煤矿井下装备接近探测方法研究(1).pdf

第 4 3卷 第 1 期 2 0 1 7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 Vo 1 ． 4 3 NO ．1 J a n．2 O 1 7 。’ 。 ’ 。 ’ i科研成果 ． ◆ ．I1 ．． 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 7 0 1 0 0 0 1 0 4 包建军． 煤矿井下装备接近探测方法研究E J ] ． DoI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 ～ 2 5 l x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 0 1 工矿 自动 化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 - 4 ． 煤矿井下装备接近探测方法研究 包建 军 1 ． 中煤 科工 集 团常州研 究 院有 限公 司 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动 化股 份有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 摘 要 在 分析 主流接 近探 测技 术特 点和应 用现状 的基 础上 ， 提 出基 于 高精度 无 线测距 和三 维定位 的 井下 装 备接 近探 测方 法 。该 方 法用对称 双 向到达 时 间无线 测距 方 法测 量 个人 标 签到探 测 器的距 离 ， 通 过三 维 最 小二 乘法计 算 个人标 签相 对于移动 设备 的精 确 坐标 ， 最后 通过 区域设 定 和判 断得 出探 测 结果 。现 场试 验 结 果表 明 ， 该 方 法可 以 实现设 备 周边 3 6 0 。 无 死 角探 测 ， 与 R S S I方法 和磁 场 区域 标识 方 法相 比， 具有 定位 精 度 高 、 响 应 时间短 、 配置 简便 等 特 点。 关键 词 接 近探 测 ；无线测 距 ；精确 定位 ； 碰 撞避 免 中图分 类号 T D 6 5 5 ． 3 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 3 0 0 9 2 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． 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 0 1 6 1 2 3 0 ． 0 9 2 9 ． 0 0 1 ． h t m1 Re s e a r c h o n pr o x i mi t y de t e c t i o n me t ho d f o r ma c h i ne s i n c o a l mi ne B AO J i a n j u n ， 1． CCTEG Ch a ng z ho u Re s e a r c h I ns t i t ut e ，Ch a ng z ho u 2 1 3 0 1 5，Chi n a； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，L t d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n a na l y s i s of d i f f e r e nt p r op e r t i e s a n d a pp l i c a t i o n s t a t u s o f ma i n s t r e a m pr o xi m i t y de t e c t i o n m e t ho d s f or ma c hi n e s i n c o a l mi ne ， a n ov e l p r ox i mi t y d e t e c t i o n me t h o d us i ng hi gh wi r e l e s s p r e c i s i o n r a n g i n g a n d t h r e e d i me n s i o n a l l o c a t i o n t e c h n o l o g y wa s p r o p o s e d ． Th e me t h o d u s e s wi r e l e s s di s t a nc e m e a s u r e me n t m e t ho d S DS TW TOA t o m e a s u r e d i s t a nc e be t we e n pe r s o na l t a g a nd d e t e c t o r， c a l c ul a t e s p r e c i s e c oo r di na t e s o f p e r s on a l t a g r e l a t i v e t o mob i l e d e v i c e t hr o ug h t hr e e d i me n s i on a l l e a s t s q u a r e s me t h o d ，a n d f i n a l l y o b t a i n s d e t e c t i o n r e s u l t t h r o u g h r e g i o n a l s e t t i n g a n d j u d g me n t ．