基于雷达测距的工作面进尺在线监测系统.pdf

第 4 4卷 第 1期 2 0 1 8年 1 月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n V0 1 ． 4 4 NO ． 1 J a n ．2 0 1 8 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 1 0 0 3 1 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 1 7 2 8 0 基于雷达测距的工作面进尺在线监测系统 张 庆华 。 ， 宁 小亮 ， 赵 旭 生 ， 邓敢 博 1 ． 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 瓦斯灾 害监控与应急技术国家重点实验室，重庆4 0 0 0 3 7 摘要 传统的静态人工测量技术获取的工作面进尺非连续、 时效性差， 无法满足在线实时预警的要求， 对该 问题 ， 设 计 了基 于雷达 测距 的 工作 面进尺 在 线监 测 系统 。该 系统采 用应 答 式和 反射 式 雷达 测距 传 感 组合布置工艺， 克服 了反射式测距雷达测量距 离小的不足 ， 解决 了应答式测距 雷达安装 维护 困难、 难以实 测距的问题。分析 了雷达测距原理 ， 并开发 了由反射式和应答式雷达测距传感器构成的矿 用本质安全型 达测距传感器。测试结果表 明， 该系统能够稳定、 可靠地实现工作面进尺在线监测、 实时采集与分析 ， 当测 距 离小于 2 0 0 m 时 ， 最 大绝对误 差 为 0 ． 2 4 m， 测 量距 离和精 度 能 够满足 瓦斯 灾害预 警的要 求 。 关键 词 瓦斯 预警 ；工作 面进尺 监 测 ；雷达 测距 ；传感 器组 合布 置 ；动 态定 位 中图分类号 TD 7 1 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 1 2 1 4 1 3 2 7 网络出版地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 7 1 2 1 3 ． 1 3 3 7 ． 0 0 2 ． h t ml On l i ne mo ni t o r i n g s y s t e m o f wo r k i ng f a c e f o o t a g e ba s e d o n r a d a r r a ng i ng ZHANG Qi n g h u a 一， NI NG Xi a o l i a n g 一， ZHAO Xu s h e n g 一，DENG Ga n b o 1． CCTEG Cho ngq i n g Re s e a r c h I ns t i t u t e，Cho ng q i ng 4 0 00 3 9，Chi n a；2． St a t e Ke y La b or a t or y f or Ga s Di s a s t e r M o n i t o r i n g a n d Eme r g e n c y Te c h n o l o g y ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e wo r k i n g f a c e f o o t a g e a c q u i r e d b y t r a d i t i o n a l a r t i f i c i a l s t a t i c me a s u r e me n t t e c h n o l o g y h a s no n c on t i nu ou s a nd p o o r t i me ～ e f f e c t i v e n e s s，a nd c a nt s at i s f y r e qu i r e me nt of on l i ne r e a l t i m e wa r ni n g．Fo r t he a b ov e p r ob l e m ， a n o n l i ne mo ni t or i n g s y s t e m o f wo r ki ng f a c e f o ot a ge ba s e d o n r a d a r r a ng i ng wa s de s i g ne d． The s y s t e m u s e s c o m b i na t i on a r r a n ge m e nt pr o c e s s of r e s p ons e r a da r r a ng i ng s e ns or a nd r e f l e c t i o n r a da r r a n gi n g s e n s o r t o o ve r c o m e s h or t c o m i n gs o f s ho r t m e a s u r i ng r a ng e o f t he r e f l e c t i o n r a d a r a nd s o l ve pr ob l e m o f di f f i c ul t i n s t a l l a t i p n a nd m a i nt a i n a nc e o f t h e r e s p o ns e r a da r ．