本發(fā)明涉及一種吊桶運(yùn)行安全保護(hù)技術(shù)，具體是一種基于吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)的吊桶松繩故障檢測方法。

背景技術(shù)：

吊桶提升是立井井筒施工期間升降人員、矸石、材料的主要運(yùn)輸方式，在立井井筒建設(shè)過程中占有不可替代的核心地位。吊桶提升系統(tǒng)能否安全運(yùn)行不僅影響到井筒施工效率，更關(guān)系到工人的生命安全與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。隨著施工項(xiàng)目的逐年遞增以及施工工期的不斷縮短，吊桶提升的任務(wù)強(qiáng)度也越來越大，由此帶來的惡性事故也不斷發(fā)生，例如吊桶下放過程中異物橫出而造成的松繩與蹲罐事故，井底積水過深而造成的吊桶內(nèi)人員溺水事故，掉盤上工作人員突遇吊桶下所造成的傷人事故。

以上事故的發(fā)生固然與現(xiàn)場部分人員違規(guī)操作有關(guān)，但也與吊桶提升系統(tǒng)普遍缺乏安全保護(hù)系統(tǒng)有直接關(guān)系。目前的吊桶提升系統(tǒng)中，司機(jī)無法獲知吊桶的實(shí)際運(yùn)行速度、傾斜角度、周圍障礙物情況等重要信息，僅憑有限的間接傳感數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行操作。這種傳統(tǒng)的安全保障措施已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)階段對于吊桶提升的工作要求。尤其是在吊桶下放過程中，當(dāng)有人員、異物突然出現(xiàn)時(shí)，地面司機(jī)根本無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生并造成嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，因此亟需一套自動(dòng)化的吊桶提升安全保護(hù)系統(tǒng)，以避免惡性事故的再度發(fā)生，保障吊桶提升系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

近年來在吊桶提升安全方面取得了一些研究成果：例如，2012年中煤五建四十九處的王煥霞，對以往的吊桶防墜技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并對防墜技術(shù)的質(zhì)量控制提出了明確的指標(biāo)；2014年中煤三建機(jī)電安裝處的惠曉帆，對乘人吊桶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，解決了墜物傷人與提升鉤頭下落傷人的事故隱患；2014年徐州礦務(wù)局龐莊煤礦的萬強(qiáng)，闡述了一種吊桶防墜器，能夠有效避免吊桶墜井事故的發(fā)生；2015年中煤礦山建設(shè)集團(tuán)的徐輝東，針對大直徑超深立井設(shè)計(jì)了大體積底卸式吊桶，并對吊鉤進(jìn)行了改造，增加了吊桶整體的安全可靠性。

由近年來研究現(xiàn)狀可以看出，以往對于吊桶安全保護(hù)的研究主要集中在過卷、斷繩等故障的事后保護(hù)方面，而針對故障發(fā)生前的狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)報(bào)卻少有研究涉及。如果能在吊桶發(fā)生故障前檢測到相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化情況，及時(shí)判讀出故障類型，并向操作人員發(fā)出警報(bào)，進(jìn)而觸發(fā)相關(guān)的保護(hù)動(dòng)作，則可以有效避免嚴(yán)重傷亡事故的發(fā)生，保障企業(yè)與人員的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)與生命安全。

對常見的吊桶提升事故進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)：其事故根源在于地面提升司機(jī)無法準(zhǔn)確獲知吊桶是否松繩，極易導(dǎo)致事故的發(fā)生并造成嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。由國內(nèi)研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)：目前尚未有專門針對立井施工過程中吊桶提升的安全保護(hù)系統(tǒng)。而目前廣泛使用的防蹲罐裝置，防墜器、防過卷設(shè)備均屬于“事后保護(hù)”，即事故已經(jīng)發(fā)生后如何減小傷亡損失，這種“被動(dòng)觸發(fā)式”的保護(hù)系統(tǒng)無法適用于立井施工過程中復(fù)雜多變的現(xiàn)場工作環(huán)境。因此需要針對立井施工現(xiàn)場的特殊情況，研發(fā)一套“主動(dòng)探測式”的吊桶提升安全綜合保護(hù)的吊桶松繩故障檢測方法，即一種基于吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)的吊桶松繩故障檢測方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決上述技術(shù)問題并克服現(xiàn)有的缺陷，提供一種基于吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)的吊桶運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測方法，其能夠使得地面操作人員以及遠(yuǎn)程管理人員能夠及時(shí)了解吊桶吊桶是否松繩，并能在事故發(fā)生初期發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)采取必要的保護(hù)措施，從而全方位保障吊桶的安全運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)的吊桶松繩故障檢測方法，包括如下步驟：

