智能综采工作面人员感知定位控制系统研究

和志伟

（山西长治王庄煤业有限责任公司，山西长治 047102）

0 引言

由于矿井生产过程中，采煤工作面是一个非常重要的场所，在进行生产过程中，各个工作环节都必须处于时刻工作状态，因此稍有不慎将会使位于采煤工作面的工作人员受到伤害。为了能够最大限度地提高工作安全性，在采煤过程中引入智能化控制开采采煤工作面。依据人员定位系统，当工作人员携带者定位标签卡在工作面工作时，在定位系统中能够准确地对工作人进行定位，进一步可以得到工作人员的液压支架编号。人员定位系统经过系统计算可以把相关的人员位置参数传输给液压支架电液控制系统，通过该系统可以进一步让液压支架实现快速闭锁，进而起到减少采煤工作面工作人员安全事故发生率的效果。

1 架构设计

1.1 人员定位系统

该定位系统包括下面几个单元：（1）工作面UWB超宽带基站；（2）人员定位服务器；（3）支架控制器；（4）液压支架电液控制系统主机等。其中，UWB基站安装设置在工作面上，其信号能够达到整个工作面，对每个工作人员的位置进行定位[1]。假如工作人员位于工作面时，UWB雷达可以借助定位卡对小于30 cm的人员进行定位，这时基站可以收集到定位数据，同时将该信息传输给人员定位系统；上位机向人员定位系统定期输送人员定位数据，同时把数据传输给支架控制系统，还将信息输送给支架控制主机，图1所示为相应的数据流[2]。通过分析可以发现，其中的实线箭头表示上传数据，而支架控制系统可以对接受到的数据进行处理，把处理结果输送给对应的支架控制系统，其中虚线箭头为数据流。

图1 人员定位系统整体拓扑结构

1.2 智能化采煤工作面控制区域

在智能化工作面实施工作时，如下几个部分是巡检工作人员频繁出现的位置：（1）在采煤机前滚筒周围，便于司机调整顶滚筒的高，与此同时对煤机速度进行有效地控制；（2）在采煤机后滚筒周围，能够让司机控制割底滚筒卧底量[3]；（3）当处于跟机收护帮支架后方时，可以借助巡检人员对支架收缩进行控制；（4）位于跟机推溜支架动作区域前方，不同的巡检人员都应该配置对应的工作区域，更加便于负责支架移动以及伸护帮等。

由此可以看出，智能化采煤工作面的液压电控包括如下几个部分：（1）支架推溜动作区域A；（2）支架移架动作区域B；（3）支架收护帮动作区域C。图2所示为相应的巡检人员位置以及相应的支架跟机动作位置[4]。

图2 工作面液压支架跟机情况与人员分布位置情况

在实践中发现，人员移动的方向与采煤机具有一致性，当采煤机移动过程中，对应的支架也会出现跟机动作，与此同时将会导致出现工作人员所在支架与后方的跟机支架重瞳，主要表现在如下2种情况：第一，假如支架巡检工作者出现在区域4时，那么后方的跟机推溜支架将会重叠，从导致出现冲突的现象；第二，当煤机司机位于区域2位置时，将会出现与跟机支架B重叠的现象，进而出现支架闭锁与跟机支架之间发生冲突[5]。因此，支架巡检工作人员在区域4位置时，支架号越大，其将会和后面的区域A包含的跟进推溜动作发生冲突。与此同时，采煤机司机所在位置的支架号越大，那么这时与后方跟进支架的B位置支架近，从而需要及时的解锁工作人员所在的支架。

1.3 系统对接设计

1.3.1 数据传输

该系统信息的输送选用UDP网络通讯协议，数据包含：姓名；距离；支架号；人员定位服务器采用主动上报；向支架输送人员信息的单元。

1.3.2 数据存储

假如智能采煤工作面接收到人员定位信息后，那么系统就会自动的对人员的信息进行提取，诸如姓名、名称以及支架号等，同时将其保存在本地数据库。一般情况下，在数据库中可以构建数据库表，包含卡号和名称[6]。

1.3.3 数据显示及下发

为了能够更好地调用定位人员的信息，液压支架控制系统能够进入数据库读取，在系统中设置二维的展示界面，进而便于观察工作人员的情况。图3所示为液压支架电液控制系统主机人员定位逻辑。

图3 支架电液控制系统主机人员具体定位逻辑

2 安全策略

2.1 系统闭锁

液压支架系统可以借助定位系统查找工作人员所在的支架号，这时可以调用系统的逻辑判断程序，把相应的控制程序传输给支架控制系统，具体如下：当已经把相应的支架号输送给电液主机，进而能够保存支架模式设置为1，这样可以通过调用对应的讯号单元对支架模式进行控制，生产对应的闭锁指令。图4所示为相应的主机闭锁工作流程。

