礦用全自動行車風門防夾撞多模態感知與安全控制技術

礦用全自動行車風門防夾撞多模態感知與安全控制技術

針對礦井風門防撞感知能力不足的問題，提出激光點云-壓力場耦合的多模態感知架構，結合D-S證據理論決策模型與分級制動策略，實現防撞虛警率≤0.3%、制動響應時間≤0.2s。通過HALT試驗驗證系統在粉塵濃度500mg/m3、水霧密度0.5g/m3環境下的可靠性，滿足《煤礦安全規程》第652條對風門安全控制的要求。

1. 引言

礦井風門作為通風系統的關鍵設施，其防撞性能直接影響礦井安全。傳統單傳感器（如紅外或超聲波）在粉塵、水霧環境下易出現誤檢（虛警率＞5%），導致風門非必要停機或碰撞事故。本研究構建激光雷達（二維）+壓力傳感器（陣列式）的多模態感知系統，通過空間-力學雙維度信息融合，解決礦車偏載（重心偏移≥200mm）時的防撞失效問題。

2. 多模態感知系統設計

系統采用“激光點云定位+壓力梯度分析"的協同感知架構：

• 激光點云定位模塊：配置二維激光雷達（測距精度±3mm，掃描頻率50Hz），通過DBSCAN聚類算法提取礦車輪廓特征，實時計算礦車與風門的距離（誤差≤±10mm）及速度（誤差≤±0.1m/s）；

• 壓力梯度分析模塊：布置8組陣列式壓力傳感器（量程0-5kN，分辨率1N），通過分析壓力分布變化率（ΔP/Δt）檢測礦車沖擊力，觸發閾值設定為500Pa/s。
  實驗室測試表明，系統在粉塵濃度500mg/m3環境下的點云完整率達98%，壓力傳感器信號穩定性達99.2%。

3. 異構數據融合決策模型

基于D-S證據理論構建多模態決策模型，定義基本概率分配函數（BPA）：

• 激光點云BPA：根據礦車距離與速度計算碰撞概率，權重分配0.4；

• 壓力梯度BPA：根據壓力變化率計算沖擊概率，權重分配0.35；

• 歷史數據BPA：結合礦車歷史運行軌跡預測碰撞風險，權重分配0.25。
  通過證據融合規則計算最終碰撞概率，當概率＞0.8時觸發一級預警（減速至0.5m/s），概率＞0.95時觸發二級急停（0.2s內制動）。仿真結果顯示，系統虛警率從5.2%降至0.28%，漏檢率從3.1%降至0.05%。

4. 分級制動安全控制策略

設計“預警-減速-急停"三級制動策略：

• 一級預警：當碰撞概率＞0.8時，PLC控制器輸出減速信號，電動驅動模塊降低風門開合速度至0.5m/s；

• 二級減速：當碰撞概率＞0.9時，氣動回路啟動，氣缸壓力調整至0.6MPa，實現風門柔性減速；

• 三級急停：當碰撞概率＞0.95或壓力傳感器檢測到沖擊力＞800N時，電磁制動器鎖死風門，制動距離控制在1.2m內。
  HALT試驗表明，系統在-20℃~60℃溫度范圍、95%濕度條件下，三級制動響應時間均≤0.2s，滿足MT/T 1097-2008《煤礦機電產品防爆技術要求》。