1)數(shù)據(jù)采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換

由六軸加速度計(jì)分別采集得到吊桶運(yùn)行的三個(gè)線加速度值A(chǔ)dcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，與三個(gè)角加速度值A(chǔ)dcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換處理，得到具有真實(shí)物理意義的數(shù)據(jù)，即三個(gè)線加速度值A(chǔ)_AccX、A_AccY、A_AccZ，與三個(gè)角加速度值A(chǔ)_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ；具體如下：

式中，σ_Acc為線加速度計(jì)的靈敏，γ_Acc為控制器采集線加速度數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換系數(shù)，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分別為三個(gè)線加速度采集通道的零位基準(zhǔn)值；

式中，σ_Gyro為角加速度計(jì)的靈敏，γ_Gyro為控制器采集角加速度數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換系數(shù)，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分別為三個(gè)角加速度采集通道的零位基準(zhǔn)值；

2)計(jì)算吊桶運(yùn)行加速度

根據(jù)步驟1)得到的三個(gè)線加速度值A(chǔ)_AccX、A_AccY、A_AccZ，與三個(gè)角加速度值A(chǔ)_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得到吊桶運(yùn)行過程中三個(gè)方向的實(shí)時(shí)加速度值A(chǔ)_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；具體如下：

首先，由第n組三個(gè)角加速度值A(chǔ)_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ計(jì)算出對應(yīng)的三個(gè)線加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，設(shè)第n組的合成加速度在XZ平面內(nèi)的投影與Z軸的夾角為θ_XZ(n)，在YZ平面內(nèi)的投影與Z軸的夾角為θ_YZ(n)，在XY平面內(nèi)的投影與Y軸的夾角為θ_XY(n)，控制系統(tǒng)采樣周期為t，則：

而后，結(jié)合由控制系統(tǒng)采集到的線加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度計(jì)算出的線加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出吊桶運(yùn)行過程中三個(gè)方向的實(shí)時(shí)加速度值A(chǔ)_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

式中，ε_Gyro為角加速度的加權(quán)系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，取值范圍為5～20；

3)計(jì)算吊桶當(dāng)前姿態(tài)

根據(jù)步驟2)得到的吊桶三個(gè)方向的實(shí)時(shí)加速度值A(chǔ)_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通過矢量分解的方法，可以求出吊桶在三個(gè)方向上的傾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，設(shè)吊桶運(yùn)行加速度的矢量合為A_Buck，則：

A_Buck＝(A_BuckX²+A_BuckY²+A_BuckZ²)^1/2

如果吊桶的在X方向上的傾斜角度超過規(guī)定值θ_StdX，則標(biāo)識(shí)符F_LeanX為1；如果吊桶的在Y方向上的傾斜角度超過規(guī)定值θ_StdY，則標(biāo)識(shí)符F_LeanY為1；如果F_LeanX與F_LeanY任意一個(gè)為1，則系統(tǒng)立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，向地面操作人員發(fā)報(bào)警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)；

4)計(jì)算吊桶運(yùn)行速度

根據(jù)步驟2)得到的吊桶在垂直方向上的線加速度A_BuckZ，利用積分得到基于加速度計(jì)的吊桶運(yùn)行速度V_Acc；而后由激光測距儀得到吊桶下方距井底的距離D_Las，利用微分得到基于激光測距儀的吊桶運(yùn)行速度V_Las；之后將兩種方式得到的吊桶速度進(jìn)行融合，得出最終的吊桶運(yùn)行速度V_Buck，如果吊桶運(yùn)行速度超過規(guī)定值，則立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，向地面操作人員發(fā)報(bào)警；具體如下：