F i e l d t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d me t h o d c a n a c h i e v e 3 6 0 。 d e t e c t i o n a r o u n d t h e e q u i p me n t ， a n d h a s c h a r a c t e r i s t i c s of h i gh p os i t i on i ng a c c ur a c y，s ho r t r e s po ns e t i m e a n d c o n ve ni e n t c o nf i gu r a t i o n c o m p a r e d wi t h RS S I me t h o d a n d ma g n e t i c f i e l d ma r k e r me t h o d ． Ke y wo r ds pr o x i mi t y d e t e c t i o n；wi r e l e s s r a ng i ng；p r e c i s i on l o c a t i o n；c o l l i s i on a v oi d a n c e 0 引言 随着采煤 自动化技术与装备 的发展 ， 连续采煤 机、 掘锚机、 梭车、 锚杆机 、 破碎机等多种井下移动设 备已经广泛使用于采掘工作面 。大型移动设备的使 用在提高煤矿生产率的同时 ， 也带来安全隐患 由于 收稿 日期 2 0 1 6 - 1 2 0 6 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 1 2 1 6； 责任编辑 胡娴 。 基金项目 中国煤炭科工集团科技创新基金项 目 2 0 1 6 MS 0 1 9 。 作者简介 包建 军 1 9 7 5 一 ， 男 ， 江苏如皋人 ， 高级工程师 ， 硕士， 主要研究方 向为煤矿网络通 信与 自动化 ， E ma i l b a o j j t o m． c o rn。 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 J f 下作业 空 『 日 J 狭小 、 光线 不 足 、 设 备 体积 噪 声 大 ， 操 作 人员 往往视 线 、 听 力受 阻 ， 极 易造成 设 备对 人员 的 挤 压伤 害事 故 。 据美 同联 邦 矿 山 安 令 健 康 局 MS HA 技 术 报 告 ， t t 1 9 8 4年 在井 下推广 使用 远程遥 控连 续采 煤机 以米 ， 至 2 0 1 0年美 煤 炭行 业 已 发生 3 3起 采煤 机 挤压 或撞击 引起 的死 事故 ， 梭车 发生 l 2起 死亡 事 故 ， 其 他移 动 没备 如掘 锚 机 、 锚 杆 机 、 铲 斗 车 也存 不 同 程 度 的 伤 人 或 撞 车 事 故 。 澳 大 利 亚 2 0 l 1 年统计数据表明， 连续 3 年煤 矿井下作业共 发生 伤害事故 4 6 3 3起 ， 其 巾与 设 备 相 关 的 有 2 1 4 9起 ， 约 占总数 的 4 6 【 。 本 文首 先分析 了 当前 主流 的移 动设 备接近 探测 系统 实现原 理 ， 讨论 其在 应用 时 的局 限性 ； 继 提 出 基于 高精度 无线测 距 和 _一维 定位实 现接 近探测 的方 法 ， 通过 解析 系统关 键技 术的 实现 、 分析 比较试 验结 果 。 证明所提 方法 的可行性 和有 效性 。 l典 型接近 探测方 法 露 天矿 移 动 没 备接 近 监测 系统 通 常 采 ．H j G P S 车 1 I 毫 米波雷 达技 术 。但是 ， 这 种 技 术 无 法 应 用在 ， f 下 ， 凶为井 下没 有 G P S信号 ， 而 雷 达 波 为 空 问 狭 窄 和多径反 射 容易 造 成 误 判 ， 较 难 实 际应 川 。其 他 如 图像 识 别 技 术 I ma g e R e c o g n i t i o n ， I M 、 激 光 探 洲 与测 量 I i g h l De t e c t i o n a n d R a n g i n g ， I i D AR 技 术 。 