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[摘 要]矿井斜巷运输是矿井生产中的事故多发环节。为了杜绝斜井运输中跑车引发的重大事故，我们将跑车防护装置与视频图像目标识别技术应用到该环节，研究可视化监控的跑车防护装置与煤矿斜巷安全运输综合监控系统深度融合，避免因人为因素或设备故障造成运输事故，为井下安全生产提供了有力保障。
[关键词]斜井运输 跑车防护 可视化 监控系统
中图分类号：TP804 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0280-02
1 概况
矿井运输斜巷是矿井生产中的事故多发环节。如何对运输斜巷进行综合监控，实现绞车运行、跑车防护、人员违章预警、声光语音报警等功能的联锁控制，确保运输斜巷安全提升是急待解决的现实问题。本项目的研究是将跑车防护装置与视频图像目标识别技术应用到煤矿井下，为安全生产提供了有力保障。对于井下规范操作及事故原因分析有至关重要的意义。
2 主要提升绞车跑车防护装置及智能监控系统组成
以花山煤矿3米主要提升绞车为例。跑车防护装置包括位移传感器、挡车栏、声光监控箱、电控箱及矿用收放绞车等；智能监控系统由前端摄像仪、声光语音报警器、控制柜、隔爆电源、监视器及传输设备等部分组成。
3 系统主要功能概述
通过该系统将各个摄像仪拍摄的图像传送到监控中心，在监控中心可以选择查看一个或多个摄像仪图像。监控功能主要包括： 摄像及传输、图像显示（单个或多个图像）及存储、图像切换、图像识别等。跑车防护装置具有传感器测位、挡车栏、状态指示、PLC控制、自检等功能。
3.1 跑车防护装置功能
跑车防护装置采用先进的PLC控制，具有故障报警、挡车栏状态指示，采用柔性减速吸能器设计，使矿车的损伤程度降到了最低；同时控制装置具有自检功能，对各部件的工作情况进行巡检，特别是对挡车栏的位置自检，最大限度地避免误动作。
3.2 智能监控系统功能
3.2.1 视频监控功能
在提升缓冲区、上部车场和下部车场、挡车栏处安装摄像仪，实时监视各个工作现场情况，视频图像分为两路，一路提供给绞车司机，使其对矿车运行工况进行实时观测，另一路传输调度中心，使管理调度人员能够实时监控提升斜巷的工作情况，并存储1个月的监控视频。
3.2.2 图像识别功能与预警
工控机中的图像识别软件对关键非安全区域的视频图像进行实时分析，绞车启动时，如果关键非安全区域有人员活动，则由软件输出报警语音信号，提醒绞车司机。
绞车运行过程中，如果有人进入关键非安全区域，报警软件输出报警信号提醒司机，也可以直接停止绞车，避免可能出现的人员伤亡事故。
此外，在绞车运行前和绞车运行过程中，安装在绞车房和各个车场的声光报警装置将进行声光提示。
4 系统工作原理
4.1 跑车防护装置工作原理
装置供电后，PLC电控箱输出24V的直流电源，通过PLC电控箱接口板使四个传感器处于等待工作状态 ，同时PLC将自动判别挡车栏是否下放到位，如果没有下放到位，控制收放绞车将挡车栏自动下放到位，监控箱红灯点亮。
当有矿车下行，深度指示器转动，滑杆在深度指示器丝杠上滑动，当滑动到SA位置，即传感器SA检测到滑杆信号时，电控箱收到传感器SA的检测信号，电控箱将控制电机正转完成上提挡车栏操作，红灯熄灭，黄灯点亮，挡车栏上提到上限位，传感器SE将发出上提挡车拦到位信号，停止上提挡车栏，监控箱绿灯点亮；矿车通过挡车栏后，滑杆通过检测传感器SA，SA无信号输出，电控箱检测到SA信号消失后，电控箱将控制电机反转进行下放挡车栏，同时监控箱绿灯熄灭，黄灯点亮，下放到下限位传感器SF后，电控箱控制停止下放挡车栏，监控箱红灯点亮；若发生跑车事故时，电控箱不动作，挡车栏保持放下的位置即关闭状态。