首先，對吊桶在垂直方向上的線加速度A_BuckZ進(jìn)行數(shù)值積分，得到基于加速度計(jì)的吊桶運(yùn)行速度V_Acc，設(shè)第n組數(shù)據(jù)時(shí)，吊桶運(yùn)行速度為V_Acc(n)，第n+1組數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)?shù)跬霸诖怪狈较蛏系木€加速度為A_BuckZ(n+1)，控制系統(tǒng)采樣周期為t，則基于加速度計(jì)的吊桶速度V_Acc(n+1)為：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光測距儀得到吊桶下方距井底的距離D_Las，利用數(shù)值微分得到基于激光測距儀的吊桶運(yùn)行速度V_Las，設(shè)第n組數(shù)據(jù)時(shí)，激光測距儀數(shù)據(jù)為D_Las(n)，第n+1組數(shù)據(jù)時(shí)，激光測距儀數(shù)據(jù)為D_Las(n+1)，控制系統(tǒng)采樣周期為t，則基于激光測距儀的吊桶速度V_Las(n+1)為：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，結(jié)合式中基于加速度計(jì)的吊桶速度V_Acc，和基于激光測距儀的吊桶速度V_Las進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出最終的吊桶運(yùn)行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las為激光測速的加權(quán)系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，取值范圍為3～9；

如果吊桶運(yùn)行速度超過規(guī)定值V_Std，則標(biāo)識(shí)符F_Speed為1，系統(tǒng)立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，向地面操作人員發(fā)報(bào)警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)；

5)數(shù)據(jù)分析

由上述步驟4)得到的吊桶運(yùn)行速度V_Buck，結(jié)合PLC控制器獲得的地面絞車升降鋼絲繩速度V_Wire，利用鋼絲繩運(yùn)行速度V_Wire與吊桶運(yùn)行速度V_Buck的差值與設(shè)定的安全差值V_Dif進(jìn)行對比，來判斷吊桶是否發(fā)生了松繩故障：

F_Losse＝sgn(|V_Wire|-|V_Buck|-V_Dif)

式中，F(xiàn)_loose為松繩故障標(biāo)識(shí)，其值為1時(shí)表示探測到松繩風(fēng)險(xiǎn)，另外，需要根據(jù)現(xiàn)場情況，對V_Dif進(jìn)行調(diào)節(jié)，其取值范圍為V_Wire數(shù)值的10％～15％；

6)故障處理

根據(jù)式的計(jì)算結(jié)果，如果判斷出吊桶發(fā)生了松繩故障，則立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，并通過PLC控制器進(jìn)行吊桶運(yùn)行制動(dòng)以及其他的故障處理措施。

優(yōu)選地，所述吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)包括吊桶、機(jī)載探測子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、地面保護(hù)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，所述機(jī)載探測子系統(tǒng)與無線傳輸子系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)連接并傳輸數(shù)據(jù)，所述無線傳輸子系統(tǒng)與地面保護(hù)子系統(tǒng)之間通過光纖電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)，所述地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)之間通過Internet連接并傳輸數(shù)據(jù)，所述機(jī)載子系統(tǒng)安裝于吊桶上；所述綜合保護(hù)系統(tǒng)能夠使得地面操作人員以及遠(yuǎn)程管理人員全方位了解吊桶運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)速度、姿態(tài)、位置，從而檢測出吊桶是否發(fā)生松繩故障，還能主動(dòng)探測吊桶下方障礙物情況，并能在事故發(fā)生初期發(fā)出報(bào)警以及自動(dòng)采取保護(hù)措施，從而全方位保障吊桶的安全運(yùn)行。

優(yōu)選地，所述機(jī)載探測子系統(tǒng)包括：機(jī)載控制器、機(jī)載電池、六軸加速度計(jì)、三個(gè)超聲波傳感器、激光測距儀、紅外攝像儀、聲光報(bào)警器、無線收發(fā)器，且均具備防塵、防水、防爆外殼；

