牛得草
（甘肃华亭煤业集团有限责任公司，甘肃 华亭 744100）
煤矿胶带运输机和刮板运输机是煤矿井煤流运输的主要设备，同时煤流运输巷道条件往往比较复杂、运输距离长，而且煤流设备操控是由在机电硐室内的司机进行控制。当下井人员在设备运转过程中违规进入特定危险区域，如靠近胶带机、刮板运输机转动部位，直接翻越刮板运输机、胶带机、误入煤仓等危险区域，皮带司机无法实时地掌握现场视频图像及越界告警信息，并且无法及时发现该人员的危险行为，极易导致下井人员人身安全事故发生，给煤矿安全生产带来极为不利的影响。通过建设煤流运输沿线人员侵入智能预测预警识别系统消除事故隐患，确保安全生产。甘肃华亭煤业集团砚北煤矿洗煤厂2020年作为试点单位，投用了该技术取得了很好的安全效益。
系统将先进的图像智能（AI）识别技术、JDTraxTM检测算法、大数据算法分析、以太网数据传输技术、自动化控制技术与胶带机、刮板机控制系统相结合，可实现煤流沿线人员危险行为两级预测预警系统。增加煤流系统运行的安全性，避免人身伤亡事故的发生。实现采掘工作面刮板运输机沿线、工作面顺槽胶带机沿线、固定胶带机沿线等场所人员违规进入危险区域（设备转动部位）的行为进行预测预警、紧急停机及语言报警等功能。
在保证系统的稳定性与可靠性的前提下，采用高清自主跟踪摄像仪加矿用人体近感热释传感器进行分级探测，并通过矿用可编程控制器实现人员危险行为的分级预警和设备紧急停机。
系统具备单机与联网运行两种模式。单机模式下可自主实现预测预警功能；
联网模式下实现视频抓拍，紧急停机及数据统计与存储等。
井下煤流运输沿线人员侵入智能预测预警识别系统主要KXJ127矿用隔爆兼本安型可编程控制器、KBA127矿用隔爆兼本安型AI智能摄像仪、GUR5矿用热释红外传感器、KDY127/12B矿用隔爆兼本安型直流电源、KTK18矿用本安型急停扩音电话、矿用专用电缆组成，同时搭配矿用KJD127隔爆兼本安型计算机、KJJ12矿用本安型千兆交换机及传感器安装支架等构成。
系统原理框图，如图1所示。
图1 系统原理框图
人员危险行为预测预警系统是采用矿用高清AI智能摄像仪加矿用人体近感热释传感器进行分级探测，并通过控制器实现分级预警并急停设备。
第一级人员危险行为预测预警：采用矿用高清AI智能分析摄像仪、矿用隔爆兼本安型声光报警器及矿用隔爆兼本安型可编程控制器组成。
矿用高清AI智能分析摄像仪采用高性能芯片和AI算法，内置多种智能分析算法，其中基于深度学习的目标检测算法可以通过大量真实场景样本训练后，能够在各种应用场景下及时准确地对场景中发生的物体入侵行为进行深度学习分析，检测实时视频中的物体目标，并通过物体特征分析，准确地识别物体目标并输出分析结果。
同时该摄像仪具备宽动态、低照度、强光抑制等特点，满足煤矿井下环境长期稳定使用的要求。
矿用隔爆兼本安型声光报警器的语音报警声音高达110dB，在井下嘈杂的环境中仍然能清晰地听到语音报警声音。
将矿用高清AI智能分析摄像仪和矿用隔爆兼本安型声光报警器联动使用能够达到人员危险区域声音告警功能，具体原理如下：
矿用高清AI智能分析摄像仪可以对人体的精确检测、跟踪，实现分析识别，实时预警周界区域内的人员入侵情况，当有可疑人员进入监测范围内时，可对其跟踪自动识别，将结果发送给矿用隔爆兼本安型声光报警器，联动矿用声光报警器现场发出语音信号，提示人员进入危险区域，并且在上位机软件界面上报警弹出，如图2所示。
图2 预测预警示意图
第二级人员危险行为告警急停：系统采用改进后矿用人体热释红外传感器具备灵敏度可调、延时可调、感应距离及范围可调等特点实现人员近感检测并结合扩音电话及可编程控制器实现第二级人员危险行为的告警急停功能。
在砚北煤矿使用过程中，发现有误动作或者不准确等现象发生，通过现场的调研和测试，对矿用人体热释红外传感器改进了2个方面：
（1）增加第三代PIR人体热释红外线探测技术的PIR控制器。该控制器是一个CMOS工艺集成的PIR（Passive Infra-Red）控制器芯片，功耗低。其内部构架、采用模拟及数字混合电路的Mixed-mode方式设计，各种情况下使用皆十分稳定。同时，控制器内置高精度算法单元，可自调整适应当前环境，滤除环境干扰，有效提取人体信号，最远感应距离达20多米。
（2）增加菲涅尔透镜+滤光片。由于PIR检测的距离有限，改进的矿用人体热释红外传感器通过增加菲涅尔透镜，把外部的光线汇聚到PIR上，增加进光量，大大增加PIR的检测距离和角度。同时增加滤光镜片只能通过波长范围为7～10um红外线，正好适合人体红外辐射的探测，增加了传感器感知人体的可靠性及稳定性。
