一种井下破碎机前端人员保护系统及方法与流程

本发明涉及一种井下破碎机，尤其涉及一种井下破碎机前端人员保护系统及方法，属于井下采矿设备方法技术领域。

背景技术：

随煤炭开采机械化程度的提高，大中型煤炭企业普遍采用综合机械化采煤，随着工作面开采高度的不断增加，来自煤层顶板压力也不断增加，在煤层顶板压力作用下，几近采高高度的大块片帮煤周期性片落，当这些大块片帮煤进入工作面刮板运输机卸载位置无法卸载，就会造成刮板运输机机头卸载位置煤流堵塞，甚至停机；现有技术中通常采用在刮板运输机机头卸载位置安装大块煤破碎机系统来解决大块片帮煤在刮板运输机机头位置煤流卡滞无法卸载、堆煤等现象。

但是由于工作面照明条件较差，工作环境恶劣，人员失足掉到破碎机前端的刮板输送机上的事故时有发生。人由于受到生理、心理和环境等方面的影响，具有非常大的不稳定性，人为差错的发生存在严格意义上的必然性，再加上工作面环境恶劣，劳动强度大，加剧了人误操作发生的可能，仅仅通过加强培训、提高监管力度是不能从根本上为员工生命安全提供保障的。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种井下破碎机前端人员保护系统及方法，用于判断是否有人员掉落至破碎机前端的刮板输送机上，并将其作为停机与否的依据，最大程度的保障煤矿工人的生命安全。

为了解决上述问题，本发明一种井下破碎机前端人员保护系统，包括设置在破碎机前端且由若干激光传感器所构成的检测空间、与激光传感信号相连的计算平台以及与输送设备相连的控制器，激光传感器包括激光发射器和激光接收器，激光发射器通过激光发射器支架固定在刮板输送机的侧壁顶部的一端，激光接收器通过激光接收器支架固定在刮板输送机的侧壁顶部的另一端，且与激光发射器相对安装，激光发射器和激光接收器均阵列式布置。

阵列式排布的激光发射器和激光接收器一一对应构成检测空间，当有物体掉入检测空间，将遮蔽若干激光发射器发射出来的激光，与其对应的若干激光接收器将接收不到激光信号，接收不到激光信号的激光接收器所产生的信号变化将作为检测信息发送至计算平台；计算平台将接收到的激光传感器发送的检测信息进行分析处理，并通过程序判断是否有人员进入检测空间；所述控制器根据计算平台计算结果执行命令，当判断有人员进入检测空间时，控制器发出控制信号执行对输送装备的停机操作。

一种井下破碎机前端人员保护方法，步骤如下：

第一步、系统初始化：检测每个传感器的初始状态以及判断其是否为失效传感器；

所述检测每个传感器的初始状态，即检测每个传感器初始时是否接收到了激光信号；

如果传感器初始接收到了激光信号，则判定不是失效传感器；如果传感器初始接收不到激光信号，则判定为失效传感器；

如果存在失效传感器，则给出检修提醒；

如果不存在失效传感器，则返回主程序；

第二步、获取所有传感器的检测信息：针对没有失效的传感器，其检测信息就是是否接收到了激光信号，如果传感器接收到了激光信号则设定其检测信息为0，否则为1；

针对在第一步骤中检测到的失效传感器，则运用模糊理论推断其检测信息；

第三步、检测信息处理：检测不同物体所引起的不同区域的传感器检测信息，从而判定若干连通区，同时计算最大连通区的面积；

第四步、判断是否有人员掉落：如果最大连通区面积大于等于所设阀值，则通过控制器控制输送装备停机；如果最大连通区面积小于所设阀值，则进入下一循环。

由于一般掉入检测空间的物体有小煤块和人员，已知人员的体积远大于小煤块的体积，而每个连通区的面积反映了每个物体的侧面积，因此人员所遮住的激光信号的数量比小煤块遮住的激光信号多；通过实验获得一个区别人员和小煤块的连通区面积的阀值，据此判断是否有人员进入检测空间。

