矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置和检测方法

权利要求

1.矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，其特征在于，包含核心控制器、增强型全向天线、声光报警模块及便携式信号终端；其中，所述核心控制器与便携式信号终端之间采用超宽带无线通信技术对两者之间的距离进行实时测量，增强型全向天线连接核心控制器，用于增强核心控制器与便携式信号终端之间的信号连接强度，核心控制器通过输出隔离模块连接所属矿用采掘运输设备；核心控制器设置不同的报警等级，以接近距离远近的危险程度划分不同的报警等级；其中，与附着于矿用采掘运输设备的核心控制器间距大于预设距离的防护区域设定为报警区，小于预设距离的防护区域设定为停机区；声光报警模块根据不同的危险程度发出不同的声光报警信号；

当佩戴便携式信号终端的工作人员进入报警区时，便携式信号终端发出第一振动和声音报警信号，声光报警模块发出第一灯光与声音报警信号，核心控制器通过输出隔离模块控制所属矿用采掘运输设备的执行机构停止运转；当进入停机区时，便携式信号终端发出第二振动和声音报警信号，声光报警模块发出第二灯光和声音报警信号，核心控制器通过输出隔离模块控制所属矿用采掘运输设备停止运转；

不同的矿用采掘运输设备上设置的核心控制器之间实现相互之间的接近报警，当两台安装防入侵及危险接近报警装置的矿用采掘运输设备相互靠近时，两台核心控制器之间相互测距，然后根据各自设定的报警区范围和停机区范围判断对方设备是否进入自身报警区：若进入自身报警区，则声光报警模块发出第一灯光与声音报警信号，核心控制器通过输出隔离模块控制所属矿用采掘运输设备的执行机构停止运转；若进入自身停机区，则声光报警模块发出第二灯光与声音报警信号，核心控制器通过输出隔离模块控制所属矿用采掘运输设备停止运转。

2.根据权利要求1所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，其特征在于，所述核心控制器为矿用浇封兼本安型，包括嵌入式控制模块、输出隔离模块和本安电源模块；

所述嵌入式控制模块由本安电源模块供电，包括核心计算处理单元、RS232通信接口、数字编码单元、输出控制单元、电源管理单元、声光报警驱动单元、无线信号收发单元和自解算测距单元；核心计算处理单元实现各功能单元与接口之间的数据传输与处理；RS232通信接口实现程序下载与解算数据上传；数字编码单元实现报警区域半径范围的设置；输出控制单元实现对矿用采掘运输设备执行机构或整机的停止控制；电源管理单元实现对所有功能单元供电；声光报警驱动单元实现对声光报警模块驱动控制；无线信号收发单元实现超宽带信号接收与发送；自解算测距单元实现核心控制器与便携式信号终端或其他核心控制器之间的实时距离解算；

其中，输出隔离模块采用固态继电器实现本安与非本安电路的隔离，同时，输出控制信号控制设备执行机构启停；

所述本安电源模块采用非安DC9V~DC36V宽电压供电，输出本安电压为DC12V，为嵌入式控制模块供电，所述本安电源模块与输出隔离模块安装在单独壳体内进行浇封，便于与其他非安设备进行电气连接。

3.根据权利要求1所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，其特征在于，所述增强型全向天线具有阻燃抗静电，牢固结实的特性，符合煤矿井下的使用要求，且为全向天线，可覆盖水平360度范围。

4.根据权利要求2所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，其特征在于，声光报警模块为矿用本安型，通过本安电缆与核心控制器连接，有2路开关量输入信号接口，由声光报警驱动单元进行驱动，同时实现声音报警和灯光报警。

5.根据权利要求1所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，其特征在于，便携式信号终端的安装方式分为穿戴式和固定式；其中，穿戴式的携带方式包括工牌式标识卡和腕带式标识卡，而固定式的携带方式包括安全帽式标识卡和信息化矿灯；

所述便携式信号终端为矿用本安型，采用本安电路设计，锰酸锂电池供电，具有电源指示、低电量提醒、振动报警、可充电功能，而且内部集成有RFID射频芯片以及感应线圈，存储个人信息作为门禁系统的识别卡。

6.矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警检测方法，使用如权利要求1-5任意一项所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置进行检测，其特征在于，包括步骤：