当矿车上行时，滑杆在深度指示器丝杆上反向滑动，当滑动到SA传感器位置，即传感器SA检测到滑杆信号时，电控箱收到传感器SA信号，电控箱控制上提挡车栏，监控箱熄灭红灯，黄灯点亮，挡车栏上提到上限位传感器SE，SE将发出上提挡车拦到位信号， 停止上提，监控箱黄灯熄灭，绿灯点亮；这时矿车继续上行通过挡车栏后，滑杆的转动通过检测传感器SA，SA无信号输出，电控箱检测到SA信号消失后，电控箱将控制电机反转完成下放擋车栏，下放到下限位传感器SF后，停止下放，监控箱红灯点亮。依次通过各挡车栏，车进入平车场。
4.2 智能监控系统工作原理
该系统用于绞车运行时监控。前端将摄像机采集的视频信号转化为光信号进行远距离传输，再将光信号转换为视频信号送入地面中心站计算机进行图像识别与处理，地面中心站计算机做出结论将信号经报警盒转化传送至控制柜，控制柜接收到计算机传输的信号做出相应的报警及对绞车的控制。
4.3 柔性吸能原理及应用
舰载机是以航空母舰或其他军舰为基地的海军飞机。起飞时，借助自身发动机推力和弹射力联合作用下，滑跑脱钩飞离甲板。降落时，借助着陆钩钩住横置于甲板上的拦阻索，而拦阻索两端与缓冲器相连，在拦阻索的掣动作用下滑跑很短的距离就停止，甲板末端还有备用拦阻网，以保障舰载机平稳停落在甲板上。
基于这一点，本项目研究将舰载机柔性吸能原理，充分的利用于斜井跑车的防护中，挡车栏（吸能器）柔性吸能原理为：当矿车冲击挡车栏，挡车栏的两边通过钢丝绳连接在固定于巷道中的柔性滚筒式吸能器，挡车栏沿着矿车冲击的方向运动，从而带动钢丝绳受力，钢丝绳的传递力使吸能器滚筒旋转，滚筒的旋转使摩擦片产生一定的摩擦力，吸收钢丝绳传递的冲击力，使滚筒的旋转减速变缓以实现矿车停止运动。
4.4 运动目标识别与分离模型算法设计 图像识别技术是利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。
从机器视觉的角度来看，煤矿井下信息感知可以从以下三个层次进行：场景监视、场景描述和场景解释。场景监视就是利用井下各个重要位置的摄像头，进行实时场景监视，主要用于监视现场是否有异常情况发生；场景描述是将现场采集的图像输入到计算机视觉系统，经过处理后对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得其客观信息，从而建立对场景和目标的描述；场景解释就是在前两个层次的基础上，进一步研究图像中各目标的状态和它们之间的相互关系，并得出对客观场景的解释。
该模型首先，设计了适于井下视频图像特点的图像预处理方法。先采用双边滤波进行降噪，然后将多尺度Retinex方法与直方图均衡化相结合，实现了视频图像的增强。应用结果表明，图像降噪和增强效果良好，实现了低亮度区域增强及高亮度区域抑制。
采用计算目标特征信息和模板匹配的方法，设置一定条件实时更新特征信息和模板，实现了对目标的自适应判决识别。整个软件系统中采用链表+目标特征信息结构体的思想进行编程，有效地解决了目标多，信息杂，难以查找和管理的问题。
煤矿井下运输斜巷运动目标辨识分为三个大的阶段：目标捕获阶段、目标跟踪阶段和轨迹回溯阶段：
5.双钩运输跑车防护装置设计原理
5.1 双钩运输跑车防护装置
跑车防护装置用挡车栏在双钩运输轨道使用时，当发生跑车冲击挡车栏的情况下，由于跑车冲击挡车栏受力点不在挡车栏的中间，将造成受力不均，从而引起挡车栏传动到吸能器的拉力不一致，出现一侧吸能器受力转动缓冲，另外一侧不足以转动，不能有效的拦截跑车，对此根据斜井双钩提升的特点共同分析研发，设计出一种适合拦截双钩提升矿车的挡车栏，从而解决目前双钩挡车栏存在的两吸能器受力不均匀及防止矿车跑车滚翻和侧翻问题，通过在花山煤矿3m绞车主要提升绞车道的跑车试验的现场效果来看，已经达到了拦截双钩提升跑车的使用要求，此双钩挡车栏为全国首创（见图3）。
双钩提升挡车栏的特点
1）有效防止跑车侧翻和滚翻