其中，機(jī)載電池與機(jī)載控制器、六軸加速度計(jì)、超聲波傳感器、激光測距儀、紅外攝像儀、聲光報(bào)警器、無線收發(fā)器通過阻燃電纜連接并提供電能；機(jī)載控制器與六軸加速度計(jì)通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器與三個(gè)超聲波傳感器通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器與激光測距儀通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器與紅外攝像儀通過阻燃網(wǎng)線連接并傳輸數(shù)據(jù)、機(jī)載控制器與聲光報(bào)警器通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器與無線收發(fā)器通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；

機(jī)載子系統(tǒng)安裝于吊桶上，該吊桶分為上、中、下三段：上段的上部為敞開式結(jié)構(gòu)，圓形開口無遮擋物覆蓋，用于承載物料或人員，其外壁安裝有無線收發(fā)器；中段為帶有蓋板的封閉式結(jié)構(gòu)，具有防塵、防水效果，其內(nèi)部安裝有機(jī)載控制器、機(jī)載電池、六軸加速度計(jì)；下段的下部為敞開式結(jié)構(gòu)，圓形開口無遮擋物覆蓋，其上部吊裝有超聲波傳感器、激光測距儀、紅外攝像儀、聲光報(bào)警器，所述三個(gè)超聲波傳感器設(shè)于所述吊桶下段下部所在圓的直徑及圓心位置。

優(yōu)選地，所述無線傳輸子系統(tǒng)包括沿井筒豎直方向上設(shè)置井壁上的若干個(gè)間距50m的無線傳輸基站，所述無線傳輸基站均具備防塵、防水、防爆外殼；

其中，無線傳輸基站之間通過無線信號(hào)連接無線收發(fā)器并傳送數(shù)據(jù)，且無線收發(fā)器與距其最近信號(hào)最強(qiáng)的無線傳輸基站無線通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)載探測子系統(tǒng)與無線傳輸子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；各個(gè)無線傳輸基站通過井壁上的供電電纜獲取電能。

優(yōu)選地，所述地面保護(hù)子系統(tǒng)包括：光纖交換機(jī)、PLC控制器、工控機(jī)、服務(wù)器；

其中，光纖交換機(jī)與井口處的無線傳輸基站通過光纖電纜連接，實(shí)現(xiàn)無線

傳輸子系統(tǒng)與地面保護(hù)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；光纖交換機(jī)與PLC控制器、工控機(jī)、服務(wù)器之間依次通過雙絞線連接并傳輸數(shù)據(jù)；地面保護(hù)子系統(tǒng)安裝于地面調(diào)度室內(nèi)。

優(yōu)選地，所述遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)包括：無線路由器、工控機(jī)、手機(jī)、筆記本；

其中，無線路由器與服務(wù)器通過Internet相連并傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；路由器與工控機(jī)、手機(jī)、筆記本之間均通過無線信號(hào)相連并傳輸數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)可安裝于能夠連接Internet網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程任何位置。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明能夠直接檢測吊桶是否發(fā)生松繩故障，并能在事故發(fā)生初期發(fā)出報(bào)警，自動(dòng)采取必要的保護(hù)措施，從而全方位保障吊桶的安全運(yùn)行；

(2)本發(fā)明通過松繩故障的直接檢測方法能有效避免現(xiàn)有吊桶施工中存在的吊桶下放過程中異物橫出而造成的松繩與蹲罐事故，井底積水過深而造成的吊桶內(nèi)人員溺水事故，掉盤上工作人員突遇吊桶下墜所造成的傷人事故的發(fā)生，從而間接的提高井筒施工效率，滿足日益增長的施工項(xiàng)目數(shù)和施工工期的縮短要求，進(jìn)一步的保證工人的生命安全與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益；

(3)而本發(fā)明包括依次電連接的機(jī)載探測子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、地面保護(hù)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，并結(jié)合吊桶升降過程運(yùn)動(dòng)參數(shù)的監(jiān)測方法、障礙物的探測方法和松繩故障的直接檢測方法能夠使得地面操作人員以及遠(yuǎn)程管理人員全方位了解吊桶運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)速度、姿態(tài)、位置，從而檢測出吊桶是否發(fā)生松繩故障，并能在事故發(fā)生初期發(fā)出報(bào)警以及自動(dòng)采取保護(hù)措施，以避免惡性事故的再度發(fā)生，從而全方位保障吊桶的安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行；