通过嵌入式控制模块的数字编码单元设置报警范围，报警半径分别为1m、2m、4m、6m、8m、16m、32m、COM共八个档位，旋钮打到COM档，通过嵌入式控制模块的RS232通信接口与电脑连接，通过电脑对嵌入式控制模块进行参数配置，包括任意报警范围大小设置、双重报警区设置、环形报警区设置、输出信号模式设置、便携式信号终端免报警设置以及便携式信号终端管理；当佩戴便携式信号终端的人员进入报警区时，便携式信号终端发出第一振动和声音报警信号，声光报警模块发出第一灯光与声音报警信号，同时输出隔离模块输出第一开关量触点信号，控制矿用采掘运输设备的运动机构停止运转；当佩戴便携式信号终端的人员进入停机区时，便携式信号终端发出第二振动和声音报警信号，声光报警模块发出发出第二灯光和声音报警信号，同时输出隔离模块输出第二开关量触点信号，控制矿用采掘运输设备停止运转；当两台矿用采掘运输设备相互靠近时，两台核心控制器相互测距，根据各自设定的报警区范围和停机区范围判断对方设备是否进入自身防护区，若进入自身报警区，则声光报警模块发出第一灯光与声音报警信号，若进入自身停机区，则声光报警模块发出第二灯光和声音报警信号的同时控制矿用采掘运输设备停机。

7.根据权利要求6所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警检测方法，其特征在于，核心控制器利用通信频率自适应算法，根据便携式信号终端与核心控制器之间的距离以及便携式信号终端的移动速度和加速度划分危险等级，并设定每一危险等级对应的通信频率值，两者成正相关；在实际应用中，调用该算法对采集到的数据进行危险等级归类，根据归类结果自行调整通讯频率，距离越近，移动速度越快，加速度越大的便携式信号终端通讯频率越高，以此达到重点监测近距离、高速移动便携式信号终端的目的，从而提高报警功能的可靠性。

8.根据权利要求6所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警检测方法，其特征在于，核心控制器利用离散数据分析算法，根据井下工人与矿用采掘运输设备的最大移动速度，设定了便携式信号终端最大移动速度和加速度的合理阈值，将数据的分析处理结果与该阈值比较，对于超出合理范围的离群值，进一步分析其分布规律并分类处理，有规律特征的进行补偿修正，无规律可循的直接舍弃，结合井下实际情况进行算法优化，保证了系统报警可靠性。

9.根据权利要求6所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警检测方法，其特征在于，核心控制器利用报警范围自动缩放算法，将井下矿用采掘运输设备实时移动速度与提前设定阈值进行比较，若移动速度大于阈值时，报警范围将按一定的比例进行自动放大，保证矿用采掘运输设备在高速移动时可靠预警。

10.根据权利要求6所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警检测方法，其特征在于，嵌入式控制模块的声音报警驱动模式采用长鸣或渐变模式，当选择长鸣模式时，嵌入式控制模块的报警输出信号为恒压电平信号，声光报警模块按照预先设置好的报警语音进行循环播放，当选择渐变模式时，嵌入式控制模块的报警输出信号为变频率脉冲电压信号，便携式信号终端与核心控制器的距离越近，脉冲电压信号的输出频率越高，声光报警模块发出“嘀嘀嘀”声音的频率越快，驾驶员可通过报警音频率的快慢判断人员与设备或设备与设备之间的距离。

说明书

技术领域

本发明属于矿山安全设备领域，具体是一种矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置和检测方法，适用于井下爆炸性气体环境中采掘运输设备与设备之间、设备与周围人员之间的防碰撞报警。

背景技术

煤矿井下空间狭窄、环境黑暗，而采掘运输设备体积较大，司机存在很大的视觉盲区，在设备运行移动过程中经常发生设备与设备之间的剐蹭碰撞，设备与人员之间的挤压碰撞情况，导致生产安全事故频发，造成设备损坏或人员伤亡，受煤矿井下特殊环境的影响以及现有技术的限制，市面上暂无一款成熟可靠的防入侵及危险接近报警产品可用，本发明可填补该领域空白。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供了一种能够在井下爆炸性危险环境中使用的采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置和检测方法，通过声光报警、便携式信号终端振动报警、设备停机保护等方式，实现采掘运输设备的主动式防入侵及危险接近报警，有效减少了设备之间的碰撞事故及设备伤人事故的发生。

