CN106744221A - 一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法，包括依次连接的机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统和远程监视子系统；同时还公开了基于吊桶运行安全综合防护系统的吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法，能够获得吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，主动探测吊桶下方障碍物情况，直接检测吊桶是否发生松绳故障，本系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行的各项参数，并能在事故发生初期发出报警，自动采取必要的保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行。

Description

一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法

技术领域

本发明涉及一种吊桶运行安全保护技术，具体是一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法。

背景技术

吊桶提升是立井井筒施工期间升降人员、矸石、材料的主要运输方式，在立井井筒建设过程中占有不可替代的核心地位。吊桶提升系统能否安全运行不仅影响到井筒施工效率，更关系到工人的生命安全与企业的经济利益。随着施工项目的逐年递增以及施工工期的不断缩短，吊桶提升的任务强度也越来越大，由此带来的恶性事故也不断发生，例如吊桶下放过程中异物横出而造成的松绳与蹲罐事故，井底积水过深而造成的吊桶内人员溺水事故，掉盘上工作人员突遇吊桶下所造成的伤人事故。

以上事故的发生固然与现场部分人员违规操作有关，但也与吊桶提升系统普遍缺乏安全保护系统有直接关系。目前的吊桶提升系统中，司机无法获知吊桶的实际运行速度、倾斜角度、周围障碍物情况等重要信息，仅凭有限的间接传感数据和经验来进行操作。这种传统的安全保障措施已经远远不能满足现阶段对于吊桶提升的工作要求。尤其是在吊桶下放过程中，当有人员、异物突然出现时，地面司机根本无法及时发现，最终导致事故的发生并造成严重的人员伤亡与财产损失，因此亟需一套自动化的吊桶提升安全保护系统，以避免恶性事故的再度发生，保障吊桶提升系统的安全、稳定、高效运行。

近年来在吊桶提升安全方面取得了一些研究成果：例如，2012年中煤五建四十九处的王焕霞，对以往的吊桶防坠技术进行了总结，并对防坠技术的质量控制提出了明确的指标；2014年中煤三建机电安装处的惠晓帆，对乘人吊桶的结构进行了改造，解决了坠物伤人与提升钩头下落伤人的事故隐患；2014年徐州矿务局庞庄煤矿的万强，阐述了一种吊桶防坠器，能够有效避免吊桶坠井事故的发生；2015年中煤矿山建设集团的徐辉东，针对大直径超深立井设计了大体积底卸式吊桶，并对吊钩进行了改造，增加了吊桶整体的安全可靠性。

由近年来研究现状可以看出，以往对于吊桶安全保护的研究主要集中在过卷、断绳等故障的事后保护方面，而针对故障发生前的状态监测与故障预报却少有研究涉及。如果能在吊桶发生故障前检测到相关状态数据的变化情况，及时判读出故障类型，并向操作人员发出警报，进而触发相关的保护动作，则可以有效避免严重伤亡事故的发生，保障企业与人员的经济财产与生命安全。

对常见的吊桶提升事故进行分析后可以发现：其事故根源在于地面提升司机无法准确获知吊桶下放过程中周围的环境情况，尤其是当有人员、异物突然出现在吊桶下方时地面司机根本无法及时发现，最终导致事故的发生并造成严重的人员伤亡与财产损失。由国内研究现状发现：目前尚未有专门针对立井施工过程中吊桶提升的安全保护系统。而目前广泛使用的防蹲罐装置，防坠器、防过卷设备均属于“事后保护”，即事故已经发生后如何减小伤亡损失，这种“被动触发式”的保护系统无法适用于立井施工过程中复杂多变的现场工作环境。因此需要针对立井施工现场的特殊情况，研发一套“主动探测式”的吊桶提升安全综合保护系统。即一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法。

发明内容

本发明要解决上述技术问题并克服现有的缺陷，提供一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法，其能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行的各项参数，并能在事故发生初期发出报警，并自动采取必要的保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种吊桶运行安全综合防护系统，包括吊桶、机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统和远程监视子系统，所述机载探测子系统与无线传输子系统之间通过无线网络连接并传输数据，所述无线传输子系统与地面保护子系统之间通过光纤电缆连接并传输数据，所述地面保护子系统与远程监视子系统之间通过Internet连接并传输数据，所述机载子系统安装于吊桶上；所述综合保护系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，从而检测出吊桶是否发生松绳故障，还能主动探测吊桶下方障碍物情况，并能在事故发生初期发出报警以及自动采取保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行。

优选地，所述机载探测子系统包括：机载控制器、机载电池、六轴加速度计、三个超声波传感器、激光测距仪、红外摄像仪、声光报警器、无线收发器，且均具备防尘、防水、防爆外壳；

其中，机载电池与机载控制器、六轴加速度计、超声波传感器、激光测距仪、红外摄像仪、声光报警器、无线收发器通过阻燃电缆连接并提供电能；机载控制器与六轴加速度计通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器与三个超声波传感器通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器与激光测距仪通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器与红外摄像仪通过阻燃网线连接并传输数据、机载控制器与声光报警器通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器与无线收发器通过阻燃电缆连接并传输数据；

机载子系统安装于吊桶上，该吊桶分为上、中、下三段：上段的上部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，用于承载物料或人员，其外壁安装有无线收发器；中段为带有盖板的封闭式结构，具有防尘、防水效果，其内部安装有机载控制器、机载电池、六轴加速度计；下段的下部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，其上部吊装有超声波传感器、激光测距仪、红外摄像仪、声光报警器，所述三个超声波传感器设于所述吊桶下段下部所在圆的直径及圆心位置。