图4 支架电液控制系统主机具体闭锁控制逻辑

2.2 系统解锁策略

当巡检人员出现在支架位置时，而支架单元却处于闭锁状态，巡检人员需要离开时，为了能够有效地将支架解锁，通产在解锁单元上设置解锁指令，进而便于便捷地解除支架闭锁。通常在该系统中设置2种解锁模式：主动解锁和被动解锁。其中，主动解锁方式系统能够起到支架控制解锁指令的作用，进而可以实现控制器的解锁；而被动解锁是指当在一定时间周期内控制器未收到相应的解锁指令时，其可以实现自行解锁的功能[7]。

（1）被动解锁

假如工作人员离开支架后，而定位器并不向主机发送解锁指令；主机对该情况进行判断，当在5 s内并未收到定位器发出的指令，那么将判断工作人员已经离开支架，这时主机将会发出解锁指令，实现被动解锁。图5所示为被动解锁流程。

图5 控制器进行被动解锁具体控制逻辑情况

（2）主动解锁

通常主机系统每间隔1 s可以接收到人员定位信息，同时支架控制系统接收到信号之后将执行闭锁指令将其设置为1，而其仅仅能够给控制器发出1个闭锁指令。而主机内部程序设置为煤3 s实现以此闭锁指令的复位，而相应的指令发送时间小于1 s，当信号复位之后，主机将会收到人员定位信号；与此同时还会把闭锁指令传输给支架控制器，这样能够通过检测到的人员心跳信息传输给主机与支架控制器；假如工作人员离开支架时，人员定位系统将不会再向主机发送任何信号，而相应的当主机发生复位之后，对应的主机也不在传递闭锁指令。假如控制器能够在5 s内并未接收到主机心跳信息，那么系统将默认为工作人员离开当前的支架，这时设置的程序将使得支架自行解锁，由此可得该模式为自动解锁模式。

主动解锁具有如下特点：不依据主机发生的指令即可实现解锁，能够有效地避免因为主机通讯中断或者通信故障而不能对主机进行控制，进而因不能接收到解锁指令而未执行解锁。图6所示为相应的控制器主动解锁控制逻辑。

图6 控制器进行主动解锁具体控制逻辑情况

2.3 人员动态与系统匹配策略

当支架处于闭锁时，其不能实现跟机动作，因此必须解决支架在执行跟机之前完成解锁动作，因此设计了支架控制最大解锁延迟时间，该时间与采煤运行速度、人员—推溜距离以及人员—移架距离参量有关，相应的计算理论如下。

假如采集机恒定的行驶速度设定为V1，而对应的人员距离移架动作支架的跟机移架距离L1，而L2表示对应的工作人员相对于推溜动作支架的跟机之间的距离。经过公式T1=L2/V1可以计算出之间控制器最佳的解锁时间。

在进行跟机生产的过程中，图2所示为巡检人员与采煤机的移动方向保持一致，通常将巡检工与跟机推溜动作保持在一定的范围内，为了能够允许巡检人员长时间处于该区域，需要巡检工作人员与采煤机保持一定的移动速度，进而能够始终处于该范围内。假如工作人员新进速度过慢，这时系统经过检测之后，工作人员离开支架的时间也会相对延长。与此同时，系统会给巡检工作人员设定一定的移动范围与解锁延迟时间，从而能够有效地保证巡检工作人员始终处于支架的范围内。假如巡检工作人员保持一定的速度移动即V3，当巡检人员通过单个支架的距离为L3，那么相应的工作人员相关的移动速度与支架的解锁延迟时间根据T3=L3/V3进行计算。

要想保证工作人员通过单个支架时，支架处于解锁的状态，其应该满足公式：T3≤（T1/T2）。由此可以看出，支架在执行跟机动作之前必须进行解锁，或者推溜动作也需要保证实现解锁[8]。

3 结束语

为更好地保障智能采煤工作面巡检人员的人身安全，本文设计了智能化采煤工作面安全闭锁及解锁策略方法，该系统能够精确地定位人员信息，实现如下功能：（1）智能化采煤工作面电液控制系统主机；（2）实现各个支架的系统控制以及相应的逻辑判断；（3）实现对移动速度进行动态匹配。

通过分析不同岗位的巡检人员的情况，系统划分智能化采煤机工作面，同时分析了动作冲突的情况以及相应的处理办法。设计出闭锁策略、主动解锁以及对应被动解锁等系统，同时给出了相应的实现办法，进而能够对人员的动态情况进行处理。

当前定位系统存在不足。假如支架处于闭合状态时，支架不能动作，这时工作人员位于支架动作范围，不能有效地解决支架闭锁与支架跟机动作冲突问题。当前解决办法仅仅能够借助规避的形式来实现避让，从而有效处理支架动作与人员区域重叠问题，经过实践可以借助该系统实现支架解锁，借助支架补充动作实现对支架与人员的区域冲突问题，从而有效地保障人员的人身安全。