基于視覺識別及紅外人身檢測的掘進(jìn)安全閉鎖裝置的研究

李 冠

（山西三元煤業(yè)股份有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤礦井下地理條件復(fù)雜，規(guī)定了一些需要分開作業(yè)的特殊危險區(qū)域，比如掘進(jìn)工作面截割機(jī)械的工作區(qū)域和獨立的封閉運輸巷道等，在這些區(qū)域中有工作人員進(jìn)入時，必須停止機(jī)器設(shè)備[1]。

目前，針對煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的防護(hù)裝置研究還相對不夠成熟，通過設(shè)計此裝置，能夠為煤炭企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境提供一套具有較強適用性的安全體系，從而有效彌補普通生產(chǎn)過程中機(jī)器工作區(qū)域誤傷人員的問題，此裝置成為煤炭企業(yè)安全化生產(chǎn)的有效工具和手段；而通過系統(tǒng)的有效運行可以改變我國傳統(tǒng)煤炭工業(yè)勞動效率低、技術(shù)裝備落后、安全狀況差的現(xiàn)狀，提高企業(yè)競爭力，實現(xiàn)企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展[2]。因此基于視覺識別及紅外人身檢測的掘進(jìn)工作面人員安全閉鎖裝置的研究對我國煤炭企業(yè)的信息化發(fā)展乃至未來發(fā)展都具有較強的現(xiàn)實意義。

1 閉鎖裝置原理

1.1 工作原理

基于視覺識別及紅外熱釋人身檢測的掘進(jìn)工作面人員安全閉鎖裝置立足于紅外傳感理論和自動控制理論，從提高系統(tǒng)可靠性、消除漏報警和降低系統(tǒng)功耗的角度出發(fā)，提出紅外人機(jī)閉鎖保護(hù)的工作原理和工作流程，并分別制定了采煤掘進(jìn)機(jī)運轉(zhuǎn)區(qū)域的紅外人機(jī)閉鎖保護(hù)方案。這套裝置能夠自動監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)運轉(zhuǎn)的危險區(qū)域，如果一旦有人員進(jìn)入了這個區(qū)域，系統(tǒng)檢測到之后就會發(fā)出警報聲，與此同時輸出閉鎖控制信號，系統(tǒng)會立即切斷電源，停止掘進(jìn)機(jī)的運轉(zhuǎn)。掘進(jìn)機(jī)上有紅外傳感器探頭[3]，如果有人進(jìn)入探頭的有效檢測范圍，由于人體熱量產(chǎn)生的紅外線經(jīng)過菲涅爾透鏡的會聚，激發(fā)紅外線接收器產(chǎn)生一種微弱的低頻信號，該信號經(jīng)探頭內(nèi)部線路二級放大，再由整形電路的處理，限幅后的信號輸入主控制器，從而產(chǎn)生控制操作，即報警或斷電，同時通過報警燈及語音報警器對誤入人員進(jìn)行提醒，確保及時傳達(dá)信號，將危險降至最小。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 熱釋電紅外原理

熱釋電紅外傳感器，如圖2，由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成，它可以檢測人體發(fā)出的紅外信號，并將其轉(zhuǎn)化成電信號。傳感器的頂部有一個長方形的窗口，里面裝著一塊濾光片，可以使人體發(fā)出的9～10μm波長的紅外線通過，而其他波長的紅外線被濾除，這樣便提高了抗干擾能力。

圖2 熱釋電紅外傳感器

2 裝置總體工作過程

掘進(jìn)機(jī)行人安全報警閉鎖裝置主要的探測傳感器為紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭，基于紅外熱釋識別和視頻識別相結(jié)合的原理，監(jiān)測更加迅速準(zhǔn)確全面，可靠性高[4]。在掘進(jìn)機(jī)工作和停機(jī)支護(hù)作業(yè)過程中可以連續(xù)監(jiān)控危險區(qū)域，通過設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)周圍的五組紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭監(jiān)測危險區(qū)域是否有工作人員進(jìn)入或者進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程監(jiān)測到有工作人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，裝置配備的報警控制器會發(fā)出聲光報警及LED屏顯示提醒，同時及時地實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)停機(jī)閉鎖。當(dāng)掘進(jìn)停機(jī)工人在掘進(jìn)機(jī)前部支護(hù)作業(yè)時，探測有人員在截割部區(qū)域內(nèi)時，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割的閉鎖，有限防止截割誤操作被啟動。