优选地，所述无线传输子系统包括沿井筒竖直方向上设置井壁上的若干个间距50m的无线传输基站，所述无线传输基站均具备防尘、防水、防爆外壳；

其中，无线传输基站之间通过无线信号连接无线收发器并传送数据，且无线收发器与距其最近信号最强的无线传输基站无线通讯，实现机载探测子系统与无线传输子系统之间的数据传输；各个无线传输基站通过井壁上的供电电缆获取电能。

优选地，所述地面保护子系统包括：光纤交换机、PLC控制器、工控机、服务器；

其中，光纤交换机与井口处的无线传输基站通过光纤电缆连接，实现无线传输子系统与地面保护子系统之间的数据传输；光纤交换机与PLC控制器、工控机、服务器之间依次通过双绞线连接并传输数据；地面保护子系统安装于地面调度室内。

优选地，所述远程监视子系统包括：无线路由器、工控机、手机、笔记本；

其中，无线路由器与服务器通过Internet相连并传输数据，实现地面保护子系统与远程监视子系统的数据传输；路由器与工控机、手机、笔记本之间均通过无线信号相连并传输数据；远程监视子系统可安装于能够连接Internet网络的远程任何位置。

一种吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，所述防护方法包括吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法。

优选地，所述吊桶升降过程运动参数的监测方法包括以下步骤：

(A1)数据采集与数值转换

由六轴加速度计分别采集得到吊桶运行的三个线加速度值AdcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，与三个角加速度值AdcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后经过数值转换处理，得到具有真实物理意义的数据，即三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ；具体如下：

式中，σ_Acc为线加速度计的灵敏，γ_Acc为控制器采集线加速度数据的AD转换系数，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分别为三个线加速度采集通道的零位基准值；

式中，σ_Gyro为角加速度计的灵敏，γ_Gyro为控制器采集角加速度数据的AD转换系数，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分别为三个角加速度采集通道的零位基准值；

(A2)计算吊桶运行加速度

根据步骤(A1)得到的三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ进行数据融合处理，得到吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；具体如下：

首先，由第n组三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ计算出对应的三个线加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，设第n组的合成加速度在XZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_XZ(n)，在YZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_YZ(n)，在XY平面内的投影与Y轴的夹角为θ_XY(n)，控制系统采样周期为t，则：

而后，结合由控制系统采集到的线加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度计算出的线加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ进行数据融合，得出吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

式中，ε_Gyro为角加速度的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为5～20；

(A3)计算吊桶当前姿态

根据步骤(A2)得到的吊桶三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通过矢量分解的方法，可以求出吊桶在三个方向上的倾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，设吊桶运行加速度的矢量合为A_Buck，则：

A_Buck＝(A_BuckX ²+A_BuckY ²+A_BuckZ ²)^1/2

如果吊桶的在X方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdX，则标识符F_LeanX为1；如果吊桶的在Y方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdY，则标识符F_LeanY为1；如果F_LeanX与F_LeanY任意一个为1，则系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)；

(A4)计算吊桶运行速度

根据步骤(A2)得到的吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ，利用积分得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc；而后由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las；之后将两种方式得到的吊桶速度进行融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck，如果吊桶运行速度超过规定值，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；具体如下：

首先，对吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，设第n组数据时，吊桶运行速度为V_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线加速度为A_BuckZ(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶速度V_Acc(n+1)为：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用数值微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las，设第n组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n)，第n+1组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于激光测距仪的吊桶速度V_Las(n+1)为：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，结合式中基于加速度计的吊桶速度V_Acc，和基于激光测距仪的吊桶速度V_Las进行数据融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las为激光测速的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为3～9；

如果吊桶运行速度超过规定值V_Std，则标识符F_Speed为1，系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)；

(A5)计算吊桶当前位置

根据步骤(A4)得到的基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，结合吊桶初始位置，利用积分得到基于加速度计的吊桶当前位置S_Acc；根据步骤4)得到的吊桶下方距井底的距离D_Las，结合井筒深度，得到基于激光测距仪的吊桶当前位置S_Las；之后将两种方式得到的吊桶位置进行融合，得出最终的吊桶当前位置S_Buck；具体如下：

首先，对吊桶在垂直方向上的线速度V_Acc进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶当前位置S_Acc，设第n组数据时，吊桶位置为S_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线速度为V_Acc(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶位置S_Acc(n+1)为：

S_Acc(n+1)＝S_Acc(n)+V_Buck(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，结合井筒深度得到基于激光测距仪的吊桶当前位置S_Las，设井筒深度为L_shaf则：

S_Las＝L_shaf-D_Las

最后，结合式中基于加速度计的吊桶位置S_Acc，和式中基于激光测距仪的吊桶位置S_Las进行数据融合，得出最终的吊桶位置S_Buck：

S_Buck＝(1+η_Las)(S_Acc+η_LasS_Las)

式中，η_Las为激光定位的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为10～15。

优选地，所述吊桶升降过程障碍物的探测方法包括以下步骤：

(B1)基于超声波的障碍物检测

三个超声波传感器分别在t¹ _n、t² _n、t³ _n时刻向外发射超声波，并分别在t¹ _n+1、t² _n+1、t³ _n+1时刻获得反射波，由此得到三个超声波传感器距障碍物的实时距离D¹ _Utrl、D² _Utrl、D³ _Utrl；具体如下：