为达到上述目的，实现上述功能，本发明采用的技术方案是：

提供一种矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，包含核心控制器、增强型全向天线、声光报警模块及便携式信号终端。核心控制器与便携式信号终端之间采用超宽带无线通信技术对两者之间的距离进行实时测量；核心控制器可设置不同的报警等级，以接近距离远近的危险程度划分不同的报警等级，如较大半径范围的防护区域为报警区和较小范围的防护区域为停机区。声光报警模块根据不同的危险程度发出不同的声光报警信号。当佩戴便携式信号终端的工作人员进入报警区时，便携式信号终端发出振动和声音报警信号，设备上的声光报警模块发出相应的灯光与声音报警信号，输出隔离模块控制相应的执行机构停止运转；当进入停机区时，便携式信号终端振动并声音报警，设备上的声光报警模块发出相应的灯光和声音报警信号，同时输出隔离模块输出相应的开关量触点信号，控制设备停止运转。核心控制器之间可实现相互之间的接近报警，当两台安装防入侵及危险接近报警装置的设备相互靠近时，两台核心控制器之间相互测距，然后根据各自设定的报警区范围和停机区范围判断对方设备是否进入自身防护区：若进入自身报警区，则声光报警模块发出相应的报警信号，输出隔离模块控制行走机构停止运转；若进入自身停机区，则声光报警模块发出相应报警信号，输出隔离模块控制设备停机。

其中，核心控制器为矿用浇封兼本安型，包括嵌入式控制模块、输出隔离模块和本安电源模块。嵌入式控制模块采用本安电路设计，由本安电源模块供电，包括核心计算处理单元、RS232通信接口、数字编码单元、输出控制单元、电源管理单元、声光报警驱动单元、无线信号收发单元和自解算测距单元。核心计算处理单元实现各功能单元与接口之间的数据传输与处理；RS232通信接口实现程序下载与解算数据上传；数字编码单元实现报警区域半径范围的设置；输出控制单元实现对整机设备执行机构的停止控制；电源管理单元实现对所有功能单元供电；声光报警驱动单元实现对声光报警模块驱动控制；无线信号收发单元实现超宽带信号接收与发送；自解算测距单元实现核心控制器与便携式信号终端之间的实时距离解算。输出隔离模块采用固态继电器实现本安与非本安电路的隔离，同时，输出控制信号控制设备执行机构启停。本安电源模块采用非安DC9V~DC36V宽电压供电，输出本安电压为DC12V，为嵌入式控制模块供电。本安电源模块与输出隔离模块安装在单独壳体内进行浇封，便于与其他非安设备进行电气连接。

其中，增强型全向天线具有阻燃抗静电，牢固结实的特性，符合煤矿井下的使用要求，且为全向天线，可覆盖水平360度范围。

其中，声光报警模块为矿用本安型，通过本安电缆与核心控制器连接，有2路开关量输入信号接口，由声光报警驱动单元进行驱动，既可实现声音报警，也可实现灯光报警。

其中，便携式信号终端为矿用本安型，采用本安电路设计，锰酸锂电池供电，具有电源指示、低电量提醒、振动报警、可充电功能，而且内部集成有RFID射频芯片以及感应线圈，可以存储个人信息作为门禁系统的识别卡。考虑到携带便捷性与使用习惯性，根据便携式信号终端的安装方式分为穿戴式和固定式两种。其中，穿戴式的分为工牌式标识卡和腕带式标识卡，而固定式分为安全帽式标识卡和信息化矿灯。

此外，本发明提供了一种矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警检测方法，使用如前述技术方案所述的矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置进行检测，包括步骤：

通过嵌入式控制模块的数字编码单元设置报警范围，报警半径分别为1m、2m、4m、6m、8m、16m、32m、COM共八个档位，旋钮打到COM档，则可通过嵌入式控制模块的RS232通信接口与电脑连接，通过电脑可对嵌入式控制模块进行参数配置，主要包括任意报警范围大小设置、双重报警区设置、环形报警区设置、输出信号模式设置、便携式信号终端免报警设置以及便携式信号终端管理等；当佩戴便携式信号终端的人员进入报警区时，便携式信号终端振动报警，声光报警模块发出相应的灯光与声音报警信号，同时输出隔离模块输出相应的开关量触点信号，控制设备相应的运动机构停止运转；当佩戴便携式信号终端的人员进入停机区时，便携式信号终端振动报警，声光报警模块发出相应的灯光与声音报警信号，同时输出隔离模块输出相应的开关量触点信号，控制设备停止运转；当两台设备相互靠近时，两台核心控制器相互测距，根据各自设定的报警区范围和停机区范围判断对方设备是否进入自身报警区，若进入自身报警区，则声光报警模块发出相应的报警信号，若进入自身停机区，则声光报警模块发出响应报警信号的同时设备停机。

