是安裝在地面遠(yuǎn)程監(jiān)控室，主機(jī)服務(wù)器和終端計(jì)算機(jī)連接，在服務(wù)器內(nèi)部安裝有通信所需要的軟件程序、三維數(shù)據(jù)架構(gòu)軟件等，服務(wù)器通過(guò)專用的軟件可以在顯示器上直觀地展示被困人員的具體位置分布，設(shè)備表面的故障現(xiàn)象通過(guò)遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢測(cè)。

3智能化監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行原理

智能監(jiān)控系統(tǒng)人員定位子系統(tǒng)主要由定位基站、現(xiàn)場(chǎng)總線、智能卡三部分組成，定位基站實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員身份定位和編碼的采集，并且傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機(jī)。作業(yè)人員的身份證號(hào)碼被保存在智能卡里，當(dāng)出現(xiàn)煤礦事故時(shí)，可以發(fā)送出警報(bào)提示。如圖3所示為信息發(fā)送與接收模塊原理圖。在煤礦井下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控需要保證信息的傳輸，首先系統(tǒng)的主傳輸平臺(tái)使用的是CAN總線，并且利用智能卡對(duì)設(shè)備和工人進(jìn)行定位，搭建井下智能巡檢二級(jí)安全監(jiān)控和人員定位系統(tǒng)。圖4所示為智能化監(jiān)控系統(tǒng)人員識(shí)別與定位算法流程圖。礦井作業(yè)人員以及設(shè)備的身份識(shí)別碼被存儲(chǔ)在監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)礦工頭盔和設(shè)備側(cè)方的識(shí)別貼條進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，信號(hào)通過(guò)中間基站進(jìn)行處理和加強(qiáng)，最后發(fā)送到上位機(jī)并顯示人員的位置?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果如圖5所示。利用井下高清防爆攝像機(jī)和紅外線熱成像技術(shù)對(duì)井下設(shè)備表面的溫升進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并提醒檢修。

4結(jié)論

對(duì)所設(shè)計(jì)的整個(gè)煤礦井下人員及設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高清攝像儀可以準(zhǔn)確獲取井下人員及設(shè)備所在的位置，并在上位機(jī)端進(jìn)行顯示。此監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)工作時(shí)間自動(dòng)標(biāo)識(shí)人員的任務(wù)，包括檢修、滯留、維護(hù)、巡檢等多方面，對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)控，可以避免設(shè)備出現(xiàn)故障，有效保證煤礦井下的正常運(yùn)行。主要優(yōu)點(diǎn)如下。(1)應(yīng)用效果明顯。本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)完后首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某家煤礦，對(duì)所有的礦工安全帽進(jìn)行優(yōu)化，在安全帽中添加了信號(hào)發(fā)送卡，從上位機(jī)中可以實(shí)時(shí)采集到礦工和設(shè)備的位置信息，利用高清攝像機(jī)采集井下工作環(huán)境工況和設(shè)備的運(yùn)行狀況，尤其是當(dāng)發(fā)生礦難時(shí)能夠準(zhǔn)確定位各個(gè)礦工的位置，便于進(jìn)行救援，具有顯著的應(yīng)用效果。(2)受外部環(huán)境的影響比較小。相比于傳統(tǒng)的探測(cè)儀等設(shè)備，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是無(wú)線通訊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸，能夠?qū)崟r(shí)采集井下環(huán)境參數(shù)，有效避免事故發(fā)生。(3)自動(dòng)化水平高、實(shí)用性強(qiáng)。當(dāng)前煤礦事故頻頻發(fā)生，煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境為救援工作增加了難度，同時(shí)井下人員的分布未知導(dǎo)致救援不及時(shí)，采用本套智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)礦井工人的精確定位，實(shí)用性較強(qiáng)，不僅可以應(yīng)用在煤礦領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在道路和隧道施工等工程中，系統(tǒng)自身的自動(dòng)化水平較高，可實(shí)現(xiàn)全域安全運(yùn)行和管理。

作者:冀建磊 單位:晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院