C_Utrl＝C₀+0.607T

式中，式中，C_Utrl为超声波的速度，C₀为0℃时超声波的速度，取值为331.45m/s，T为现场的摄氏温度；

(B2)基于红外摄像仪的障碍物检测

根据红外摄像仪获取吊桶下方在某一时刻的原始图像P_Orig，对原始图像P_Orig进行滤波降噪处理得到图像P_Filt，之后求解图像P_Filt中每个像素的梯度值，接着对非极大值进行抑制，进而找出局部极大值，最后利用设置的高低阀值对局部极值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；具体如下：

首先，对原始图像P_Orig(x,y)进行滤波降噪处理，得到降噪后图像P_Filt(x,y)，设其滤波器传递函数为W(x,y)，则：

P_Filt＝W·P_Orig

式中δ为标准差，根据现场情况进行调节，取值范围为35～60；而后，计算图像P_Filt中每个像素(x,y)的梯度值G(x,y)以及梯度方向θ_g：

θ_g＝arctan(G_y/G_x)

最后，对G中的梯度值进行非极大值抑制，找出局部极大值，利用设置的高低阀值对局部极值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；

(B3)数据融合分析

将步骤(B1)得到的基于超声波的吊桶下方障碍物距离D¹ _Utrl、D² _Utrl、D³ _Utrl与步骤(B2)得到的基于红外摄像仪的吊桶下方障碍物外形轮廓进行数据融合，综合分析出吊桶下方是否具有障碍物；三个超声波传感器的探测范围将吊桶下方空间分为三个区域，当某一区域的超声波传感器探测到下方障碍物，或者红外摄像仪检测到某一区域的障碍物轮廓时，视为下方存在障碍物风险，系统自动触发故障处理程序；

(B4)故障处理

根据步骤(B3)的分析结果，如果吊桶运行下方有障碍物，则立即通过声光报警器发出警报，同时将报警信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器进行吊桶运行制动。

优选地，所述吊桶升降过程松绳故障的直接检测方法包括以下步骤：

1)数据分析

根据权利要求7中步骤(A4)得到的吊桶运行速度V_Buck，结合PLC控制器获得的地面绞车升降钢丝绳速度V_Wire，利用钢丝绳运行速度V_Wire与吊桶运行速度V_Buck的差值与设定的安全差值V_Dif进行对比，来判断吊桶是否发生了松绳故障；

2)故障处理

根据步骤1)的分析结果，如果吊桶发生了松绳故障，则立即将故障信息通过无线传输

子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器进行吊桶运行制动以及其他的故障处理措施。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明能够获得吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，主动探测吊桶下方障碍物情况，直接检测吊桶是否发生松绳故障，本系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行的各项参数，并能在事故发生初期发出报警，自动采取必要的保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行；

(2)本发明通过障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法能有效避免现有吊桶施工中存在的吊桶下放过程中异物横出而造成的松绳与蹲罐事故，井底积水过深而造成的吊桶内人员溺水事故，掉盘上工作人员突遇吊桶下坠所造成的伤人事故的发生，从而间接的提高井筒施工效率，满足日益增长的施工项目数和施工工期的缩短要求，进一步的保证工人的生命安全与企业的经济利益；

(3)本发明能有效解决现有技术中的吊桶提升系统中存在的司机无法获知吊桶的实际运行速度、倾斜角度、周围障碍物情况等重要信息，仅凭有限的间接传感数据和经验来进行操作的问题。这种传统的安全保障措施已经远远不能满足现阶段对于吊桶提升的工作要求。尤其是在吊桶下放过程中，当有人员、异物突然出现时，地面司机根本无法及时发现，最终导致事故的发生并造成严重的人员伤亡与财产损失。而本发明包括依次电连接的机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统和远程监视子系统，并结合吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，从而检测出吊桶是否发生松绳故障，还能主动探测吊桶下方障碍物情况，并能在事故发生初期发出报警以及自动采取保护措施，以避免恶性事故的再度发生，从而全方位保障吊桶的安全、稳定、高效的运行；

(4)本发明避开现有技术中主要针对吊桶安全保护的研究主要集中在过卷、断绳等故障的事后保护方向，而是侧重于故障发生前的状态监测与故障预报，解决地面提升司机无法准确获知吊桶下放过程中周围的环境情况的问题，能在吊桶发生故障前检测到相关状态数据的变化情况，及时判读出故障类型，并向操作人员发出警报，进而触发相关的保护动作，则可以有效避免严重伤亡事故的发生，保障企业与人员的经济财产与生命安全；尤其是当有人员、异物突然出现在吊桶下方时地面司机能够及时发现，避免事故的发生，减少人员伤亡与财产损失。