（1）胶带机机头布防设计。在每条胶带机机头设置1台内置高性能AI芯片的高清AI智能摄像仪，摄像仪的智能分析算法通过大量现场样本训练后，能够针对具体每条皮带机头场景下的人员入侵区域行为进行及时准确的检测与识别，联动矿用声光报警器构建第一级预测预警模式。该模式下系统无论是在单机还是联网，都可以实时预警周界区域内的人员入侵情况，联动矿用声光报警器发出声光报警信号，提示人员进入危险区域。
在每条胶带机机头的左侧、右侧及前方设置矿用人体近感红外热释传感器。该热释传感器配置有PIR控制器实现了传感器探测距离可调、角度可调、灵敏度可调；
同时增加分割出若干区域的菲涅尔透镜，实现人体移动热释红外的检测，避免因照明、电机发热引起的误动作，提高人体闯入检测的可靠性。矿用红外人体近感红外热释传感器联动矿用声光报警器和矿用可编程控制箱，构建第二级告警停机模式。该模式下可实现语音告警输出，上位机软件界面上报警弹出设备紧急停车等功能。
矿用声光报警器的语音报警声音高达110dB，在井下嘈杂的环境中仍然能清晰地听到语音报警声音。
（2）刮板运输机布防设计。在每条刮板机上方设置1台内置高性能AI芯片的高清自主跟踪摄像仪，摄像仪的智能分析算法通过大量现场样本训练后，能够针对具体每条皮带机头场景下的人员入侵区域行为进行及时准确的检测与识别，联动矿用声光报警器构建第一级预测预警模式。该模式下系统无论是在单机还是联网，都可以实时预警周界区域内的人员入侵情况，联动矿用声光报警器发出声光报警信号，提示人员进入危险区域。
在每条刮板机的左侧和右侧设置2台矿用人体近感红外热释传感器。该热释传感器配置有PIR控制器，实现了传感器探测距离可调、角度可调、灵敏度可调；
同时增加分割出若干区域的菲涅尔透镜，实现人体移动热释红外的检测，避免因照明、电机发热引起的误动作，提高人体闯入检测的可靠性。矿用红外人体近感红外热释传感器联动矿用声光报警器和矿用可编程控制器构建第二级告警停机模式。该模式下可实现语音告警输出，上位机软件界面上报警弹出设备紧急停车等功能。
矿用可编程控制箱设置在前部刮板运输机入料口，负责转载机、前部刮板运输机和后部刮板运输机的安全运行，当人员接进二级告警范围，PLC控制箱会输出停机信号，并配合扩音电话进行停机详细声音播报。
（3）设备连接设计。一级预警装置部分：①所有提供的矿用智能AI摄像仪都内置2光3电百兆交换机，与汇聚交换机连接可以通过电口或者光口。皮带沿线的AI分析摄像仪通过汇聚交换机集中在防爆计算机中显示。②人员接近设备转动部位时，智能AI摄像仪自带告警DO输出，通过与之连接的矿用隔爆兼本安型声光报警器现场发出告警。矿用防爆计算机安装的监控软件弹出人员接近告警窗口。③防爆计算机内置监控主机与新提供矿用可编程控制器连接，通过矿用可编程控制器内置的语音控制模块与天津华宁的皮带沿线保护装置的扩音电话连接，实现皮带沿线人员靠近预警。④汇聚交换机通过千兆光纤连接到井下环网，经视频、数据信息传输至地面。
二级设备停机部分：
矿用红外热释传感器+菲涅尔透镜+PIR控制器实现人员闯入后输出报警信号连接至矿用可编程控制箱，矿用可编程控制箱综合分析AI智能分析摄像仪及PIR控制器发出的信号，输出皮带停机信号。
通过矿用可编程控制器内置的语音控制模块与天津华宁的皮带沿线保护装置的扩音电话通信，实现皮带沿线人员靠近准确位置的语音报警，并播报停机故障信息。
（1）具备区域入侵、越界入侵、人员聚集、进入/离开区域、快速移动、物品移除、徘徊、停车等智能行为分析功能；
可对监视区域的人脸进行检测并抓拍人脸图片，通过与外部报警输入联动录像、抓拍、移动侦测联动录像；
当人员进入警戒区域时，可自动弹出监控画面；
具备虚焦侦测功能，当监视画面不清晰时，后台可自动提示报警；
人员值守的地点具备采集现场音频的功能。
（2）视频监控系统系统可以对监视画面进入/离开的人数进行统计，当进入/离开的人数超出设定阈值时，可自动报警提示，并联动抓图、录像。
（3）移动侦测功能与集控闭锁程序联动，接入PLC系统中，可以实现报警及停车功能。
（4）与矿井视频管理平台匹配，主控画面在煤流集控室内。视频画面接入矿井调度室，全面掌握煤流运输系统人员的工作状态，增加主煤流系统运行的安全性，避免人身伤亡事故的发生。
实现煤矿采掘工作面刮板运输机及顺槽胶带机沿线、固定胶带机沿线、洗煤厂等场所人员违规进入危险区域（设备转动部位）的行为进行预测预警、紧急停机及语言报警等功能。有效消除人身伤亡事故隐患，确保安全生产。可以广泛地推广到工厂生产系统、军队边防警戒区域入侵、无人值守变电所、非机动车占道监测预警、高铁站台旅客越界、铁路出入口、高速公路等出入口入侵预警。该技术研究与应用为特殊危险区域人身提供了安全保障，产生了很大的社会安全效益。
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