Pr i n c i p l e of t he r a d a r r a n g i n g wa s a n a l y z e d ，a n d mi n e u s e d i n t r i n s i c a l l y s a f e r a d a r r a n g i n g s e n s o r c o mp o s e d o f t h e r e f l e c t i o n r a d a r r a n g i n g s e n s o r a n d r e s p o n s e r a d a r r a n g i n g s e n s o r wa s d e v e l o p e d ．Th e t e s t r e s u l t s h o ws t h a t t h e s y s t e m c a n s t a bl y a n d r e l i a bl y r e a l i z e on l i ne mo ni t or i n g，r e al - t i m e c o l l e c t i o n a nd a na l y s i s of wo r ki n g f a c e f o o t a g e．W he n m e a s u r i ng d i s t a nc e i s l e s s t ha n 20 0 m ， t he m a x i m u m a b s ol ut e e r r o r i s 0．2 4 m ，a nd t h e m e a s u r i ng di s t a nc e a nd a c c u r a c y c a n me e t t he n e e d s o f g a s d i s a s t e r e a r l y wa r ni ng． Ke y wo r d s g a s e a r l y wa r n i n g；wo r k i n g f a c e f o o t a g e mo n i t o r i n g；r a d a r r a n g i n g；s e n s o r c o mb i n a t i o n a r r a ng e m e nt ；dy na mi c pos i t i on i ng 收稿 日期 2 0 1 7 0 9 1 8 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 1 1 1 5 } 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 6 YF C 0 8 0 1 4 0 4 ； 重 庆市“ 科技创新领军人才支持计划” 资助项 目 C S TC KJ C XL J RC 1 4 ； 中国煤炭科 工集团有限公司科技创新基金资助项 目 2 0 1 3 Z D 0 0 2 。 作者简介 张庆华 1 9 7 9 一 ， 男 ， 山西运城人 ， 副研究员 ， 硕士 ， 研究方向为煤矿安全技术及装备 ， E ma i l z q h c q mk y 1 6 3 ． c o m。 引用格式 张庆华 ， 宁小亮 ， 赵旭生 ， 等． 基于雷达测距 的工作 面进尺在线监测 系统 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 1 3 1 - 3 4 ． ZHANG Qi n g h ua ，NI NG Xi a o l i a n g，ZHAO Xu s he n g，e t a 1 ． On - l i n e mo n i t o r i n g s y s t e m o f wo r k i n g f a c e f o o t a ge b a s e d o n r a d a r r a n g i n g [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 8 ， 4 4 1 3 1 3 4 ． 针器 时 雷量 3 2 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 0 引言 中国是世界上瓦斯灾害最严重的国家之一 ， 而 且随 着开采 深度 和强度 的增 大 ， 瓦斯 灾 害 日益严 重 。 防治瓦斯灾害一直是我国煤矿安全生产工作的重中 之重[ 1 ] 。灾害预警作为事故防范的首要环节， 能够 对安全隐患进行超前 、 全方位的预测分析。瓦斯灾 害预警技术 目前在煤矿现场 已得到较好应用 ， 对 瓦 斯隐患的监测与分析 、 管理水平的提升、 瓦斯事故的 预 防等起 到 了积 极作 用 [ 5 _ 8 ] 。煤 矿 井 下 动 态变 化 的 地理空间信息作为瓦斯灾害预警过程中至关重要的 参数 ， 是判断工作面与危险源空间距离的基础。但 基于传统的静态人工测量技术获取的工作面进尺是 非连 续 的 ， 时效性 差[ 9 ] ， 无 法满 足在线 实 时预警 的要 求。鉴此 ， 本文基于雷达无线测距方法 ， 设计了煤矿 井下工作面进尺在线监测 系统， 为瓦斯灾害预警过 程中动态定 位 危 险源空 间位 置 提供 实 时 的监测 数据 。 