附图说明

图1为本发明的系统硬件结构示意图；

图2为本发明的系统原理框图；

图3为本发明中所述吊桶运行安全综合防护系统吊桶升降过程中的运动参数监测方法流程图；

图4为本发明中所述吊桶运行安全综合防护系统吊桶升降过程中的障碍物探测方法流程图；

图5为本发明中所述吊桶运行安全综合防护系统吊桶升降过程中的松绳故障直接检测方法流程图。

图1中，1-机载控制器，2-机载电池，3-六轴加速度计，4-超声波传感器，5-激光测距仪，6-红外摄像仪，7-声光报警器，8-无线收发器，9-无线传输基站，10-光纤交换机，11-PLC控制器，12-工控机，13-服务器，14-无线路由器，15-工控机，16-手机，17-笔记本。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，一种吊桶运行安全综合防护系统，包括：吊桶，机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统、远程监视子系统四大部分，所述机载探测子系统与无线传输子系统之间通过无线网络连接并传输数据，所述无线传输子系统与地面保护子系统之间通过光纤电缆连接并传输数据，所述地面保护子系统与远程监视子系统之间通过Internet连接并传输数据，所述机载子系统安装于吊桶上；所述综合保护系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，从而检测出吊桶是否发生松绳故障，还能主动探测吊桶下方障碍物情况，并能在事故发生初期发出报警以及自动采取保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行。

所述机载探测子系统包括：机载控制器1、机载电池2、六轴加速度计3、超声波传感器4、激光测距仪5、红外摄像仪6、声光报警器7、无线收发器8，且均具备防尘、防水、防爆外壳；

其中，机载电池2与机载控制器1、六轴加速度计3、超声波传感器4、激光测距仪5、红外摄像仪6、声光报警器7、无线收发器8通过阻燃电缆连接并提供电能；机载控制器1与六轴加速度计3通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器1与3个超声波传感器4通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器1与激光测距仪5通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器1与红外摄像仪6通过阻燃网线连接并传输数据、机载控制器1与声光报警器7通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器1与无线收发器8通过阻燃电缆连接并传输数据；

机载子系统安装于吊桶上，该吊桶分为上、中、下三段：上段的上部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，用于承载物料或人员，其外壁安装有无线收发器8；中段为带有盖板的封闭式结构，具有防尘、防水效果，其内部安装有机载控制器1、机载电池2、六轴加速度计3；下段的下部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，其上部吊装有超声波传感器4、激光测距仪5、红外摄像仪6、声光报警器7，所述三个超声波传感器4设于所述吊桶下段下部所在圆的直径及圆心位置。

所述无线传输子系统包括沿井筒竖直方向上设置井壁上的若干个间距50m的无线传输基站9，所述无线传输基站9均具备防尘、防水、防爆外壳；

其中，无线传输基站9之间通过无线信号连接无线收发器8并传送数据，且无线收发器8与距其最近信号最强的无线传输基站9无线通讯，实现机载探测子系统与无线传输子系统之间的数据传输；各个无线传输基站9通过井壁上的供电电缆获取电能。

所述地面保护子系统包括：光纤交换机10、PLC控制器11、工控机12、服务器13；

其中，光纤交换机10与井口处的无线传输基站9通过光纤电缆连接，实现无线传输子系统与地面保护子系统之间的数据传输；光纤交换机10与PLC控制器11、工控机12、服务器13之间依次通过双绞线连接并传输数据；地面保护子系统安装于地面调度室内。

所述远程监视子系统包括：无线路由器14、工控机15、手机16、笔记本17；

其中，无线路由器14与服务器13通过Internet相连并传输数据，实现地面保护子系统与远程监视子系统的数据传输；路由器14与工控机15、手机16、笔记本17之间均通过无线信号相连并传输数据；远程监视子系统可安装于能够连接Internet网络的远程任何位置。

一种上述吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，所述防护方法包括吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法。

一种吊桶运行安全综合防护系统中吊桶升降过程中的运动参数监测方法，如图3所示，其步骤流程如下：

1)数据采集与数值转换

由六轴加速度3计分别采集得到吊桶运行的三个线加速度值AdcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，与三个角加速度值AdcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后经过数值转换处理，得到具有真实物理意义的数据，即三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ：

式中，σ_Acc为线加速度计的灵敏，γ_Acc为控制器采集线加速度数据的AD转换系数，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分别为三个线加速度采集通道的零位基准值；

式中，σ_Gyro为角加速度计的灵敏，γ_Gyro为控制器采集角加速度数据的AD转换系数，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分别为三个角加速度采集通道的零位基准值；

2)计算吊桶运行加速度

根据式得到的三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与式得到的三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ进行数据融合处理，得到吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；

首先，由第n组三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ计算出对应的三个线加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，设第n组的合成加速度在XZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_XZ(n)，在YZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_YZ(n)，在XY平面内的投影与Y轴的夹角为θ_XY(n)，控制系统采样周期为t则：

而后，结合由控制系统采集到的线加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度计算出的线加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ进行数据融合，得出吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

式中，ε_Gyro为角加速度的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为5～20；

3)计算吊桶当前姿态

根据式得到的吊桶三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通过矢量分解的方法，可以求出吊桶在三个方向上的倾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，设吊桶运行加速度的矢量合为A_Buck，则：

A_Buck＝(A_BuckX ²+A_BuckY ²+A_BuckZ ²)^1/2

如果吊桶的在X方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdX，则标识符F_LeanX为1；如果吊桶的在Y方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdY，则标识符F_LeanY为1；如果F_LeanX与F_LeanY任意一个为1，则系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)

4)计算吊桶运行速度

根据式得到的吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ，利用积分得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc；而后由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las；之后将两种方式得到的吊桶速度进行融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck，如果吊桶运行速度超过规定值，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

