礦用全自動(dòng)行車風(fēng)門防夾撞多模態(tài)感知與安全控制技術(shù)

針對(duì)礦井風(fēng)門防撞感知能力不足的問(wèn)題，提出激光點(diǎn)云-壓力場(chǎng)耦合的多模態(tài)感知架構(gòu)，結(jié)合D-S證據(jù)理論決策模型與分級(jí)制動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)防撞虛警率≤0.3%、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間≤0.2s。通過(guò)HALT試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)在粉塵濃度500mg/m3、水霧密度0.5g/m3環(huán)境下的可靠性，滿足《煤礦安全規(guī)程》第652條對(duì)風(fēng)門安全控制的要求。

1. 引言

礦井風(fēng)門作為通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，其防撞性能直接影響礦井安全。傳統(tǒng)單傳感器（如紅外或超聲波）在粉塵、水霧環(huán)境下易出現(xiàn)誤檢（虛警率＞5%），導(dǎo)致風(fēng)門非必要停機(jī)或碰撞事故。本研究構(gòu)建激光雷達(dá)（二維）+壓力傳感器（陣列式）的多模態(tài)感知系統(tǒng)，通過(guò)空間-力學(xué)雙維度信息融合，解決礦車偏載（重心偏移≥200mm）時(shí)的防撞失效問(wèn)題。

2. 多模態(tài)感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用“激光點(diǎn)云定位+壓力梯度分析"的協(xié)同感知架構(gòu)：

• 激光點(diǎn)云定位模塊：配置二維激光雷達(dá)（測(cè)距精度±3mm，掃描頻率50Hz），通過(guò)DBSCAN聚類算法提取礦車輪廓特征，實(shí)時(shí)計(jì)算礦車與風(fēng)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(guò)分析壓力分布變化率（ΔP/Δt）檢測(cè)礦車沖擊力，觸發(fā)閾值設(shè)定為500Pa/s。
  實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，系統(tǒng)在粉塵濃度500mg/m3環(huán)境下的點(diǎn)云完整率達(dá)98%，壓力傳感器信號(hào)穩(wěn)定性達(dá)99.2%。

3. 異構(gòu)數(shù)據(jù)融合決策模型

基于D-S證據(jù)理論構(gòu)建多模態(tài)決策模型，定義基本概率分配函數(shù)（BPA）：

• 激光點(diǎn)云BPA：根據(jù)礦車距離與速度計(jì)算碰撞概率，權(quán)重分配0.4；

• 壓力梯度BPA：根據(jù)壓力變化率計(jì)算沖擊概率，權(quán)重分配0.35；

• 歷史數(shù)據(jù)BPA：結(jié)合礦車歷史運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，權(quán)重分配0.25。
  通過(guò)證據(jù)融合規(guī)則計(jì)算最終碰撞概率，當(dāng)概率＞0.8時(shí)觸發(fā)一級(jí)預(yù)警（減速至0.5m/s），概率＞0.95時(shí)觸發(fā)二級(jí)急停（0.2s內(nèi)制動(dòng)）。仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)虛警率從5.2%降至0.28%，漏檢率從3.1%降至0.05%。

4. 分級(jí)制動(dòng)安全控制策略

設(shè)計(jì)“預(yù)警-減速-急停"三級(jí)制動(dòng)策略：

• 一級(jí)預(yù)警：當(dāng)碰撞概率＞0.8時(shí)，PLC控制器輸出減速信號(hào)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊降低風(fēng)門開合速度至0.5m/s；

• 二級(jí)減速：當(dāng)碰撞概率＞0.9時(shí)，氣動(dòng)回路啟動(dòng)，氣缸壓力調(diào)整至0.6MPa，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門柔性減速；

• 三級(jí)急停：當(dāng)碰撞概率＞0.95或壓力傳感器檢測(cè)到?jīng)_擊力＞800N時(shí)，電磁制動(dòng)器鎖死風(fēng)門，制動(dòng)距離控制在1.2m內(nèi)。
  HALT試驗(yàn)表明，系統(tǒng)在-20℃~60℃溫度范圍、95%濕度條件下，三級(jí)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間均≤0.2s，滿足MT/T 1097-2008《煤礦機(jī)電產(chǎn)品防爆技術(shù)要求》。