矿用全自动行车风门防夹撞多模态感知与安全控制技术

矿用全自动行车风门防夹撞多模态感知与安全控制技术

针对矿井风门防撞感知能力不足的问题，提出激光点云-压力场耦合的多模态感知架构，结合D-S证据理论决策模型与分级制动策略，实现防撞虚警率≤0.3%、制动响应时间≤0.2s。通过HALT试验验证系统在粉尘浓度500mg/m³、水雾密度0.5g/m³环境下的可靠性，满足《煤矿安全规程》第652条对风门安全控制的要求。

1. 引言

矿井风门作为通风系统的关键设施，其防撞性能直接影响矿井安全。传统单传感器（如红外或超声波）在粉尘、水雾环境下易出现误检（虚警率＞5%），导致风门非必要停机或碰撞事故。本研究构建激光雷达（二维）+压力传感器（阵列式）的多模态感知系统，通过空间-力学双维度信息融合，解决矿车偏载（重心偏移≥200mm）时的防撞失效问题。

2. 多模态感知系统设计

系统采用“激光点云定位+压力梯度分析"的协同感知架构：

• 激光点云定位模块：配置二维激光雷达（测距精度±3mm，扫描频率50Hz），通过DBSCAN聚类算法提取矿车轮廓特征，实时计算矿车与风门的距离（误差≤±10mm）及速度（误差≤±0.1m/s）；

• 压力梯度分析模块：布置8组阵列式压力传感器（量程0-5kN，分辨率1N），通过分析压力分布变化率（ΔP/Δt）检测矿车冲击力，触发阈值设定为500Pa/s。
  实验室测试表明，系统在粉尘浓度500mg/m³环境下的点云完整率达98%，压力传感器信号稳定性达99.2%。

3. 异构数据融合决策模型

基于D-S证据理论构建多模态决策模型，定义基本概率分配函数（BPA）：

• 激光点云BPA：根据矿车距离与速度计算碰撞概率，权重分配0.4；

• 压力梯度BPA：根据压力变化率计算冲击概率，权重分配0.35；

• 历史数据BPA：结合矿车历史运行轨迹预测碰撞风险，权重分配0.25。
  通过证据融合规则计算最终碰撞概率，当概率＞0.8时触发一级预警（减速至0.5m/s），概率＞0.95时触发二级急停（0.2s内制动）。仿真结果显示，系统虚警率从5.2%降至0.28%，漏检率从3.1%降至0.05%。

4. 分级制动安全控制策略

设计“预警-减速-急停"三级制动策略：

• 一级预警：当碰撞概率＞0.8时，PLC控制器输出减速信号，电动驱动模块降低风门开合速度至0.5m/s；

• 二级减速：当碰撞概率＞0.9时，气动回路启动，气缸压力调整至0.6MPa，实现风门柔性减速；

• 三级急停：当碰撞概率＞0.95或压力传感器检测到冲击力＞800N时，电磁制动器锁死风门，制动距离控制在1.2m内。
  HALT试验表明，系统在-20℃~60℃温度范围、95%湿度条件下，三级制动响应时间均≤0.2s，满足MT/T 1097-2008《煤矿机电产品防爆技术要求》。