首先，对吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，设第n组数据时，吊桶运行速度为V_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线加速度为A_BuckZ(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶速度V_Acc(n+1)为：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用数值微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las，设第n组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n)，第n+1组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于激光测距仪的吊桶速度V_Las(n+1)为：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，结合式中基于加速度计的吊桶速度V_Acc，和基于激光测距仪的吊桶速度V_Las进行数据融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las为激光测速的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为3～9；

如果吊桶运行速度超过规定值V_Std，则标识符F_Speed为1，系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)

5)计算吊桶当前位置

根据式得到的基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，结合吊桶初始位置，利用积分得到基于加速度计的吊桶当前位置S_Acc；根据激光测距仪得到的吊桶下方距井底的距离D_Las，结合井筒深度，得到基于激光测距仪的吊桶当前位置S_Las；之后将两种方式得到的吊桶位置进行融合，得出最终的吊桶当前位置S_Buck；

首先，对吊桶在垂直方向上的线速度V_Acc进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶当前位置S_Acc，设第n组数据时，吊桶位置为S_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线速度为V_Acc(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶位置S_Acc(n+1)为：

S_Acc(n+1)＝S_Acc(n)+V_Buck(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，结合井筒深度得到基于激光测距仪的吊桶当前位置S_Las，设井筒深度为L_shaf则：

S_Las＝L_shaf-D_Las

最后，结合式中基于加速度计的吊桶位置S_Acc，和式中基于激光测距仪的吊桶位置S_Las进行数据融合，得出最终的吊桶位置S_Buck：

S_Buck＝(1+η_Las)(S_Acc+η_LasS_Las)

式中，η_Las为激光定位的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为10～15。

一种吊桶运行安全综合防护系统中吊桶升降过程中的障碍物探测方法，如图4所示，其步骤流程如下：

1)基于超声波的障碍物检测

三个超声波传感器(4)分别在t¹ _n、t² _n、t³ _n时刻向外发射超声波，并分别在t¹ _n+1、t² _n+1、t³ _n+1时刻获得反射波，由此得到三个超声波传感器距障碍物的实时距离D¹ _Utrl、D² _Utrl、D³ _Utrl：

式中，C_Utrl为超声波的速度，其值可由式进行计算：

C_Utrl＝C₀+0.607T

式中，C₀为0℃时超声波的速度，取值为331.45m/s，T为现场的摄氏温度；

2)基于红外摄像仪的障碍物检测

根据红外摄像仪获取吊桶下方在某一时刻的原始图像P_Orig，对原始图像P_Orig进行滤波降噪处理得到图像P_Filt，之后求解图像P_Filt中每个像素的梯度值，接着对非极大值进行抑制，进而找出局部极大值，最后利用设置的高低阀值对局部极值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；

首先，对原始图像P_Orig(x,y)进行滤波降噪处理，得到降噪后图像P_Filt(x,y)，设其滤波器传递函数为W(x,y)，则：

P_Filt＝W·P_Orig

式中δ为标准差，根据现场情况进行调节，取值范围为35～60；

而后，计算图像P_Filt中每个像素(x,y)的梯度值G(x,y)以及梯度方向θ_g：

θ_g＝arctan(G_y/G_x)

最后，对G中的梯度值进行非极大值抑制，找出局部极大值，利用设置的高低阀值对局部极值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；

3)数据融合分析

将式得到的基于超声波的吊桶下方障碍物距离D¹ _Utrl、D² _Utrl、D³ _Utrl与基于红外摄像仪的吊桶下方障碍物外形轮廓进行数据融合，综合分析出吊桶下方是否具有障碍物：

三个超声波传感器的探测范围将吊桶下方空间分为三个区域，当某一区域的超声波传感器探测到下方障碍物，或者红外摄像仪检测到某一区域的障碍物轮廓时，视为下方存在障碍物风险，系统自动触发故障处理程序；

4)故障处理

根据步骤3)的分析结果，如果吊桶运行下方有障碍物，则立即通过声光报警器发出警报，同时将报警信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器进行吊桶运行制动。

一种吊桶运行安全综合防护系统中吊桶升降过程松绳故障直接检测方法，如图5所示，其步骤流程如下：

1)数据采集与数值转换

由六轴加速度计(3)分别采集得到吊桶运行的三个线加速度值AdcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，与三个角加速度值AdcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后经过数值转换处理，得到具有真实物理意义的数据，即三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ；具体如下：

式中，σ_Acc为线加速度计的灵敏，γ_Acc为控制器采集线加速度数据的AD转换系数，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分别为三个线加速度采集通道的零位基准值；

式中，σ_Gyro为角加速度计的灵敏，γ_Gyro为控制器采集角加速度数据的AD转换系数，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分别为三个角加速度采集通道的零位基准值；

2)计算吊桶运行加速度

根据步骤(A1)得到的三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ进行数据融合处理，得到吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；具体如下：

首先，由第n组三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ计算出对应的三个线加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，设第n组的合成加速度在XZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_XZ(n)，在YZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_YZ(n)，在XY平面内的投影与Y轴的夹角为θ_XY(n)，控制系统采样周期为t，则：

而后，结合由控制系统采集到的线加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度计算出的线加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ进行数据融合，得出吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

式中，ε_Gyro为角加速度的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为5～20；

3)计算吊桶当前姿态

根据步骤(A2)得到的吊桶三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通过矢量分解的方法，可以求出吊桶在三个方向上的倾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，设吊桶运行加速度的矢量合为A_Buck，则：