为了防止跑车侧翻和滚翻，改进中又增加了三根辅助网架，每根网架均通过钢丝绳与主绳连接，从而形成网状包络结构。三根辅助网架有效防止跑车由于惯性冲击从网架上面翻滚，越过挡车栏网架；三根辅助网架通过钢丝绳与主绳连接，从而防止跑车脱离轨道从网架侧面翻出网架。
2）两个吸能器均匀承受冲击力
为了解决双钩挡车栏两边吸能器受力均匀问题，其中上面五根网架分别由两根槽钢组成，即每根网架由两根槽钢并排支撑钢丝绳成形，槽钢间距400mm，这样在跑车冲击网架时，中间位置容易变形，形成三角从而保证跑车冲击力在两边钢丝绳上有基本均匀的冲击力，两侧吸能器均匀受力缓冲，使跑车冲击时两吸能器上的钢丝绳受力更均匀。
3）有效防止跑车翻越网架
在横梁与最上面的槽钢上，增加两根滞后用铁链，滞后铁链挂比牵引铁链长500mm，连接横梁与最上面的槽钢，正常处于悬挂状态，在网架遇到跑车冲击时，正常牵引铁链断开，而滞后作用的铁链仍然保持连接状态，网架沿着冲击方向移动一段距离后，滞后作用的铁链断开，这样将有效防止跑车从网架上翻越。
4）网架提升平直美观
改进槽钢结构，采用了将挡车栏的六条整根槽钢，中间400mm两边各破一个缺口，便于在跑车撞击时形成弯角，同时保证提升时，网架在最下面一根的作用下，使網架提升平直美观（见双钩提升挡车网示意图4）。
6 基于图像处理技术的斜井综合智能监控系统
本项目研究首先从煤矿井下超低照度环境补光入手，提出了巷道实用补光方法，实现了图像信息完整采集，实时监控各车场及巷道中的情况；其次，针对煤矿井下人体特征不明显的图像，通过建立基于轨迹预测与回溯机制的运动目标辨识模型，有效解决了煤矿井下运输斜巷人员辨识的难题。最后，通过智能目标识别进行安全预警，研制了阻车器、挡车栏、绞车、转辙机和报警器等设备的五重联锁控制的煤矿运输斜巷综合监控系统，避免因人为因素或设备故障造成运输事故，为安全生产提供了有力保障。
7 结论
花山煤矿3米主要提升绞车矿用运输斜井跑车防护及智能监控系统自2012年1月至2014年12月3年使用情况来看，共发生2次跑车事故和多起绞车运行过程中人员误入非安全区域现象，矿用运输斜井跑车防护及智能监控系统均正常发挥其效果，有效阻止了跑车事故的进一步扩大和避免了因人员误入非安全区域而发生人身事故，安全效益十分显著。目前已在四矿推广应用。
[关键词]斜井运输 跑车防护 可视化 监控系统
中图分类号：TP804 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0280-02
1 概况
矿井运输斜巷是矿井生产中的事故多发环节。如何对运输斜巷进行综合监控，实现绞车运行、跑车防护、人员违章预警、声光语音报警等功能的联锁控制，确保运输斜巷安全提升是急待解决的现实问题。本项目的研究是将跑车防护装置与视频图像目标识别技术应用到煤矿井下，为安全生产提供了有力保障。对于井下规范操作及事故原因分析有至关重要的意义。
2 主要提升绞车跑车防护装置及智能监控系统组成
以花山煤矿3米主要提升绞车为例。跑车防护装置包括位移传感器、挡车栏、声光监控箱、电控箱及矿用收放绞车等；智能监控系统由前端摄像仪、声光语音报警器、控制柜、隔爆电源、监视器及传输设备等部分组成。
3 系统主要功能概述
通过该系统将各个摄像仪拍摄的图像传送到监控中心，在监控中心可以选择查看一个或多个摄像仪图像。监控功能主要包括： 摄像及传输、图像显示（单个或多个图像）及存储、图像切换、图像识别等。跑车防护装置具有传感器测位、挡车栏、状态指示、PLC控制、自检等功能。
3.1 跑车防护装置功能
跑车防护装置采用先进的PLC控制，具有故障报警、挡车栏状态指示，采用柔性减速吸能器设计，使矿车的损伤程度降到了最低；同时控制装置具有自检功能，对各部件的工作情况进行巡检，特别是对挡车栏的位置自检，最大限度地避免误动作。
3.2 智能监控系统功能
3.2.1 视频监控功能