虽 然在地 面无 人驾驶 领域 广受 关注 ， 但 『1 1 于 J { 下 光线 与煤 尘影 响 ， 实 际效果 满 足不 了应H j 需 求 。 口前主流 技术 主 要 有 两 类 基 于 RF I D 的接 收 信号 强 度 指 示 Re c e i v e d S i g n a l S t r e n g t t l I n d i c a t i o n， RS S I 方 法 和 磁 场 域 标 识 Ma g n e t i c F i e l d Ma r k e r 方法 。 采 用R S S I技 术 的 代 表 性 产 品 是C AS Co l l i s i o n Av o i d a n c e S y s l e m 系统 。CAS系统采 H 】 1 3 3 MHz的 RF I D 标 签 ， 标 签 识 别 距 离 ～ 1 0 0 m 内可捌 ， 安装 往 机 械 没备 卜的接 收 器 通 过 监 测 标签识 别矿 工是 否 进 入 危险 域 ， 从 i 『 Ii 达 到 防碰 撞 的 目的 ， 如图 1 所 示 。 R S S I 方 法依 据 无 线信 号 的 传输 损 耗 模 型判 断 个 人携带 的标 签与 移 动 设 备 问的 距 离 ， 测量 精度 比 较 低 ， 平 均误差 通常 超过 5 m， 域 范 同仪能 片 J 同心 圆来粗略 设定 ， 此 ， 一 般 利用 R S S I 方 法 没计 接 近 警 告系统 。因无法 在 设 备上 精 确 设 定操 作 区 域 ， 所 以 ， R S S I 方 法不能 实现 自动停 机 。 l 1 RS S I 方 法 采 片 j磁 场区 域 标 识 方 法的 产品 以 Ha z a r d Av e r t 系 统 为 代 表 。 该 系 统 采 用 称 为 G e n e r a t o r的 装 置 产 生 椭 圆 体 磁 场 覆 盖 ， 多 台 ； e n e r a t o r装 置 可 以在 移 动 装 备 周 边 建 立 复 杂 的 维磁 场 域 。每个井 下作 业人 员随身 佩戴个 人警 告装置 P e r s o n a l Al a r m De v i c e ， P AD ， P AD 一 旦 进入 磁 场 标 识 区 域 ， 就 会被 系 统 精 确 识 别 ， 如 图 2 所 示 2 磁 场 区 域 标 识 方法 磁 场 域 标识 方 法 的 位 置 探 测 精 度 可 以达 到 l r n以内 ， 但 是 由 于 每 个 Ge n e r a t o r 装 置 仅 能 建 _上 椭 圆体 区域 ， 多个 区域 重叠 形 成 的磁 场 覆 盖 形状 具 有局 限性 ， 并 且 限 制 了 Ge n e r a t o r 装 置 在设 备 上 的 安装位 置 ． 系统 的灵活 性和 可靠性 受到很 大 的约束 ， 另一方 面 ， r n 于 Ge n e r a t o r 使 j 甘的是 低频 电 磁场 。 容 易受 到采煤 现场 变频 器 等 设 备 的 扰 ， 从 而 影 响实 际使 效果 。 2 高精 度 无线定 位接 近探 测方法 高 精度 无线定 位接 近探 测方法 是通过 在设 备 卜 安 装 多台无线 定 位探 测 器 、 作业 人 员携 带 定位 标 签 实现 的 。泼方法包 括 3个 主要步骤 ① 用对 称 双边 双 『 ，口 J 剑 达 日 寸IⅥ S y mme t r i c D o u b l e S i d e s TW O Wa y Ti me o f Ar r i v a l ， S DS TW T A 无 线 测 距 方 法 测 量个 人标 签 到每 一个 探 测 器 的 距 离 。② 以设 备 鑫一 2 0 1 7年 第 1期 包建军 煤 矿 井下装备 接近探 测 方 法研 究 3 中心 为 维 坐 标 原点 ， 通 过 维 最 小 二 乘 法 I ． e a s t S q u a r e ． L S Q 计 ‘ 箅 个人 标 签 相 对 于 移 动 没 备 的 精确 坐标 。③ 判断 个人标 签坐 标所 处 位置 ， 作 f n 警 告或 停机 动作 。 2 ． 1 S DS TW T A 无 线 测 距 假定需 要测 量 节点 A与 B之 问 的距离 ， 节 点 A 向节 点 B发送测 距 帧 R ， 节 点 B向节 点 A 返 响 应 帧 R 点 A 向 点 B发送 二 次响应 帧 R 。 ， 点 A 与 B之问 的距离 可』 { j 式 1 求 得 。 1 ， ” 一_ -1 T b十 1 1 k 丁[1 l T ll 1 式 中 为 电 磁 波 传 播 速 度 常 数 一 3 1 0 m， ／ s ； T ， 为节点 A 自发{ “ 测 距 帧到 收到 响 应帧 问 的时 f u J 延迟 ； T 为节点 B 白发 出测 距 响应帧 到收 到二 次响 应 帧问 的时 问延迟 ； 了 、 ， 为节点 B 自收到测 距帧 到 发 出响应帧 问 的 时 问延 迟 ； 丁 为 节 点 A 自收 到 测 距 响应 帧 到发 f 【 I 二次响 应帧 问的 时间延 迟 。 