A_Buck＝(A_BuckX ²+A_BuckY ²+A_BuckZ ²)^1/2

如果吊桶的在X方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdX，则标识符F_LeanX为1；如果吊桶的在Y方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdY，则标识符F_LeanY为1；如果F_LeanX与F_LeanY任意一个为1，则系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)；

4)计算吊桶运行速度

根据步骤(A2)得到的吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ，利用积分得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc；而后由激光测距仪(5)得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las；之后将两种方式得到的吊桶速度进行融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck，如果吊桶运行速度超过规定值，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；具体如下：

首先，对吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，设第n组数据时，吊桶运行速度为V_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线加速度为A_BuckZ(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶速度V_Acc(n+1)为：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用数值微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las，设第n组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n)，第n+1组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于激光测距仪的吊桶速度V_Las(n+1)为：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，结合式中基于加速度计的吊桶速度V_Acc，和基于激光测距仪的吊桶速度V_Las进行数据融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las为激光测速的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为3～9；

如果吊桶运行速度超过规定值V_Std，则标识符F_Speed为1，系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)；

5)数据分析

由上述步骤4)得到的吊桶运行速度V_Buck，结合PLC控制器获得的地面绞车升降钢丝绳速度V_Wire，利用钢丝绳运行速度V_Wire与吊桶运行速度V_Buck的差值与设定的安全差值V_Dif进行对比，来判断吊桶是否发生了松绳故障：

F_Losse＝sgn(|V_Wire|-|V_Buck|-V_Dif)

式中，F_loose为松绳故障标识，其值为1时表示探测到松绳风险，另外，需要根据现场情况，对V_Dif进行调节，其取值范围为V_Wire数值的10％～15％；

6)故障处理

根据式的计算结果，如果判断出吊桶发生了松绳故障，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器进行吊桶运行制动以及其他的故障处理措施。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种吊桶运行安全综合防护系统，其特征在于，包括：吊桶、机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统和远程监视子系统，所述机载探测子系统与无线传输子系统之间通过无线网络连接并传输数据，所述无线传输子系统与地面保护子系统之间通过光纤电缆连接并传输数据，所述地面保护子系统与远程监视子系统之间通过Internet连接并传输数据，所述机载子系统安装于吊桶上；所述综合保护系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，从而检测出吊桶是否发生松绳故障，还能主动探测吊桶下方障碍物情况，并能在事故发生初期发出报警以及自动采取保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行。

2.根据权利要求1所述的一种吊桶运行安全综合防护系统，其特征在于：所述机载探测子系统包括：机载控制器(1)、机载电池(2)、六轴加速度计(3)、三个超声波传感器(4)、激光测距仪(5)、红外摄像仪(6)、声光报警器(7)、无线收发器(8)，且均具备防尘、防水、防爆外壳；

其中，机载电池(2)与机载控制器(1)、六轴加速度计(3)、超声波传感器(4)、激光测距仪(5)、红外摄像仪(6)、声光报警器(7)、无线收发器(8)通过阻燃电缆连接并提供电能；机载控制器(1)与六轴加速度计(3)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与三个超声波传感器(4)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与激光测距仪(5)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与红外摄像仪(6)通过阻燃网线连接并传输数据、机载控制器(1)与声光报警器(7)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与无线收发器(8)通过阻燃电缆连接并传输数据；

机载子系统安装于吊桶上，该吊桶分为上、中、下三段：上段的上部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，用于承载物料或人员，其外壁安装有无线收发器(8)；中段为带有盖板的封闭式结构，具有防尘、防水效果，其内部安装有机载控制器(1)、机载电池(2)、六轴加速度计(3)；下段的下部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，其上部吊装有超声波传感器(4)、激光测距仪(5)、红外摄像仪(6)、声光报警器(7)，所述三个超声波传感器(4)设于所述吊桶下段下部所在圆的直径及圆心位置。

3.根据权利要求1所述的一种吊桶运行安全综合防护系统，其特征在于：所述无线传输子系统包括沿井筒竖直方向上设置井壁上的若干个间距50m的无线传输基站(9)，所述无线传输基站(9)均具备防尘、防水、防爆外壳；

其中，无线传输基站(9)之间通过无线信号连接无线收发器(8)并传送数据，且无线收发器(8)与距其最近信号最强的无线传输基站(9)无线通讯，实现机载探测子系统与无线传输子系统之间的数据传输；各个无线传输基站(9)通过井壁上的供电电缆获取电能。

4.根据权利要求1所述的一种吊桶运行安全综合防护系统，其特征在于：所述地面保护子系统包括：光纤交换机(10)、PLC控制器(11)、工控机(12)、服务器(13)；

其中，光纤交换机(10)与井口处的无线传输基站(9)通过光纤电缆连接，实现无线传输子系统与地面保护子系统之间的数据传输；光纤交换机(10)与PLC控制器(11)、工控机(12)、服务器(13)之间依次通过双绞线连接并传输数据；地面保护子系统安装于地面调度室内。

5.根据权利要求1所述的一种吊桶运行安全综合防护系统，其特征在于：所述远程监视子系统包括：无线路由器(14)、工控机(15)、手机(16)、笔记本(17)；

其中，无线路由器(14)与服务器(13)通过Internet相连并传输数据，实现地面保护子系统与远程监视子系统的数据传输；路由器(14)与工控机(15)、手机(16)、笔记本(17)之间均通过无线信号相连并传输数据；远程监视子系统可安装于能够连接Internet网络的远程任何位置。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，其特征在于：所述防护方法包括吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法。