其中，采用了通信频率自适应算法。该算法根据便携式信号终端与核心控制器之间的距离以及便携式信号终端的移动速度和加速度划分危险等级，并设定每一危险等级对应的通信频率值，两者成正相关。在实际应用中，系统将调用该算法对采集到的数据进行危险等级归类，根据归类结果自行调整通讯频率，距离越近，移动速度越快，加速度越大的便携式信号终端通讯频率越高，以此达到重点监测近距离、高速移动便携式信号终端的目的，从而提高系统报警功能的可靠性。

其中，采用了离散数据分析算法。该算法根据井下工人与设备的最大移动速度，设定了便携式信号终端最大移动速度和加速度的合理阈值，将数据的分析处理结果与该阈值比较，对于那些超出合理范围的离群值，进一步分析其分布规律并分类处理，有规律特征的进行补偿修正，无规律可循的直接舍弃，结合井下实际情况进行算法优化，保证了系统报警可靠性。

其中，采用了报警范围自动缩放算法。该算法将井下设备实时移动速度与提前设定阈值进行比较，若设备移动速度大于阈值时，设备的报警范围将按一定的比例进行自动放大，保证设备在高速移动时能够可靠预警。

其中，嵌入式控制模块的声音报警驱动模式采用长鸣或渐变模式，当选择长鸣模式时，嵌入式控制模块的报警输出信号为恒压电平信号，声光报警模块按照预先设置好的报警语音进行循环播放，当选择渐变模式时，嵌入式控制模块的报警输出信号为变频率脉冲电压信号，便携式信号终端与核心控制器的距离越近，脉冲电压信号的输出频率越高，声光报警模块发出“嘀嘀嘀”声音的频率越快，驾驶员可通过报警音频率的快慢判断人员与设备或设备与设备之间的距离。

本发明的有益效果为：

一、本发明与现有技术及以往产品相比较，其显著优点在于：（1）系统可靠性高、精度高；（2）核心控制器采用矿用浇封兼本安型，声光报警模块和便携式信号终端均采用矿用本安型，体积小、重量轻、功耗低；（3）报警半径范围设置分为七个固定档与一个自由档，可灵活进行参数设置；（4）声光报警模块采用声音加灯光的双重报警方式，针对不同危险程度，发出不同的声音与不同颜色的灯光，提升了报警识别度；（5）可以有效减少设备伤人事故的发生，而且可以实现设备与设备之间的防碰撞，有效保护人员和设备安全；（6）充分考虑人员对便携式信号终端的佩戴习惯，分为穿戴式和固定式两种，其中穿戴式有工牌式和腕带式两种，固定式分为安全帽式和信息化矿灯两种（7）采用了通信频率自适应算法、 离散数据分析算法、报警范围自动缩放算法提高报警可靠性。

二、本发明专门针对井下采掘运输设备伤人及设备之间的相互碰撞事故而提出，填补了市场上暂无一款成熟可靠的防入侵及危险接近报警装置可用的空白，有利于煤矿安全生产。

附图说明

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明专利的系统框图。

图2为本发明专利的设备与人员之间防入侵及危险接近报警示意图。

图3为本发明专利的设备与设备之间防入侵及危险接近报警示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明涉及的一种适用于井下爆炸性气体环境中矿用采掘运输设备防入侵及危险接近报警装置，包含核心控制器1、增强型全向天线2、声光报警模块3、便携式信号终端4。增强型全向天线2作为核心控制器1的附属件与核心控制器1一起安装在采掘运输设备100上，基于将增强型全向天线2尽量安装于设备中心位置的要求，提供了两种安装方式：（1）若空间允许，核心控制器1可直接连接增强型全向天线2，而后整体安装于设备中心位置，使增强型全向天线2保持竖直；（2）若空间有限，核心控制器1可通过天线馈线连接增强型全向天线2，使增强型全向天线2在设备中心位置并保持竖直，而核心控制器1则可在天线馈线长度的半径范围内任意位置安装。声光报警模块3安装在采掘运输设备100的驾驶室内，用于报警提醒；便携式信号终端4由人员佩戴，与核心控制器1之间采用超宽带无线通信技术进行测距。