S D S Tw T 八 无 线 测 距 方 法 的 优 点 根 据 电 磁 波传输 时 问推箅 距 离 ， 由于在 直 线距 离 L电磁 波 传输 时 最短 ， 所 以能 够 有效 克 服 电磁 波传 输 『 l1 1 的 多 径效应 ； 采用 双 对称方 法测 量 ， 可 以有 效排 除测 算误差， 从 提高整体测量精度。 2 ． 2 三 维 I S Q 定 位 没个 人标 签 的待 测坐 标 P 。 ， 定 位 探 测 器 是的坐标 P 一 z y ， 2 ． 走 ≥ 3 ， 待 测标 签 到 定位 参考点 是的距离 为 ， 则求 解 J 标 P的算 法 如 下所 述 。 根据 个 人 标 签 到 各 定 位 探 测 器 的 距 离 ， 考 虑 ■维平 面定位 环境 ． 可得 志 1 个 距离 方程 d，，一 ， 。 7 ∈ { 0． 1 ， ⋯ ， 是} 2 展 开式 2 后 ， 用 维 I S Q算 法得 到坐 标 P P 矩 阵 A 为 A 一 2 矩 阵 B为 Z ’ 0 ’ 1 ．3 20 一 2 -／ o j’ 3 ,To j’ A A A B 3 n 一 1 0 一 2 o ． Y 1～ 4 晤 d 一 d 一 y ； 一 y i d d i 一 ； y i ； 2 j d j d j ,2 - i 一 j y j j i 一 ； ； d 一d i i 一 r ； y i Lv z ； 一 2 0 2 ． 3 区域设 定与判 断 南于 个人标 签相 对 于 没备 的位 已经精 确计算 来 ， 所 以 ， 【 域 可 以 没定 成任 意多边 形并作 为参 数 置保存 于 没备 的存 储 器 巾 ， 一 个典 型 的 没定 方 案 冈 3所 示 。 I冬 l 』 x 域 I艾 j 0 j 0 罔 3的中心 域 是 一 台梭 4 的俯 视 图 ， 在 梭 车 的驾驶窜 内标 号为 1的 域 为操 作 区域 ， 当标 签 处 于该 区域 时 ， 没备 正常运 行 ； 标 号为 2的区域 为危险 J x 域 ， 当标签进 入 该 域 时 ， 没 备 自动停 机 ； 标 号 为 3的 区域 为警告 域 ， 当标 签进 入这 个 区域 时 ， 系统 发出双 向预警 。 3接近 探测 装置 接近 探测 装 共包括 4种 没备 ， 分别 为控制 器 、 探 测器 、 示器 卡 集 成 个 人标 的信 息 化 矿灯 ， 如 图 4所 示 。 控制器 r4 接 近 探 洲 装 置 控制 器 是接 近探 测 装置 的 核 心 ， 采 用 1 2 7 V 交 流供电， 负责向探测器供 电并传输 定位信息与动作 指 示 ； 探测 器 负责 与 个 人标 通 信 并实现 无 线测 距 1●●●J 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 功能 ， 同一台设备上可以安装多台探测器 ； 显示器用 来向驾驶员输 出设备周围人员实时位置信息及装置 工作状态。 4试验 过程 与分 析 为 了 检验 本 文 方法 的可行 性 和 有效 性 ， 设 计 了 全套 接 近检测 装 置 ， 车 载控 制 器 设 计 为 隔爆 兼 本 质 安全型 ， 探测器、 显示器和信息化矿灯均设计为本质 安 全 型 。 控 制 器 和 探 测 器 硬 件 部 分 采 用 基 于 AR M7的 多 任 务 E mb e d d e d os ， 显 示 器 采 用 基 于 An d r o i d的移 动嵌入 式平 台 。 试验在神华神东煤炭分公 司乌 兰木伦煤矿进 行 ， 该矿采用斜井 、 平硐联合开拓布置方式 ， 生产布 局 为一井 一 面 。试 验 时在掘 进工作 面 梭车 和连续 采 煤机 上各 安装 了一 套装 置 。 试验所用的梭车型号为 J OYI O S C 3 2 ， 一共安 装有 1台控 制器 、 6台探 测 器 和 1台 显示 器 。操 作 区域为驾驶室俯视平面范围， 停机区域为梭车前后 4 m、 两侧 2 m范围， 警告区域为梭车前后 6 m、 两侧 3 4 m 范 围 图 3 。 试 验所用 的连 续采煤 机 型号 为 J O Y一 1 2 C M1 5 ， 一 共 安装 有 1台控 制器 、 4台探 测 器 和 1台显 示 器 ， 操作 区域同样为驾驶室俯视平面范围， 停机 区域为 连续 采 煤机 周 边 5 m 范 围 ， 警 告 区域 为连 续 采煤 机 周边 7 m 范围 图 4 。 试验过程 中分别以 1 O台信息化矿灯 ， 从每个装 备 自身 和周边 不 同位 置 进 行 测 试 和统 计 ， 试 验 结 果 见表 1 。从表 1可以看 出， 本文所提方法的定位精 度 可达 0 ． 5 m 以 内， 定 位距 离 可达 1 0 0 m， 响应 时 间 可达 l s以内， 能够满足煤矿安全生产对 于井下设 备接近探测的应用需求 。 