7.根据权利要求6所述的吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，其特征在于：所述吊桶升降过程运动参数的监测方法包括以下步骤：

(A1)数据采集与数值转换

由六轴加速度计(3)分别采集得到吊桶运行的三个线加速度值AdcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，与三个角加速度值AdcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后经过数值转换处理，得到具有真实物理意义的数据，即三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ；具体如下：

$\left[\begin{array}{c}{A}_{AccX}\\ A_{AccY}\\ A_{AccZ}\end{array}\right]={\mathrm{\σ}}_{Acc}^{-1}({\mathrm{\γ}}_{Acc}\left[\begin{array}{c}Adc{A}_{AccX}\\ {\mathrm{AdcA}}_{AccY}\\ {\mathrm{AdcA}}_{AccZ}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}Adc{A}_{AccX0}\\ {\mathrm{AdcA}}_{AccY0}\\ {\mathrm{AdcA}}_{AccZ0}\end{array}\right])$

式中，σ_Acc为线加速度计的灵敏，γ_Acc为控制器采集线加速度数据的AD转换系数，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分别为三个线加速度采集通道的零位基准值；

$\left[\begin{array}{c}{A}_{GyroX}\\ A_{GyroY}\\ A_{GyroZ}\end{array}\right]={{\mathrm{\σ}}_{Gyro}}^{-1}\left({\mathrm{\γ}}_{Gyro}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{AdcA}}_{GyroX}\\ {\mathrm{AdcA}}_{GyroY}\\ {\mathrm{AdcA}}_{GyroZ}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\mathrm{AdcA}}_{GyroX0}\\ {\mathrm{AdcA}}_{GyroY0}\\ {\mathrm{AdcA}}_{GyroZ0}\end{array}\right]\right)$

式中，σ_Gyro为角加速度计的灵敏，γ_Gyro为控制器采集角加速度数据的AD转换系数，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分别为三个角加速度采集通道的零位基准值；

(A2)计算吊桶运行加速度

根据步骤(A1)得到的三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ进行数据融合处理，得到吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；具体如下：

首先，由第n组三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ计算出对应的三个线加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，设第n组的合成加速度在XZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_XZ(n)，在YZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_YZ(n)，在XY平面内的投影与Y轴的夹角为θ_XY(n)，控制系统采样周期为t，则：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{XZ}\left(n\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{YZ}\left(n\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{XY}\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{XZ}(n-1)\\ {\mathrm{\θ}}_{YZ}(n-1)\\ {\mathrm{\θ}}_{XY}(n-1)\end{array}\right]+t\left[\begin{array}{c}{A}_{GyroX}\\ A_{GyroY}\\ A_{GyroZ}\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{GyroX}=\sin \left({\mathrm{\θ}}_{XZ}\right(n\left)\right)/{(1+\cos {\left({\mathrm{\θ}}_{XZ}\left(n\right)\right)}^2\·\tan {\left({\mathrm{\θ}}_{YZ}\left(n\right)\right)}^2)}^{1/2}\\ R_{GyroY}=\sin \left({\mathrm{\θ}}_{YZ}\right(n\left)\right)/{(1+\cos {\left({\mathrm{\θ}}_{YZ}\left(n\right)\right)}^2\·\tan {\left({\mathrm{\θ}}_{XZ}\left(n\right)\right)}^2)}^{1/2}\\ R_{GyroZ}={(1-{R_{GyroX}}^2-{R_{GyroY}}^2)}^{1/2}\end{array}\right.$

而后，结合由控制系统采集到的线加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度计算出的线加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ进行数据融合，得出吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

$\left[\begin{array}{c}{A}_{BuckX}\\ A_{BuckY}\\ A_{BuckZ}\end{array}\right]=(1+{\mathrm{\ϵ}}_{Gyro})(\left[\begin{array}{c}{A}_{AccX}\\ A_{AccY}\\ A_{AccZ}\end{array}\right]+{\mathrm{\ϵ}}_{Gyro}\left[\begin{array}{c}{R}_{GyroX}\\ R_{GyroY}\\ R_{GyroZ}\end{array}\right])$

式中，ε_Gyro为角加速度的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为5～20；

(A3)计算吊桶当前姿态

根据步骤(A2)得到的吊桶三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通过矢量分解的方法，可以求出吊桶在三个方向上的倾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，设吊桶运行加速度的矢量合为A_Buck，则：

A_Buck＝(A_BuckX ²+A_BuckY ²+A_BuckZ ²)^1/2

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{BuckX}=\arccos (A_{BuckX}/A_{Buck})\\ {\mathrm{\θ}}_{BuckY}=\arccos (A_{BuckY}/A_{Buck})\\ {\mathrm{\θ}}_{BuckZ}=\arccos (A_{BuckZ}/A_{Buck})\end{array}\right.$

如果吊桶的在X方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdX，则标识符F_LeanX为1；如果吊桶的在Y方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdY，则标识符F_LeanY为1；如果F_LeanX与F_LeanY任意一个为1，则系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)；

(A4)计算吊桶运行速度

根据步骤(A2)得到的吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ，利用积分得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc；而后由激光测距仪(5)得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las；之后将两种方式得到的吊桶速度进行融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck，如果吊桶运行速度超过规定值，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；具体如下：