(4)本發(fā)明避開現(xiàn)有技術(shù)中主要針對吊桶安全保護(hù)的研究主要集中在過卷、斷繩等故障的事后保護(hù)方向，而是側(cè)重于故障發(fā)生前的狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)報(bào)，解決地面提升司機(jī)無法準(zhǔn)確獲知吊桶下放過程中周圍的環(huán)境情況的問題，能在吊桶發(fā)生故障前檢測到相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化情況，及時(shí)判讀出故障類型，并向操作人員發(fā)出警報(bào)，進(jìn)而觸發(fā)相關(guān)的保護(hù)動(dòng)作，則可以有效避免嚴(yán)重傷亡事故的發(fā)生，保障企業(yè)與人員的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)與生命安全；尤其是當(dāng)有人員、異物突然出現(xiàn)在吊桶下方時(shí)地面司機(jī)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免事故的發(fā)生，減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖；

圖3為本發(fā)明中所述吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)吊桶升降過程中的松繩故障直接檢測方法流程圖。

圖1中，1-機(jī)載控制器，2-機(jī)載電池，3-六軸加速度計(jì)，4-超聲波傳感器，5-激光測距儀，6-紅外攝像儀，7-聲光報(bào)警器，8-無線收發(fā)器，9-無線傳輸基站，10-光纖交換機(jī)，11-PLC控制器，12-工控機(jī)，13-服務(wù)器，14-無線路由器，15-工控機(jī)，16-手機(jī)，17-筆記本。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1-3所示，一種基于吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)的吊桶松繩故障檢測方法，所述吊桶運(yùn)行安全綜合防護(hù)系統(tǒng)包括吊桶、機(jī)載探測子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、地面保護(hù)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，所述機(jī)載探測子系統(tǒng)與無線傳輸子系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)連接并傳輸數(shù)據(jù)，所述無線傳輸子系統(tǒng)與地面保護(hù)子系統(tǒng)之間通過光纖電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)，所述地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)之間通過Internet連接并傳輸數(shù)據(jù)，所述機(jī)載子系統(tǒng)安裝于吊桶上；所述綜合保護(hù)系統(tǒng)能夠使得地面操作人員以及遠(yuǎn)程管理人員全方位了解吊桶運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)速度、姿態(tài)、位置，從而檢測出吊桶是否發(fā)生松繩故障，還能主動(dòng)探測吊桶下方障礙物情況，并能在事故發(fā)生初期發(fā)出報(bào)警以及自動(dòng)采取保護(hù)措施，從而全方位保障吊桶的安全運(yùn)行。

值得注意的是，所述機(jī)載探測子系統(tǒng)包括：機(jī)載控制器1、機(jī)載電池2、六軸加速度計(jì)3、三個(gè)超聲波傳感器4、激光測距儀5、紅外攝像儀6、聲光報(bào)警器7、無線收發(fā)器8，且均具備防塵、防水、防爆外殼；

其中，機(jī)載電池2與機(jī)載控制器1、六軸加速度計(jì)3、超聲波傳感器4、激光測距儀5、紅外攝像儀6、聲光報(bào)警器7、無線收發(fā)器8通過阻燃電纜連接并提供電能；機(jī)載控制器1與六軸加速度計(jì)3通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器1與三個(gè)超聲波傳感器4通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器1與激光測距儀5通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器1與紅外攝像儀6通過阻燃網(wǎng)線連接并傳輸數(shù)據(jù)、機(jī)載控制器1與聲光報(bào)警器7通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；機(jī)載控制器1與無線收發(fā)器8通過阻燃電纜連接并傳輸數(shù)據(jù)；

在本實(shí)施例中，機(jī)載子系統(tǒng)安裝于吊桶上，該吊桶分為上、中、下三段：上段的上部為敞開式結(jié)構(gòu)，圓形開口無遮擋物覆蓋，用于承載物料或人員，其外壁安裝有無線收發(fā)器8；中段為帶有蓋板的封閉式結(jié)構(gòu)，具有防塵、防水效果，其內(nèi)部安裝有機(jī)載控制器1、機(jī)載電池2、六軸加速度計(jì)3；下段的下部為敞開式結(jié)構(gòu)，圓形開口無遮擋物覆蓋，其上部吊裝有超聲波傳感器4、激光測距儀5、紅外攝像儀6、聲光報(bào)警器7，所述三個(gè)超聲波傳感器4設(shè)于所述吊桶下段下部所在圓的直徑及圓心位置。