表 1接近探测方法试 验结果 5 结 语 提 出 了高精 度 无 线定 位 接 近探 测 方法 ， 并在 乌 兰木伦煤矿进行 了全面试验。试验结果表 明， 基 于 S D TW_ T oA无线测距 、 三维 L S Q定位和设备 区 域划分与判定 的接近探测方法实现了煤矿井下设备 接 近探 测及设 备 周边 3 6 0 。 无 死 角 探测 ， 解 决 了视 频 监 控方 式 的 局 限 性 问 题I 9 ] ， 与 RS S I方 法 和 磁 场 区 域标识方法相 比， 具有定位精 度高 、 响应 时间短、 区 域设定参数化 、 实用性强等特点。后续工作将着重 在 增加 系统 容量 、 选 择 优化 算 法 以提 高 定 位 可靠 性 等方面做进一步研究 。 参考 文献 [ 1 ] B UR GE S L I ME R I C K R ． I n j u r i e s a s s o c i a t e d w i t h u n d e r g r o u n d c o a l mi n i n g e q u i p me n t i n Au s t r a l i a E J ] ． Th e Er g o n o mi c s Op e n J o u r n a l ，2 0 1 1，4 Su p p l 2 - M2 6 2 7 3． [ 2 ] 韦海 良， 郭安斌 ，董文斌 ， 等．矿用 卡车毫米波雷达 防 碰撞 系统的研究与应 用E J - ] ． 煤矿安 全 ， 2 0 1 5 ，4 6 增 刊 1 4 3 4 7 ． E s ] RE I NA G，UND E R WO OD J ，B R OO KE R G，e t a 1 ． Ra d a r - b a s e d p e r c e p t i o n f o r a u t o n o mo u s o u t d o o r v e h i c l e s [ J ] ．J o u r n a l o f F i e l d R o b o t i c s ，2 0 1 1 ，2 8 6 89 4 91 3 ． [ 4 ] DA NE S C U R， NE DE VS C HI S ． P r o b a b i l i s t i c l a n e t r a c k i n g i n d i f f i c u l t r o a d s c e n a r i o s u s i n g s t e r e o v i s i o n [ J ] ．I E E E Tr a n s a c t i o n s o n I n t e l l i g e n t Tr a n s p o r t a t i o n S y s t e ms ，2 0 0 9 ， 1 0 2 2 7 2 2 8 2 ． [ 5 ] R O TAR U C，G R AF T， Z HANG J ． C o l o r i ma g e s e gme nt a t i o n i n HSI s p a c e f or a ut o mo t i v e a pp l i c a t i on [ J ] ．J o u r n a l o f Re a l T i me I ma g e P r o c e s s i n g ，2 0 0 8 ， 3 4 3 1 1 3 2 2 ． [ 6 ] L I J i n g c h e n g ， C A RR J ，J OB E S C 。 A s h e l b b a s e d ma g n e t i c f i e l d mo d e l f o r ma g n e t i c p r o x i mi t y d e t e c t i o n s y s t e ms [ J ] ．S a f e t y S c i e n c e ，2 0 1 2 ， 5 0 3 4 6 3 4 7 1 ． [ 7 ] 包建军 ， 霍振龙 ， 徐炜 ， 等． 一种 高精度井下人员无 线定 位方法口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 0 1 8 2 1 ． [ 8 3 王福豹 ， 史龙 ， 任 丰原．无 线传感 器 网络 中的 自身定 位系统和算法E J ] ．软件学报 ， 2 0 0 5 ， 1 6 5 8 5 7 8 6 8 ． [ 9 ] G OD WI N A，S C HWAB E N． Us i n g a c a s e s t u d y f a t a l i t y t o d e p i c t t h e l i mi t s o f p r o x i mi t y d e t e c t i o n s y s t e ms f o r a r t i c u l a t i n g ，u n d e r g r o u n d ma c h i n e r y [ J ] ． Sa f e t y Sc i e nc e ，2 01 6， 87 47 52 ．