智能綜采工作面人員感知定位控制系統研究

和志偉

（山西長治王莊煤業有限責任公司，山西長治 047102）

0 引言

由于礦井生產過程中，采煤工作面是一個非常重要的場所，在進行生產過程中，各個工作環節都必須處于時刻工作狀態，因此稍有不慎將會使位于采煤工作面的工作人員受到傷害。為了能夠最大限度地提高工作安全性，在采煤過程中引入智能化控制開采采煤工作面。依據人員定位系統，當工作人員攜帶者定位標簽卡在工作面工作時，在定位系統中能夠準確地對工作人進行定位，進一步可以得到工作人員的液壓支架編號。人員定位系統經過系統計算可以把相關的人員位置參數傳輸給液壓支架電液控制系統，通過該系統可以進一步讓液壓支架實現快速閉鎖，進而起到減少采煤工作面工作人員安全事故發生率的效果。

1 架構設計

1.1 人員定位系統

該定位系統包括下面幾個單元：（1）工作面UWB超寬帶基站；（2）人員定位服務器；（3）支架控制器；（4）液壓支架電液控制系統主機等。其中，UWB基站安裝設置在工作面上，其信號能夠達到整個工作面，對每個工作人員的位置進行定位[1]。假如工作人員位于工作面時，UWB雷達可以借助定位卡對小于30 cm的人員進行定位，這時基站可以收集到定位數據，同時將該信息傳輸給人員定位系統；上位機向人員定位系統定期輸送人員定位數據，同時把數據傳輸給支架控制系統，還將信息輸送給支架控制主機，圖1所示為相應的數據流[2]。通過分析可以發現，其中的實線箭頭表示上傳數據，而支架控制系統可以對接受到的數據進行處理，把處理結果輸送給對應的支架控制系統，其中虛線箭頭為數據流。

圖1 人員定位系統整體拓撲結構

1.2 智能化采煤工作面控制區域

在智能化工作面實施工作時，如下幾個部分是巡檢工作人員頻繁出現的位置：（1）在采煤機前滾筒周圍，便于司機調整頂滾筒的高，與此同時對煤機速度進行有效地控制；（2）在采煤機后滾筒周圍，能夠讓司機控制割底滾筒臥底量[3]；（3）當處于跟機收護幫支架后方時，可以借助巡檢人員對支架收縮進行控制；（4）位于跟機推溜支架動作區域前方，不同的巡檢人員都應該配置對應的工作區域，更加便于負責支架移動以及伸護幫等。

由此可以看出，智能化采煤工作面的液壓電控包括如下幾個部分：（1）支架推溜動作區域A；（2）支架移架動作區域B；（3）支架收護幫動作區域C。圖2所示為相應的巡檢人員位置以及相應的支架跟機動作位置[4]。

圖2 工作面液壓支架跟機情況與人員分布位置情況

在實踐中發現，人員移動的方向與采煤機具有一致性，當采煤機移動過程中，對應的支架也會出現跟機動作，與此同時將會導致出現工作人員所在支架與后方的跟機支架重瞳，主要表現在如下2種情況：第一，假如支架巡檢工作者出現在區域4時，那么后方的跟機推溜支架將會重疊，從導致出現沖突的現象；第二，當煤機司機位于區域2位置時，將會出現與跟機支架B重疊的現象，進而出現支架閉鎖與跟機支架之間發生沖突[5]。因此，支架巡檢工作人員在區域4位置時，支架號越大，其將會和后面的區域A包含的跟進推溜動作發生沖突。與此同時，采煤機司機所在位置的支架號越大，那么這時與后方跟進支架的B位置支架近，從而需要及時的解鎖工作人員所在的支架。

1.3 系統對接設計

1.3.1 數據傳輸

該系統信息的輸送選用UDP網絡通訊協議，數據包含：姓名；距離；支架號；人員定位服務器采用主動上報；向支架輸送人員信息的單元。

1.3.2 數據存儲

假如智能采煤工作面接收到人員定位信息后，那么系統就會自動的對人員的信息進行提取，諸如姓名、名稱以及支架號等，同時將其保存在本地數據庫。一般情況下，在數據庫中可以構建數據庫表，包含卡號和名稱[6]。

1.3.3 數據顯示及下發

為了能夠更好地調用定位人員的信息，液壓支架控制系統能夠進入數據庫讀取，在系統中設置二維的展示界面，進而便于觀察工作人員的情況。圖3所示為液壓支架電液控制系統主機人員定位邏輯。

圖3 支架電液控制系統主機人員具體定位邏輯

2 安全策略

2.1 系統閉鎖

液壓支架系統可以借助定位系統查找工作人員所在的支架號，這時可以調用系統的邏輯判斷程序，把相應的控制程序傳輸給支架控制系統，具體如下：當已經把相應的支架號輸送給電液主機，進而能夠保存支架模式設置為1，這樣可以通過調用對應的訊號單元對支架模式進行控制，生產對應的閉鎖指令。圖4所示為相應的主機閉鎖工作流程。