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作模式分析，具體監(jiān)控區(qū)域如下：

2.1 掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)區(qū)域監(jiān)測

在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身兩側(cè)安裝四組紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭共同監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)機(jī)身兩側(cè)的危險區(qū)域，紅外熱釋識別和視頻識別相結(jié)合，監(jiān)測更加及時準(zhǔn)確全面，可靠性高。

裝置具體工況如下：當(dāng)每次啟動掘進(jìn)機(jī)時，報警器進(jìn)行聲光報警和LED屏顯示提示，掘進(jìn)機(jī)和皮帶運輸機(jī)開始工作；在作業(yè)過程中，當(dāng)紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭監(jiān)測到有人員誤入危險作業(yè)區(qū)時，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警及LED屏顯示提示，同時掘進(jìn)機(jī)和皮帶運輸機(jī)停機(jī)閉鎖；當(dāng)監(jiān)測到人員撤離危險作業(yè)區(qū)后，司機(jī)可以重新啟動掘進(jìn)機(jī)；當(dāng)掘進(jìn)機(jī)停止作業(yè)后，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警提示，LED屏顯示停止作業(yè)、人員可入。

2.2 掘進(jìn)機(jī)前部監(jiān)測

在掘進(jìn)機(jī)前端朝向截割部安裝一組紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭共同監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)前方截割部區(qū)域。采用紅外熱釋識別和視頻識別相結(jié)合技術(shù)，監(jiān)測更加及時準(zhǔn)確全面，可靠性高，有效防止誤動作。

裝置具體工況如下：當(dāng)掘進(jìn)機(jī)停止作業(yè)時，工作人員進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)截割部區(qū)域進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，在掘進(jìn)機(jī)前端朝向截割部安裝有紅外熱釋傳感器和視頻攝像頭對人員進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測到截割部區(qū)域內(nèi)有人員作業(yè)時，始終保持掘進(jìn)機(jī)截割部的閉鎖直至作業(yè)人員撤離截割區(qū)域，防止掘進(jìn)機(jī)截割部誤動作對作業(yè)人員造成傷害。

3 功能特點

此裝置的主要創(chuàng)新點在于其基于紅外識別和視頻識別相結(jié)合的原理，監(jiān)測更加迅速準(zhǔn)確全面，可靠性高。在掘進(jìn)機(jī)工作和停機(jī)支護(hù)作業(yè)過程中可以連續(xù)監(jiān)控危險區(qū)域，通過設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)周圍的熱釋電紅外線傳感器和視頻攝像頭實時監(jiān)測危險區(qū)域，并通過報警燈和語音報警器對人員進(jìn)行危險傳達(dá)。

安裝此裝置后可將掘進(jìn)機(jī)使用的柵欄門和炮頭蓋去掉，使采掘工作面的生產(chǎn)更為方便和順暢；同時，將原來的機(jī)械主動防護(hù)變?yōu)殡娖髯詣颖Ｗo(hù)，提高了安全程度，杜絕了因人工操作失誤而造成的不必要傷害。人機(jī)閉鎖保護(hù)裝置的安裝和應(yīng)用，實現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)運轉(zhuǎn)區(qū)域的動態(tài)安全監(jiān)控，提高了相應(yīng)區(qū)域機(jī)械傷害防護(hù)的可靠性，實現(xiàn)了相應(yīng)區(qū)域的本質(zhì)安全化。

4 結(jié)語

基于視覺識別及紅外人身檢測的安全閉鎖裝置主要以熱釋電紅外線傳感器的探測原理為基礎(chǔ)，設(shè)置有紅外線傳感器及全套裝置，可自動監(jiān)掘進(jìn)機(jī)工作面危險區(qū)域。若有人員進(jìn)入，則發(fā)出聲音報警信號，同時輸出閉鎖控制信號，立即切斷電源，停止掘進(jìn)機(jī)的運轉(zhuǎn)，保證采掘工作區(qū)域工作人員的安全。