在本實(shí)施例中，所述無線傳輸子系統(tǒng)包括沿井筒豎直方向上設(shè)置井壁上的若干個(gè)間距50m的無線傳輸基站9，所述無線傳輸基站9均具備防塵、防水、防爆外殼；

其中，無線傳輸基站9之間通過無線信號(hào)連接無線收發(fā)器8并傳送數(shù)據(jù)，且無線收發(fā)器8與距其最近信號(hào)最強(qiáng)的無線傳輸基站9無線通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)載探測子系統(tǒng)與無線傳輸子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；各個(gè)無線傳輸基站9通過井壁上的供電電纜獲取電能。

在本實(shí)施例中，所述地面保護(hù)子系統(tǒng)包括：光纖交換機(jī)10、PLC控制器11、工控機(jī)12、服務(wù)器13；

其中，光纖交換機(jī)10與井口處的無線傳輸基站9通過光纖電纜連接，實(shí)現(xiàn)無線

傳輸子系統(tǒng)與地面保護(hù)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；光纖交換機(jī)10與PLC控制器11、工控機(jī)12、服務(wù)器13之間依次通過雙絞線連接并傳輸數(shù)據(jù)；地面保護(hù)子系統(tǒng)安裝于地面調(diào)度室內(nèi)。

在本實(shí)施例中，所述遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)包括：無線路由器14、工控機(jī)15、手機(jī)16、筆記本17；

其中，無線路由器14與服務(wù)器13通過Internet相連并傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；路由器14與工控機(jī)15、手機(jī)16、筆記本17之間均通過無線信號(hào)相連并傳輸數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)可安裝于能夠連接Internet網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程任何位置。

所述吊桶松繩故障檢測方法包括如下步驟：

1)數(shù)據(jù)采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換

由六軸加速度計(jì)3分別采集得到吊桶運(yùn)行的三個(gè)線加速度值A(chǔ)dcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，與三個(gè)角加速度值A(chǔ)dcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換處理，得到具有真實(shí)物理意義的數(shù)據(jù)，即三個(gè)線加速度值A(chǔ)_AccX、A_AccY、A_AccZ，與三個(gè)角加速度值A(chǔ)_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ；具體如下：

式中，σ_Acc為線加速度計(jì)的靈敏，γ_Acc為控制器采集線加速度數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換系數(shù)，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分別為三個(gè)線加速度采集通道的零位基準(zhǔn)值；

式中，σ_Gyro為角加速度計(jì)的靈敏，γ_Gyro為控制器采集角加速度數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換系數(shù)，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分別為三個(gè)角加速度采集通道的零位基準(zhǔn)值；

2)計(jì)算吊桶運(yùn)行加速度

根據(jù)步驟1)得到的三個(gè)線加速度值A(chǔ)_AccX、A_AccY、A_AccZ，與三個(gè)角加速度值A(chǔ)_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得到吊桶運(yùn)行過程中三個(gè)方向的實(shí)時(shí)加速度值A(chǔ)_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；具體如下：

首先，由第n組三個(gè)角加速度值A(chǔ)_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ計(jì)算出對應(yīng)的三個(gè)線加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，設(shè)第n組的合成加速度在XZ平面內(nèi)的投影與Z軸的夾角為θ_XZ(n)，在YZ平面內(nèi)的投影與Z軸的夾角為θ_YZ(n)，在XY平面內(nèi)的投影與Y軸的夾角為θ_XY(n)，控制系統(tǒng)采樣周期為t，則：

而后，結(jié)合由控制系統(tǒng)采集到的線加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度計(jì)算出的線加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出吊桶運(yùn)行過程中三個(gè)方向的實(shí)時(shí)加速度值A(chǔ)_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

式中，ε_Gyro為角加速度的加權(quán)系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，取值范圍為5～20；

3)計(jì)算吊桶當(dāng)前姿態(tài)