1系统 总体 思路 基 于雷达 测距 的工作 面进 尺监测 系统 的基本 思 路是借助井下监控环网和地面办公局域 网， 利用雷 达无线测距传感器 ， 并依托进尺监测服务器 、 客户端 及配套软件系统， 实现工作面进尺在线监测 、 采集与 分析 ， 为瓦斯灾害预警过程中判断工作面与危险源 距离提供实时 、 动态基础数据。具体监测步骤 首先 在井下工作面布置雷达测距传感器对进尺进行实时 监 测 ， 同时将 传感器 接人井 下监 控环 网 ， 将监 测数 据 传输至地面； 其次在地面利用进尺监测服务器对监 测数据进行动态采集与存储 ； 最后利用进尺在线监 测分 析 与管理 系统对 采集 的进 尺数据进 行信 息化 管 理 与分 析 。系统总体 架构 如 图 1所示 。 2系统 实现 方法 根据信号接收方式不 同， 雷达测距传感器可分 为反射式和应答式 2类。研究测试 发现 ， 在煤矿井 下 复杂环 境下 ， 反射 式 雷 达 测距 传 感 器 的有 效 监 测 距 离在 3 0 m 以 内 ， 测 量距 离 过短 ， 难 以满 足现 场 实 际需求 ； 而应答式雷达测距传感器的监测距离大于 2 0 0 m， 单从测量距离上看应答式雷达测距传感器 可较好满足进尺监测要求 ， 但在工作面动态采掘过 程 中 ， 工作 面 位置在 不断 向前推 进 ， 应答 式 雷达测 距 传感器需要不断地变换位置， 安装 、 维护复杂， 不能 达 到 实 时 监 测 的 目的 。 鉴 于 此 ， 系 统 采 用 应答 式 和 图 1 基于雷 达测距 的工作 面进尺监测系统总体架构 Fi g ． 1 Ov e r a l l a r c hi t e c t u r e o f o n - l i n e mo n i t o r i n g s y s t e m o f wor k i n g f a c e f oo t a ge ba s e d o n r ad a r r a n gi ng 式雷 达测距 传感器 组合 布置 的方式 实现在线 监测 。 具体实现方法 在工作面 以掘进工作面为例 后方布置 2台雷达测距传感器 J ， J 。 。其中 J 为反 射式雷达测距传感器， 悬挂于工作面后方 3 0 m 以 内， 随着工作面向前推进而定期前移 ， 用于实时测量 J 与工作 面 之 间 的距 离 S 。J 为 应答 式 雷达 测 距 传感器， 悬挂于 J 后方 2 0 0 m 以内， 随着工作面向 前掘进而定期前移 ， 用 于实 时测量 J 与 J 之 间的 距离 S 。 。2台雷达测距传感器接入井下监控环 网， 将监测的进尺数据实时传输至地面 ， 在地面以办公 局域 网为 依托 ， 利 用 进 尺监 测 服 务器 实 时 采 集 与存 储监 测数 据 ， 同时利 用安 装 在 客 户端 上 的 进 尺在 线 监测分析与管理系统对工作面进尺数据进行管理与 分析 。工作面前方 的危险源可通过前期的探测与分 析得到， 设其与工作面开 口的距离 为 S 。 ， 由于传感 器 J 与工 作面 开 口距 离 S 。已知 ， 所 以采 掘过 程 中 只要实时监测 S 和 S ， 便可得到工作面当前位置 与危 险源 的距离 S 一S 。 一S 一S 一S 。 。因 此 ， 实现 工作 面进 尺监测 技术 的关键 就是采 掘过程 中实时监 测传感器 J 。 与工作面之间的距离 s S S 。 。 由上述分析可知， 应答式和反射式雷达测距传 感器组合布置的工艺方法不仅克服了单独使用反射 式雷达测距传感器测量距离小 的不足 ， 而且解决 了 单独使用应答式雷达测距传感器存在的安装与维护 困难 、 难 以实时测 距 的问题 ， 工作 面采掘 过程 中只需 2 0 1 8年 第 1 期 张庆华 等 基 于 雷达 测距 的 工作 面进尺 在线 监 测 系统 3 3 定 期 前移 传感 器 ， 即 可较 好 地 实 现 工 作 面 进 尺 在线 监测 。 3雷 达测 距传 感器 测距 原 理及 性能 反射 式 雷 达 测距 传 感 器 原理 由雷 达 主机 发 出 雷 达 波 ， 同时侦 测接 收 目标 的反射 信 号 ， 自由捕 获 目 标 物 的距 离信 息 ， 用 于 近距 离 目标 的跟踪 与监 测 。 应答 式 雷 达 测距 传 感 器 原理 由雷 达 主 机 发 出 雷 达 波 ， 并 接收 由应 答器 转发 的信 号 ， 这种 方式 转发 信 号 强 ， 雷 达作 用 距 离远 ， 抗 干 扰 能力 强 ， 用 于远 距 离 目标 的测量 。 雷达测 距 传感 器 与 目标 之 间 的距 离 D 的计 箅 公 式 。 。 为 D 一 1 式 中 C为 光 速 ， m／ s ； 丁 为 信号 在 雷 达 测 距 传 感 器 与 目标 之 间单边 传播 的 时间 ， S 。 煤 矿井 下环 境 恶 劣 ， 粉 尘 多 、 湿 度 大 、 作 业 场 所 人 员 密度大 、 仪 器设 备多 。因此 ， 雷达测 距 传感 器要 能 较好 地适 应 井 下 复 杂 的 环 境 ， 且 具 有 精 度 高 、 轻 便 、 安装 与 维护 简单 、 不 干 扰 生产 、 防爆 性 能好 等 特 点 ， 为 此开 发 了 G J L 3 0矿 用本 质 安全 型 雷 达测 距 传 感 器 图 2 。每套 传感 器 南 l台反 射 式 传 感 器 和 1 台应答 式传 感器 构 成 ， 应 答 式 传 感器 的 应答 器 集 成 于 反射 式传 感 器 内 。