在提升缓冲区、上部车场和下部车场、挡车栏处安装摄像仪，实时监视各个工作现场情况，视频图像分为两路，一路提供给绞车司机，使其对矿车运行工况进行实时观测，另一路传输调度中心，使管理调度人员能够实时监控提升斜巷的工作情况，并存储1个月的监控视频。
3.2.2 图像识别功能与预警
工控机中的图像识别软件对关键非安全区域的视频图像进行实时分析，绞车启动时，如果关键非安全区域有人员活动，则由软件输出报警语音信号，提醒绞车司机。
绞车运行过程中，如果有人进入关键非安全区域，报警软件输出报警信号提醒司机，也可以直接停止绞车，避免可能出现的人员伤亡事故。
此外，在绞车运行前和绞车运行过程中，安装在绞车房和各个车场的声光报警装置将进行声光提示。
4 系统工作原理
4.1 跑车防护装置工作原理
装置供电后，PLC电控箱输出24V的直流电源，通过PLC电控箱接口板使四个传感器处于等待工作状态 ，同时PLC将自动判别挡车栏是否下放到位，如果没有下放到位，控制收放绞车将挡车栏自动下放到位，监控箱红灯点亮。
当有矿车下行，深度指示器转动，滑杆在深度指示器丝杠上滑动，当滑动到SA位置，即传感器SA检测到滑杆信号时，电控箱收到传感器SA的检测信号，电控箱将控制电机正转完成上提挡车栏操作，红灯熄灭，黄灯点亮，挡车栏上提到上限位，传感器SE将发出上提挡车拦到位信号，停止上提挡车栏，监控箱绿灯点亮；矿车通过挡车栏后，滑杆通过检测传感器SA，SA无信号输出，电控箱检测到SA信号消失后，电控箱将控制电机反转进行下放挡车栏，同时监控箱绿灯熄灭，黄灯点亮，下放到下限位传感器SF后，电控箱控制停止下放挡车栏，监控箱红灯点亮；若发生跑车事故时，电控箱不动作，挡车栏保持放下的位置即关闭状态。
当矿车上行时，滑杆在深度指示器丝杆上反向滑动，当滑动到SA传感器位置，即传感器SA检测到滑杆信号时，电控箱收到传感器SA信号，电控箱控制上提挡车栏，监控箱熄灭红灯，黄灯点亮，挡车栏上提到上限位传感器SE，SE将发出上提挡车拦到位信号， 停止上提，监控箱黄灯熄灭，绿灯点亮；这时矿车继续上行通过挡车栏后，滑杆的转动通过检测传感器SA，SA无信号输出，电控箱检测到SA信号消失后，电控箱将控制电机反转完成下放擋车栏，下放到下限位传感器SF后，停止下放，监控箱红灯点亮。依次通过各挡车栏，车进入平车场。
4.2 智能监控系统工作原理
该系统用于绞车运行时监控。前端将摄像机采集的视频信号转化为光信号进行远距离传输，再将光信号转换为视频信号送入地面中心站计算机进行图像识别与处理，地面中心站计算机做出结论将信号经报警盒转化传送至控制柜，控制柜接收到计算机传输的信号做出相应的报警及对绞车的控制。
4.3 柔性吸能原理及应用
舰载机是以航空母舰或其他军舰为基地的海军飞机。起飞时，借助自身发动机推力和弹射力联合作用下，滑跑脱钩飞离甲板。降落时，借助着陆钩钩住横置于甲板上的拦阻索，而拦阻索两端与缓冲器相连，在拦阻索的掣动作用下滑跑很短的距离就停止，甲板末端还有备用拦阻网，以保障舰载机平稳停落在甲板上。
基于这一点，本项目研究将舰载机柔性吸能原理，充分的利用于斜井跑车的防护中，挡车栏（吸能器）柔性吸能原理为：当矿车冲击挡车栏，挡车栏的两边通过钢丝绳连接在固定于巷道中的柔性滚筒式吸能器，挡车栏沿着矿车冲击的方向运动，从而带动钢丝绳受力，钢丝绳的传递力使吸能器滚筒旋转，滚筒的旋转使摩擦片产生一定的摩擦力，吸收钢丝绳传递的冲击力，使滚筒的旋转减速变缓以实现矿车停止运动。
4.4 运动目标识别与分离模型算法设计 图像识别技术是利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。
从机器视觉的角度来看，煤矿井下信息感知可以从以下三个层次进行：场景监视、场景描述和场景解释。场景监视就是利用井下各个重要位置的摄像头，进行实时场景监视，主要用于监视现场是否有异常情况发生；场景描述是将现场采集的图像输入到计算机视觉系统，经过处理后对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得其客观信息，从而建立对场景和目标的描述；场景解释就是在前两个层次的基础上，进一步研究图像中各目标的状态和它们之间的相互关系，并得出对客观场景的解释。