圖4 支架電液控制系統主機具體閉鎖控制邏輯

2.2 系統解鎖策略

當巡檢人員出現在支架位置時，而支架單元卻處于閉鎖狀態，巡檢人員需要離開時，為了能夠有效地將支架解鎖，通產在解鎖單元上設置解鎖指令，進而便于便捷地解除支架閉鎖。通常在該系統中設置2種解鎖模式：主動解鎖和被動解鎖。其中，主動解鎖方式系統能夠起到支架控制解鎖指令的作用，進而可以實現控制器的解鎖；而被動解鎖是指當在一定時間周期內控制器未收到相應的解鎖指令時，其可以實現自行解鎖的功能[7]。

（1）被動解鎖

假如工作人員離開支架后，而定位器并不向主機發送解鎖指令；主機對該情況進行判斷，當在5 s內并未收到定位器發出的指令，那么將判斷工作人員已經離開支架，這時主機將會發出解鎖指令，實現被動解鎖。圖5所示為被動解鎖流程。

圖5 控制器進行被動解鎖具體控制邏輯情況

（2）主動解鎖

通常主機系統每間隔1 s可以接收到人員定位信息，同時支架控制系統接收到信號之后將執行閉鎖指令將其設置為1，而其僅僅能夠給控制器發出1個閉鎖指令。而主機內部程序設置為煤3 s實現以此閉鎖指令的復位，而相應的指令發送時間小于1 s，當信號復位之后，主機將會收到人員定位信號；與此同時還會把閉鎖指令傳輸給支架控制器，這樣能夠通過檢測到的人員心跳信息傳輸給主機與支架控制器；假如工作人員離開支架時，人員定位系統將不會再向主機發送任何信號，而相應的當主機發生復位之后，對應的主機也不在傳遞閉鎖指令。假如控制器能夠在5 s內并未接收到主機心跳信息，那么系統將默認為工作人員離開當前的支架，這時設置的程序將使得支架自行解鎖，由此可得該模式為自動解鎖模式。

主動解鎖具有如下特點：不依據主機發生的指令即可實現解鎖，能夠有效地避免因為主機通訊中斷或者通信故障而不能對主機進行控制，進而因不能接收到解鎖指令而未執行解鎖。圖6所示為相應的控制器主動解鎖控制邏輯。

圖6 控制器進行主動解鎖具體控制邏輯情況

2.3 人員動態與系統匹配策略

當支架處于閉鎖時，其不能實現跟機動作，因此必須解決支架在執行跟機之前完成解鎖動作，因此設計了支架控制最大解鎖延遲時間，該時間與采煤運行速度、人員—推溜距離以及人員—移架距離參量有關，相應的計算理論如下。

假如采集機恒定的行駛速度設定為V1，而對應的人員距離移架動作支架的跟機移架距離L1，而L2表示對應的工作人員相對于推溜動作支架的跟機之間的距離。經過公式T1=L2/V1可以計算出之間控制器最佳的解鎖時間。

在進行跟機生產的過程中，圖2所示為巡檢人員與采煤機的移動方向保持一致，通常將巡檢工與跟機推溜動作保持在一定的范圍內，為了能夠允許巡檢人員長時間處于該區域，需要巡檢工作人員與采煤機保持一定的移動速度，進而能夠始終處于該范圍內。假如工作人員新進速度過慢，這時系統經過檢測之后，工作人員離開支架的時間也會相對延長。與此同時，系統會給巡檢工作人員設定一定的移動范圍與解鎖延遲時間，從而能夠有效地保證巡檢工作人員始終處于支架的范圍內。假如巡檢工作人員保持一定的速度移動即V3，當巡檢人員通過單個支架的距離為L3，那么相應的工作人員相關的移動速度與支架的解鎖延遲時間根據T3=L3/V3進行計算。

要想保證工作人員通過單個支架時，支架處于解鎖的狀態，其應該滿足公式：T3≤（T1/T2）。由此可以看出，支架在執行跟機動作之前必須進行解鎖，或者推溜動作也需要保證實現解鎖[8]。

3 結束語

為更好地保障智能采煤工作面巡檢人員的人身安全，本文設計了智能化采煤工作面安全閉鎖及解鎖策略方法，該系統能夠精確地定位人員信息，實現如下功能：（1）智能化采煤工作面電液控制系統主機；（2）實現各個支架的系統控制以及相應的邏輯判斷；（3）實現對移動速度進行動態匹配。

通過分析不同崗位的巡檢人員的情況，系統劃分智能化采煤機工作面，同時分析了動作沖突的情況以及相應的處理辦法。設計出閉鎖策略、主動解鎖以及對應被動解鎖等系統，同時給出了相應的實現辦法，進而能夠對人員的動態情況進行處理。

當前定位系統存在不足。假如支架處于閉合狀態時，支架不能動作，這時工作人員位于支架動作范圍，不能有效地解決支架閉鎖與支架跟機動作沖突問題。當前解決辦法僅僅能夠借助規避的形式來實現避讓，從而有效處理支架動作與人員區域重疊問題，經過實踐可以借助該系統實現支架解鎖，借助支架補充動作實現對支架與人員的區域沖突問題，從而有效地保障人員的人身安全。