2台传 感 器 的外 形 尺 寸 长 宽 高 均 为 3 0 0 mm1 2 O mm5 0 mm， 质量 约为 1 ． 5 k g ， 整套 系统 的测 量距 离 大 于 2 0 0 m， 设计 测 量 绝对 误 差小 于 0 ． 3 m， 测量 频率 为 5 ～1 0 Hz ， RS 4 8 5 通 信 条件 下 信 号 最 大 传 输 距 离 为 5 k m。 传 感 器 尺 寸 、 质 量 、 测 量频 率 、 测 量 范 围及 误 差 、 传 输距 离 等各 项 参数 能较 好地 满 足 预警 需 求 ， 同 时也 便 于 现 场 安 装 与维 护 。 图 2 雷 达 测距 传 感 器 样 机 Fi g． 2 Pr o t ot y pe of r a da r r a ng i n g s e ns or 4测试 分析 在 某 风 洞 试 验 巷 道 对 整 套 测 距 系 统从 进 尺 监 测 、 传输 、 采 集 到信 息 化 管理 进 行 了联 机 测 试 ， 测 试 方 案 如下 。 1 传 感 器布置 方 案如 图 3所示 ， 存 A 处 没置 一 块 挡 板模 拟工 作 面煤 壁 ， 挡 板 向前 移 动 表示 工 作 面推 进 。 I刘 3 传 感 器 布 置 方 案 Fi g．3 Se ns or a r r a nge m e nt 2 将 传 感 器 J 悬 挂 在 A 处 ， 与 挡 板 距 离 为 S ， 初 始 距 离 S 一 5 m， 挡 板 不 断 向 前 移 动 ，当 S 一3 0 m 时 ， 再 将 传 感 器 J 向 前 移 动 至 距 挡 板 5 m 处 ， 如此循 环 。 3 将 传感 器 J 悬挂 在 A 。处 ， 与 传感 器 J 初 始距 离 S 一1 0 i n ． 其悬 挂保 持位 置不 变 。 4 根 据 在 模 拟 巷 道 中 的 实 际 测 试 条 件 ， 每 1 0 i n测量 1次 实 际 进 尺 ， 并 与 雷 达 测 距 数 据 进 行 对 比 。 按照 上述 方 案 ， 实 际测 试 总距 离 为 3 0 4 ． 1 6 m， 共测 试 了 2 7 组 数 据 ， 测 试 现场如 图 4所示 。 l刳 4测 试 现 场 Fi g． 4 Te s t s i t e 联机 测试 实现 了 丁作 面 进 尺 的 在线 监测 、 可靠 传 输 、 实 时采集 和 信 息 化 管 理 与 分析 。罔 5为进 尺 在线 监测 分析 与 管理 系统 中 示 的 当前 进 尺 曲线 。 雷达 测距结 果 与实 际距 离 对 比如 图 6所示 。当测试 距 离 小 于 1 9 3 ． 9 6 m时 ， 最 大 绝 对 误 差 为 0 ． 2 4 m； 当 陶 5 当 前进 尺 曲 线 Fi g． 5 The c u r v e o f c ur r e nt f oot a ge 2 8 46， 一 8 4 3 4 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 吕 键 序 号 图 6 测试结果 Fi g． 6 Te s t r e s ul t s 测 试距离小 于 2 2 8 ． 7 1 1T I 时 ， 最大绝对误 差为 0 ． 2 9 m； 当测试测距大于 2 3 9 ． 1 m 时 ， 最大绝对误差为 0 ． 9 9 r f l 。 由此可 以看 出 ， 随着 测量距 离 的增大 ， 误差呈 增大 趋 势。因此， 在实际使用过程中 ， 建议测量距离小于 2 0 0 1T I 5 结论 1 基于雷达无线测距原理 ， 设计 了集井下雷 达实时测距 、 地面动态采集及信息化管理与分析等 功能为一体的工作 面进尺在线监测系统 ； 提出了应 答式和反射式雷达测距传感器组合布置工艺 ； 开发 了防尘 、 防潮 、 便 于安 装 和维 护 的 G J L 3 0矿 用 本 质 安全型雷达测距传感器和工作面进尺在线监测分析 与管 理系统 。 2 测试结 果 表 明 ， 该 系统 可 实 现 工作 面进 尺 在线 监 测 、 实 时 采集 与分 析 ， 测 量 距 离 在 2 0 0 I T 1 以 内时 ， 最大 绝对误 差 为 0 ． 2 4 m， 测 量距 离 和误 差 能 够满 足瓦斯 灾 害预警 的需 求 ， 可 为 预警 过 程 中判 断 工作面与危险源距离提供实时的基础数据 ， 对提高 预警 及时性 和准 确性 具有重 要支撑 作用 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 3] [ 4] [5 ] [6 ] [7] [8 ] [9] [1 ] 于不凡．煤矿瓦斯灾 害防治及利用技术手册[ M] ．北 L 1 O ] 京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2] 胡千庭．预防煤矿瓦斯灾 害新技术 的研究 E J ] ．矿 业 安全 与环保 ， 2 0 0 6 ， 3 3 5 卜7 ． HU Qi a n t i n g ． S t u d y o n n e w t e c h n i q u e s f o r p r e v e n t i n g g a s d i s a s t e r i n c o a l mi n e s [ J ] ． Mi n i n g S a f e t y En v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n，2 0 0 6 ，3 3 5 l 一 7 ． 