该模型首先，设计了适于井下视频图像特点的图像预处理方法。先采用双边滤波进行降噪，然后将多尺度Retinex方法与直方图均衡化相结合，实现了视频图像的增强。应用结果表明，图像降噪和增强效果良好，实现了低亮度区域增强及高亮度区域抑制。
采用计算目标特征信息和模板匹配的方法，设置一定条件实时更新特征信息和模板，实现了对目标的自适应判决识别。整个软件系统中采用链表+目标特征信息结构体的思想进行编程，有效地解决了目标多，信息杂，难以查找和管理的问题。
煤矿井下运输斜巷运动目标辨识分为三个大的阶段：目标捕获阶段、目标跟踪阶段和轨迹回溯阶段：
5.双钩运输跑车防护装置设计原理
5.1 双钩运输跑车防护装置
跑车防护装置用挡车栏在双钩运输轨道使用时，当发生跑车冲击挡车栏的情况下，由于跑车冲击挡车栏受力点不在挡车栏的中间，将造成受力不均，从而引起挡车栏传动到吸能器的拉力不一致，出现一侧吸能器受力转动缓冲，另外一侧不足以转动，不能有效的拦截跑车，对此根据斜井双钩提升的特点共同分析研发，设计出一种适合拦截双钩提升矿车的挡车栏，从而解决目前双钩挡车栏存在的两吸能器受力不均匀及防止矿车跑车滚翻和侧翻问题，通过在花山煤矿3m绞车主要提升绞车道的跑车试验的现场效果来看，已经达到了拦截双钩提升跑车的使用要求，此双钩挡车栏为全国首创（见图3）。
双钩提升挡车栏的特点
1）有效防止跑车侧翻和滚翻
为了防止跑车侧翻和滚翻，改进中又增加了三根辅助网架，每根网架均通过钢丝绳与主绳连接，从而形成网状包络结构。三根辅助网架有效防止跑车由于惯性冲击从网架上面翻滚，越过挡车栏网架；三根辅助网架通过钢丝绳与主绳连接，从而防止跑车脱离轨道从网架侧面翻出网架。
2）两个吸能器均匀承受冲击力
为了解决双钩挡车栏两边吸能器受力均匀问题，其中上面五根网架分别由两根槽钢组成，即每根网架由两根槽钢并排支撑钢丝绳成形，槽钢间距400mm，这样在跑车冲击网架时，中间位置容易变形，形成三角从而保证跑车冲击力在两边钢丝绳上有基本均匀的冲击力，两侧吸能器均匀受力缓冲，使跑车冲击时两吸能器上的钢丝绳受力更均匀。
3）有效防止跑车翻越网架
在横梁与最上面的槽钢上，增加两根滞后用铁链，滞后铁链挂比牵引铁链长500mm，连接横梁与最上面的槽钢，正常处于悬挂状态，在网架遇到跑车冲击时，正常牵引铁链断开，而滞后作用的铁链仍然保持连接状态，网架沿着冲击方向移动一段距离后，滞后作用的铁链断开，这样将有效防止跑车从网架上翻越。
4）网架提升平直美观
改进槽钢结构，采用了将挡车栏的六条整根槽钢，中间400mm两边各破一个缺口，便于在跑车撞击时形成弯角，同时保证提升时，网架在最下面一根的作用下，使網架提升平直美观（见双钩提升挡车网示意图4）。
6 基于图像处理技术的斜井综合智能监控系统
本项目研究首先从煤矿井下超低照度环境补光入手，提出了巷道实用补光方法，实现了图像信息完整采集，实时监控各车场及巷道中的情况；其次，针对煤矿井下人体特征不明显的图像，通过建立基于轨迹预测与回溯机制的运动目标辨识模型，有效解决了煤矿井下运输斜巷人员辨识的难题。最后，通过智能目标识别进行安全预警，研制了阻车器、挡车栏、绞车、转辙机和报警器等设备的五重联锁控制的煤矿运输斜巷综合监控系统，避免因人为因素或设备故障造成运输事故，为安全生产提供了有力保障。
7 结论
花山煤矿3米主要提升绞车矿用运输斜井跑车防护及智能监控系统自2012年1月至2014年12月3年使用情况来看，共发生2次跑车事故和多起绞车运行过程中人员误入非安全区域现象，矿用运输斜井跑车防护及智能监控系统均正常发挥其效果，有效阻止了跑车事故的进一步扩大和避免了因人员误入非安全区域而发生人身事故，安全效益十分显著。目前已在四矿推广应用。