核心控制器1包括嵌入式控制模块11、输出隔离模块12和本安电源模块13。嵌入式控制模块11采用本安电路设计，由本安电源模块13供电，包括核心计算处理单元111、RS232通信接口112、数字编码单元113、输出控制单元114、电源管理单元115、声光报警驱动单元116、无线信号收发单元117和自解算测距单元118。核心计算处理单元111实现各功能单元与接口之间的数据传输与处理；RS232通信接口112与电脑连接可实现程序下载与解算数据上传；数字编码单元113实现报警区域半径范围的设置；输出控制单元114实现对整机设备执行机构的停止控制；电源管理单元115实现对所有功能单元供电；声光报警驱动单元116实现对声光报警模块驱动控制；无线信号收发单元117实现超宽带信号接收与发送；自解算测距单元118实现核心控制器与便携式信号终端之间的实时距离解算。输出隔离模块12采用固态继电器实现本安与非本安电路的隔离，同时，输出控制信号控制设备执行机构启停。本安电源模块13采用非安DC9V~DC36V宽电压供电，输出本安电压为DC12V，为嵌入式控制模块11供电，所述本安电源模块13与输出隔离模块12安装在单独壳体内进行浇封，使用一根多芯防爆电缆与其他非安设备进行电气连接。

便携式信号终端4采用一体化设计，通过锰酸锂电池为核心板进行供电，而天线直接集成在核心板上。

参见图2，当佩戴便携式信号终端4的人员进入报警区时，便携式信号终端4产生第一振动和声音报警信号，声光报警模块3发出第一灯光与声音报警信号，如黄色灯光闪烁并伴有“人员靠近请注意”的报警音，同时输出隔离模块12输出相应的第一开关量触点信号，控制设备相应的运动机构停止运转，如停止掘进机行走机构；当佩戴便携式信号终端4的人员进入停机区时，便携式信号终端4发出第二振动和声音报警信号，声光报警模块3发出第二灯光与声音报警信号，如红色灯光闪烁并伴有“人员危险请停机”的报警音，同时输出隔离模块12输出相应的开关量触点信号，控制设备停止运转，如控制掘进机停机；

参见图3，当两台设备相互靠近时，两台防入侵及危险接近报警装置核心控制器1相互测距，根据各自设定的报警区范围和停机区范围判断对方设备是否进入自身防护区，若进入自身报警区，则声光报警模块3发出相应的报警信号，若进入自身停机区，则声光报警模块3发出响应报警信号的同时设备停机。

本发明的工作原理是：

增强型全向天线2作为核心控制器1的附属件与核心控制器1一起安装在采掘设备上，同时，声光报警模块3也安装在采掘设备驾驶室内，而便携式信号终端4则由工作人员随身佩戴。（1）核心控制器1采用浇封兼本安型，通过设备电控箱进行DC24V供电；声光报警模块3采用矿用本安型，与核心控制器1连接，由核心控制器1进行DC12V供电；便携式信号终端4采用矿用本安型，由内置可充电锂电池进行供电。（2）当设备上电，核心控制器1开始向便携式信号终端4发射无线信号，并接收由便携式信号终端4发回的无线信号，通过核心控制器1与便携式信号终端4之间的无线通信，核心控制器1计算出二者之间的距离，并判断便携式信号终端4是否进入了核心控制器1的报警范围。若便携式信号终端4进入核心控制器1的报警范围便携式信号终端4会发出振动报警，提醒人员注意，核心控制器1驱动声光报警模块3发出相应的声光报警信号，同时，输出隔离模块输出相应的开关量触点信号，控制设备停止相应的动作或停机。（3）当两台设备相互靠近时，两台核心控制器1相互测距，并判断对方是否进入自身所设定的防护区，若对方进入自身所设定防护区，则发出相应的报警信号，待设备离开对方防护区时，报警自动解除。

本发明专门针对煤矿井下移动设备设计了相应的防入侵及危险接近报警装置及检测方法，不仅可以实现设备与人之间的接近报警，还可实现设备与设备之间的接近报警功能。该防入侵及危险接近报警装置可用于气体爆炸危险性环境中，体积小、重量轻、功耗低、安装维护方便、系统可靠、精度高、实用性强，填补了该领域一大空白。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。