进一步的，第二步中运用模糊理论推断失效传感器检测信息的具体方法如下：

a、取失效传感器周围的传感器信息构成评判因素集，

b、根据专家经验，给出评判因素的权重集；

c、计算失效传感器检测信息的评价等级；

d、最终确定失效传感器的检测信息。

当有物体进入检测空间致使被遮挡的部分激光接收器接收不到激光信号时，如果存在失效传感器，则不能确定失效传感器所在位置究竟是否也被物体遮挡，故无法准确获得传感器检测信息，进而无法准确获得物体侧面积信息；因此推断失效传感器的检测信息，也就是推断失效传感器位置是否有物体遮挡，是确定传感器检测信息的重要一步。

进一步的，当失效传感器的四周均有激光传感器时，将失效传感器周围的传感器进行编号，并按照编号对上述传感器的检测信息构成评价因素集u＝{u1，u2，…，u8}，其中ui的取值由第i个传感器的检测信息确定：如果第i个传感器检测到了激光信号则ui＝0，否则ui＝1。

ui中，i的取值为1至8中任一自然数。

进一步的，当失效传感器在角落或者边缘地方时，为了使算法具有通用性，将不存在传感器的地方定义为ui＝0，且计失效传感器周围存在的传感器个数为m。

进一步的，b步骤中根据专家经验，给出评判因素的权重集为：a＝{a1,a2,…,a8}＝{1，1.5，1，0.5，1，1.5，1，0.5}。

进一步的，c步骤中，计算失效传感器检测信息的评价等级：a为根据专家经验，给出评判因素的权重集，u为评价因素集，u^t为评价因素集所形成的矩阵反置计算，m为失效传感器周围存在的正常传感器的个数，当失效传感器的四周均有激光传感器时，m为8。

d步骤中确定失效传感器的检测信息结果，0表示没有物体遮挡，1表示有物体遮挡：

进一步的，利用四连通算法计算每个连通区，即只有和给定的传感器单元的四条边相连的四个传感器，才被认为是给定的传感器单元所相邻的传感器；并根据每个连通区包含传感器数量的多少以及每个传感器所占据的矩形面积来计算最大连通区的面积。

本发明通过在破碎机前端的刮板输送机上布置阵列式激光发射器和激光接收器构成了检测空间；并运用模糊理论推断失效传感器的检测信息，提高最终所确定的所有传感器检测信息的准确度；运用四连通算法对所获得的传感器检测信息进行连通区检测，找到最大连通区并计算其面积；根据最大连通区的面积来判断是否有人员进入该检测空间，当判断为有人员时，执行输送装备的停机操作以保证人员的人身安全。本发明提高井下采煤系统智能化控制的范围，最大程度的保障煤矿工人的生命安全，具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明中系统示意图；

图2为本发明中方法流程图；

图3为本发明基于模糊理论推断失效传感器的检测信息的示意图；

图4为本发明在特殊情况下推断失效传感器检测信息的示意图；

图5为本发明四连通算法示意图；

图6为本发明实施例中连通区的示意图。

图中：1、激光发射器支架；2、激光发射器；3、激光接收器支架；4、激光接收器；5、计算平台；6、控制器；7、刮板输送机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

如图1所示，一种井下破碎机前端人员保护系统，包括设置在破碎机前端且由若干激光传感器所构成的检测空间、与激光传感信号相连的计算平台5以及与输送设备相连的控制器6，激光传感器包括激光发射器2和激光接收器4，激光发射器2通过激光发射器支架1固定在刮板输送机7的侧壁顶部的一端，激光接收器4通过激光接收器支架3固定在刮板输送机7的侧壁顶部的另一端，且与激光发射器2相对安装，激光发射器2和激光接收器4均阵列式布置。

阵列式排布的激光发射器2和激光接收器4一一对应构成检测空间，当有物体掉入检测空间，将遮蔽若干激光发射器2发射出来的激光，与其对应的若干激光接收器4将接收不到激光信号，接收不到激光信号的激光接收器4所产生的信号变化将作为检测信息发送至计算平台5；计算平台5将接收到的激光传感器发送的检测信息进行分析处理，并通过程序判断是否有人员进入检测空间；所述控制器6根据计算平台5计算结果执行命令，当判断有人员进入检测空间时，控制器发出控制信号执行对输送装备的停机操作。