根據(jù)步驟2)得到的吊桶三個(gè)方向的實(shí)時(shí)加速度值A(chǔ)_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通過矢量分解的方法，可以求出吊桶在三個(gè)方向上的傾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，設(shè)吊桶運(yùn)行加速度的矢量合為A_Buck，則：

A_Buck＝(A_BuckX²+A_BuckY²+A_BuckZ²)^1/2

如果吊桶的在X方向上的傾斜角度超過規(guī)定值θ_StdX，則標(biāo)識(shí)符F_LeanX為1；如果吊桶的在Y方向上的傾斜角度超過規(guī)定值θ_StdY，則標(biāo)識(shí)符F_LeanY為1；如果F_LeanX與F_LeanY任意一個(gè)為1，則系統(tǒng)立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，向地面操作人員發(fā)報(bào)警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)；

4)計(jì)算吊桶運(yùn)行速度

根據(jù)步驟2)得到的吊桶在垂直方向上的線加速度A_BuckZ，利用積分得到基于加速度計(jì)的吊桶運(yùn)行速度V_Acc；而后由激光測距儀5得到吊桶下方距井底的距離D_Las，利用微分得到基于激光測距儀的吊桶運(yùn)行速度V_Las；之后將兩種方式得到的吊桶速度進(jìn)行融合，得出最終的吊桶運(yùn)行速度V_Buck，如果吊桶運(yùn)行速度超過規(guī)定值，則立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，向地面操作人員發(fā)報(bào)警；具體如下：

首先，對吊桶在垂直方向上的線加速度A_BuckZ進(jìn)行數(shù)值積分，得到基于加速度計(jì)的吊桶運(yùn)行速度V_Acc，設(shè)第n組數(shù)據(jù)時(shí)，吊桶運(yùn)行速度為V_Acc(n)，第n+1組數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)?shù)跬霸诖怪狈较蛏系木€加速度為A_BuckZ(n+1)，控制系統(tǒng)采樣周期為t，則基于加速度計(jì)的吊桶速度V_Acc(n+1)為：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光測距儀得到吊桶下方距井底的距離D_Las，利用數(shù)值微分得到基于激光測距儀的吊桶運(yùn)行速度V_Las，設(shè)第n組數(shù)據(jù)時(shí)，激光測距儀數(shù)據(jù)為D_Las(n)，第n+1組數(shù)據(jù)時(shí)，激光測距儀數(shù)據(jù)為D_Las(n+1)，控制系統(tǒng)采樣周期為t，則基于激光測距儀的吊桶速度V_Las(n+1)為：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，結(jié)合式中基于加速度計(jì)的吊桶速度V_Acc，和基于激光測距儀的吊桶速度V_Las進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出最終的吊桶運(yùn)行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las為激光測速的加權(quán)系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，取值范圍為3～9；

如果吊桶運(yùn)行速度超過規(guī)定值V_Std，則標(biāo)識(shí)符F_Speed為1，系統(tǒng)立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，向地面操作人員發(fā)報(bào)警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)；

5)數(shù)據(jù)分析

由上述步驟4)得到的吊桶運(yùn)行速度V_Buck，結(jié)合PLC控制器獲得的地面絞車升降鋼絲繩速度V_Wire，利用鋼絲繩運(yùn)行速度V_Wire與吊桶運(yùn)行速度V_Buck的差值與設(shè)定的安全差值V_Dif進(jìn)行對比，來判斷吊桶是否發(fā)生了松繩故障：

F_Losse＝sgn(|V_Wire|-|V_Buck|-V_Dif)

式中，F(xiàn)_loose為松繩故障標(biāo)識(shí)，其值為1時(shí)表示探測到松繩風(fēng)險(xiǎn)，另外，需要根據(jù)現(xiàn)場情況，對V_Dif進(jìn)行調(diào)節(jié)，其取值范圍為V_Wire數(shù)值的10％～15％；

6)故障處理

根據(jù)式的計(jì)算結(jié)果，如果判斷出吊桶發(fā)生了松繩故障，則立即將故障信息通過無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送至地面保護(hù)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)，并通過PLC控制器進(jìn)行吊桶運(yùn)行制動(dòng)以及其他的故障處理措施。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同替換和改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。