基于视觉识别及红外人身检测的掘进安全闭锁装置的研究

李 冠

（山西三元煤业股份有限公司， 山西 长治 046000）

引言

煤矿井下地理条件复杂，规定了一些需要分开作业的特殊危险区域，比如掘进工作面截割机械的工作区域和独立的封闭运输巷道等，在这些区域中有工作人员进入时，必须停止机器设备[1]。

目前，针对煤炭企业安全生产的防护装置研究还相对不够成熟，通过设计此装置，能够为煤炭企业的生产环境提供一套具有较强适用性的安全体系，从而有效弥补普通生产过程中机器工作区域误伤人员的问题，此装置成为煤炭企业安全化生产的有效工具和手段；而通过系统的有效运行可以改变我国传统煤炭工业劳动效率低、技术装备落后、安全状况差的现状，提高企业竞争力，实现企业长远发展[2]。因此基于视觉识别及红外人身检测的掘进工作面人员安全闭锁装置的研究对我国煤炭企业的信息化发展乃至未来发展都具有较强的现实意义。

1 闭锁装置原理

1.1 工作原理

基于视觉识别及红外热释人身检测的掘进工作面人员安全闭锁装置立足于红外传感理论和自动控制理论，从提高系统可靠性、消除漏报警和降低系统功耗的角度出发，提出红外人机闭锁保护的工作原理和工作流程，并分别制定了采煤掘进机运转区域的红外人机闭锁保护方案。这套装置能够自动监测掘进机运转的危险区域，如果一旦有人员进入了这个区域，系统检测到之后就会发出警报声，与此同时输出闭锁控制信号，系统会立即切断电源，停止掘进机的运转。掘进机上有红外传感器探头[3]，如果有人进入探头的有效检测范围，由于人体热量产生的红外线经过菲涅尔透镜的会聚，激发红外线接收器产生一种微弱的低频信号，该信号经探头内部线路二级放大，再由整形电路的处理，限幅后的信号输入主控制器，从而产生控制操作，即报警或断电，同时通过报警灯及语音报警器对误入人员进行提醒，确保及时传达信号，将危险降至最小。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.2 热释电红外原理

热释电红外传感器，如图2，由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成，它可以检测人体发出的红外信号，并将其转化成电信号。传感器的顶部有一个长方形的窗口，里面装着一块滤光片，可以使人体发出的9～10μm波长的红外线通过，而其他波长的红外线被滤除，这样便提高了抗干扰能力。

图2 热释电红外传感器

2 装置总体工作过程

掘进机行人安全报警闭锁装置主要的探测传感器为红外热释传感器和视频摄像头，基于红外热释识别和视频识别相结合的原理，监测更加迅速准确全面，可靠性高[4]。在掘进机工作和停机支护作业过程中可以连续监控危险区域，通过设置在掘进机周围的五组红外热释传感器和视频摄像头监测危险区域是否有工作人员进入或者进行支护作业。当掘进机截割作业过程监测到有工作人员进入作业区域，装置配备的报警控制器会发出声光报警及LED屏显示提醒，同时及时地实现掘进机停机闭锁。当掘进停机工人在掘进机前部支护作业时，探测有人员在截割部区域内时，能够实现掘进机截割的闭锁，有限防止截割误操作被启动。

根据掘进机工作模式分析，具体监控区域如下：

2.1 掘进机两侧区域监测

在掘进机机身两侧安装四组红外热释传感器和视频摄像头共同监测掘进机机身两侧的危险区域，红外热释识别和视频识别相结合，监测更加及时准确全面，可靠性高。

装置具体工况如下：当每次启动掘进机时，报警器进行声光报警和LED屏显示提示，掘进机和皮带运输机开始工作；在作业过程中，当红外热释传感器和视频摄像头监测到有人员误入危险作业区时，系统进行声光报警及LED屏显示提示，同时掘进机和皮带运输机停机闭锁；当监测到人员撤离危险作业区后，司机可以重新启动掘进机；当掘进机停止作业后，系统进行声光报警提示，LED屏显示停止作业、人员可入。

2.2 掘进机前部监测

在掘进机前端朝向截割部安装一组红外热释传感器和视频摄像头共同监测掘进机前方截割部区域。采用红外热释识别和视频识别相结合技术，监测更加及时准确全面，可靠性高，有效防止误动作。

装置具体工况如下：当掘进机停止作业时，工作人员进行掘进机截割部区域进行支护作业，在掘进机前端朝向截割部安装有红外热释传感器和视频摄像头对人员进行实时监测，监测到截割部区域内有人员作业时，始终保持掘进机截割部的闭锁直至作业人员撤离截割区域，防止掘进机截割部误动作对作业人员造成伤害。

3 功能特点

此装置的主要创新点在于其基于红外识别和视频识别相结合的原理，监测更加迅速准确全面，可靠性高。在掘进机工作和停机支护作业过程中可以连续监控危险区域，通过设置在掘进机周围的热释电红外线传感器和视频摄像头实时监测危险区域，并通过报警灯和语音报警器对人员进行危险传达。

安装此装置后可将掘进机使用的栅栏门和炮头盖去掉，使采掘工作面的生产更为方便和顺畅；同时，将原来的机械主动防护变为电器自动保护，提高了安全程度，杜绝了因人工操作失误而造成的不必要伤害。人机闭锁保护装置的安装和应用，实现了掘进机运转区域的动态安全监控，提高了相应区域机械伤害防护的可靠性，实现了相应区域的本质安全化。

4 结语

基于视觉识别及红外人身检测的安全闭锁装置主要以热释电红外线传感器的探测原理为基础，设置有红外线传感器及全套装置，可自动监掘进机工作面危险区域。若有人员进入，则发出声音报警信号，同时输出闭锁控制信号，立即切断电源，停止掘进机的运转，保证采掘工作区域工作人员的安全。