如图2所示，一种井下破碎机前端人员保护方法，步骤如下：

第一步、系统初始化：检测每个传感器的初始状态以及判断其是否为失效传感器；

具体的，如图2所示，步骤s1为检测每个传感器的初始状态，即检测每个传感器初始时激光接收器4是否能够接收到激光发射器2发射的激光信号；

步骤s2为判断所有激光传感器是否为有效状态，如果传感器初始接收到了激光信号，则判定不是失效传感器；如果传感器初始接收不到激光信号，则判定为失效传感器；

如果存在失效传感器，则执行步骤s3给出检修提醒；

如果不存在失效传感器，则返回主程序；

第二步、获取所有传感器的检测信息为图2中所示的步骤s5：针对没有失效的传感器，其检测信息就是是否接收到了激光信号，如果传感器接收到了激光信号则设定其检测信息为0，否则为1；

当有物体进入检测空间致使被遮挡的部分激光接收器接收不到激光信号时，如果存在失效传感器，则不能确定失效传感器所在位置究竟是否也被物体遮挡，故无法准确获得传感器检测信息，进而无法准确获得物体侧面积信息；因此推断失效传感器的检测信息，也就是推断失效传感器位置是否有物体遮挡，是确定传感器检测信息的重要一步。

因此，针对在第一步骤中检测到的失效传感器，执行步骤s4，运用模糊理论推断其检测信息，具体的：

a、取失效传感器周围的传感器信息构成评判因素集：设定失效传感器检测信息的评价等级为v＝{不存在物体，存在物体}＝{0，1}；定义图3和图4中阴影部分的激光传感器为失效传感器，非阴影部分的传感器为非失效传感器。

如图3所示，给失效传感器周围的传感器进行编号，从1到8；这8个传感器的检测信息构成了评价因素集u＝{u1，u2，…，u8}；其中ui(i＝1,2,…,8)的取值由第i个传感器的检测信息确定：如果第i个传感器检测到了激光信号则ui＝0，否则ui＝1；

如图4所示，当失效传感器在角落或边缘位置时，由于失效传感器周围并没有8个传感器，但是我们仍然希望算法具有通用性，因此，我们令不存在传感器的地方ui＝0，且计失效传感器周围存在的传感器个数为m；

b、根据专家经验，给出评判因素的权重集；本实施例中评判因素的权重集定为：

a＝{a1,a2,…,a8}＝{1，1.5，1，0.5，1，1.5，1，0.5}；

c、计算失效传感器检测信息的评价等级为：

d、最终确定失效传感器的检测信息：

0表示没有物体遮挡，1表示有物体遮挡。

第三步、检测信息处理：步骤s6通过检测不同物体所引起的不同区域的传感器检测信息，从而判定若干连通区，同时计算最大连通区的面积；

在检测空间中，可能同时有多个物体进入，此时需要通过计算连通区来区别每个物体所遮住的传感器区域，本实施例中采用四连通算法计算每个连通区，如图5所示，每个连通区均为检测信息为1相邻传感器的集合，且只有和给定的传感器单元的四条边相连的四个传感器，才被认为是给定的传感器单元所相邻的传感器；

图6所示的实施例中包含了两个连通区，连通区a和连通区b，根据每个连通区包含传感器数量的多少以及每个传感器所占据的矩形面积来计算最大连通区的面积，连通区a包含9个传感器，连通区b包含5个传感器，因此判断连通区a为最大连通区；在阵列式布置的传感器中，每个传感器占据着一个相同大小的矩形面积s，故而最大连通区a所占据的面积为9s；

第四步、判断是否有人员掉落：比较步骤s6中所计算的最大连通区面积与所设阀值：如果大于等于所设阀值，则执行步骤s8向控制器发送指令，通过控制器控制输送装备停机；如果最大连通区面积小于所设阀值，则进入下一循环，回到步骤s5；

由于一般掉入检测空间的物体有小煤块和人员，已知人员的体积远大于小煤块的体积，而每个连通区的面积反映了每个物体的侧面积，因此人员所遮住的激光信号的数量比小煤块遮住的激光信号多；通过实验获得一个区别人员和小煤块的连通区面积的阀值，据此判断是否有人员进入检测空间，进而通过上述判定结果来控制输送设备是否停机。