俞启香．矿井瓦斯 防治E M] ．徐州 中 国矿业 大学 出 版社 ， 1 9 9 2 ． 李学来 ， 刘 见中．瓦斯灾害治理新技术E J ] ．中国安全 科学学报 ， 2 0 0 4 ， 1 4 7 1 0 1 - 1 0 4 ． LI Xu e l a i ，LI U J i a n z h o n g ．Ne w a c h i e v e me n t s o f g a s c o n t r o l t e c h n o l o g y l, J ] ．C h i n a S a f e t y S c i e n c e J o u r n a l ， 2 0 0 4， i 4 7 1 0 1 - 1 0 4 ． 文 光才 ， 宁小亮 ， 赵旭生．矿井煤 与瓦斯突 出预警技 术及其应用E J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 5 5 5 8 ． W EN Gua n ge a i ，NI NG Xi a ol i a n g，ZH AO Xu s he n g． Co a l a n d g a s o u t b u r s t e a r l y wa r n i n g t e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o n i n c o a l mi n e[ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，2 0 1 1 ， 3 9 2 5 5 5 8 ． Z HAO Xu s h e n g，HU Qi a n n t i n g，NI NG Xi a o l i a n g ． Re s e a r c h on c o mpr e he ns i v e e a r l y - wa r n i n g t e c hn ol o gy o f c o a l a n d g a s o u t b u r s t [ J ] ．P r o c e d i a E n g i n e e r i n g ， 2O1 l， 2 6 2 37 6 2 38 2 ． 宁小亮．煤与瓦斯突 出灾害监控 预警技术 E J ] ．中国 安全生 产， 2 0 1 6 9 5 0 5 1 ． 宁小亮 ， 蒲 阳．基 于矿压监测 动态特征的瓦斯突 出预 警系统设计 l- J ] ．工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 3 1 0 1 3 ． NI NG Xi a o l i a n g ，P U Ya n g ． De s i g n o f e a r l y - wa r n i n g s y s t e m o f ga s ou t bur s t b a s e d on dy na mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f p r e s s u r e mo n i t o r i n g[ J ] ．I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n，2 0 1 5， 4 1 3 1 0 - 1 3 ． 饶家龙 ， 刘胜 ， 邱 飞．基 于 n a n 0 P A N5 3 7 5的矿用 无线 测距系统研 究 [ J ] ． 自动 化 与 仪 器 仪 表 ， 2 0 1 6 7 17 1 ～ 1 7 2 ． RAO J i a l o n g ，LI U S h e n g ，QI U F e i ．Th e r e s e a r c h o n de s i gn a n d ap pl i c a t i on of wi r e l e s s r a ngi ng s y s t e m b a s e d o n n a n o P AN5 3 7 5 a p p l i e d i n mi n e[ J] ． Au t o ma t i o n＆ I n s t r u me n t a t i o n ，2 0 1 6 7 1 7 1 1 7 2 ． 徐驰 ， 刘纪元 ， 焦学峰 ， 等．雷 达测 距系统 中一种 改进 的 测 距 算 法 [ J ] ． 电 子 设 计 工 程 ， 2 0 1 3 ， 2 1 1 1 O3 1 O 6 ． XU Ch i ， L I U J i y u a n ， J I AO Xu e f e n g，e t a 1 ． An i mpr ov e d r a ng i ng a l g or i t h m i n r a d a r r a ng i n g s y s t e m E J ] ．E l e c t r o n i c D e s i g n E n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ， 2 1 1 ] O3 一 】 O 6 ． g＼ i H 疆 Ⅱ H U Ⅱ U Ⅱ 雌盟 ■■●■■l ■● ■ ●● ■ ■■ ■■I ■ ■■■●■I l■■■ ■■ I“ n幢腿 挂9 离差 州 删h 一