首先，对吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，设第n组数据时，吊桶运行速度为V_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线加速度为A_BuckZ(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶速度V_Acc(n+1)为：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用数值微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las，设第n组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n)，第n+1组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于激光测距仪的吊桶速度V_Las(n+1)为：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，结合式中基于加速度计的吊桶速度V_Acc，和基于激光测距仪的吊桶速度V_Las进行数据融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las为激光测速的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为3～9；

如果吊桶运行速度超过规定值V_Std，则标识符F_Speed为1，系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)；

(A5)计算吊桶当前位置

根据步骤(A4)得到的基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，结合吊桶初始位置，利用积分得到基于加速度计的吊桶当前位置S_Acc；根据步骤4)得到的吊桶下方距井底的距离D_Las，结合井筒深度，得到基于激光测距仪的吊桶当前位置S_Las；之后将两种方式得到的吊桶位置进行融合，得出最终的吊桶当前位置S_Buck；具体如下：

首先，对吊桶在垂直方向上的线速度V_Acc进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶当前位置S_Acc，设第n组数据时，吊桶位置为S_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线速度为V_Acc(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶位置S_Acc(n+1)为：

S_Acc(n+1)＝S_Acc(n)+V_Buck(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，结合井筒深度得到基于激光测距仪的吊桶当前位置S_Las，设井筒深度为L_shaf则：

S_Las＝L_shaf-D_Las

最后，结合式中基于加速度计的吊桶位置S_Acc，和式中基于激光测距仪的吊桶位置S_Las进行数据融合，得出最终的吊桶位置S_Buck：

S_Buck＝(1+η_Las)(S_Acc+η_LasS_Las)

式中，η_Las为激光定位的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为10～15。

8.根据权利要求6所述的吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，其特征在于：所述吊桶升降过程障碍物的探测方法包括以下步骤：

(B1)基于超声波的障碍物检测

三个超声波传感器(4)分别在t¹ _n、t² _n、t³ _n时刻向外发射超声波，并分别在t¹ _n+1、t² _n+1、t³ _n+1时刻获得反射波，由此得到三个超声波传感器距障碍物的实时距离D¹ _Utrl、D² _Utrl、D³ _Utrl；具体如下：

$\left[\begin{array}{c}{D}_{Utrl}^1\\ D_{Utrl}^2\\ D_{Utrl}^3\end{array}\right]=C_{Utrl}/2(\left[\begin{array}{c}{t}_{n+1}^1\\ t_{n+1}^2\\ t_{n+1}^3\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{t}_n^1\\ t_n^2\\ t_n^3\end{array}\right])$

C_Utrl＝C₀+0.607T

式中，式中，C_Utrl为超声波的速度，C₀为0℃时超声波的速度，取值为331.45m/s，T为现场的摄氏温度；

(B2)基于红外摄像仪的障碍物检测

根据红外摄像仪(6)获取吊桶下方在某一时刻的原始图像P_Orig，对原始图像P_Orig进行滤波降噪处理得到图像P_Filt，之后求解图像P_Filt中每个像素的梯度值，接着对非极大值进行抑制，进而找出局部极大值，最后利用设置的高低阀值对局部极值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；具体如下：

首先，对原始图像P_Orig(x,y)进行滤波降噪处理，得到降噪后图像P_Filt(x,y)，设其滤波器传递函数为W(x,y)，则：

P_Filt＝W·P_Orig

$W(x,y)={\left(2{\mathrm{\π\δ}}^2\right)}^{-1}{e}^{-(x^2+y^2)/2{\mathrm{\δ}}^2}$

式中δ为标准差，根据现场情况进行调节，取值范围为35～60；而后，计算图像P_Filt中每个像素(x,y)的梯度值G(x,y)以及梯度方向θ_g：

$\begin{array}{cc}{G}_x=\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& +1\\ -2& 0& +2\\ -1& 0& +1\end{array}\right]P_{Filt}& G_y=\left[\begin{array}{ccc}+1& +2& +1\\ 0& 0& 0\\ -1& -2& -1\end{array}\right]P_{Filt}\end{array}$

$G(x,y)={(G_x^2+G_y^2)}^{1/2}$

θ_g＝arctan(G_y/G_x)

最后，对G中的梯度值进行非极大值抑制，找出局部极大值，利用设置的高低阀值对局部极值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；

(B3)数据融合分析

将步骤(B1)得到的基于超声波的吊桶下方障碍物距离D¹ _Utrl、D² _Utrl、D³ _Utrl与步骤(B2)得到的基于红外摄像仪的吊桶下方障碍物外形轮廓进行数据融合，综合分析出吊桶下方是否具有障碍物；三个超声波传感器的探测范围将吊桶下方空间分为三个区域，当某一区域的超声波传感器探测到下方障碍物，或者红外摄像仪检测到某一区域的障碍物轮廓时，视为下方存在障碍物风险，系统自动触发故障处理程序；

(B4)故障处理

根据步骤(B3)的分析结果，如果吊桶运行下方有障碍物，则立即通过声光报警器(7)发出警报，同时将报警信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器(11)进行吊桶运行制动。

9.根据权利要求7所述的吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，其特征在于：所述吊桶升降过程松绳故障的直接检测方法包括以下步骤：

1)数据分析

根据权利要求7中步骤(A4)得到的吊桶运行速度V_Buck，结合PLC控制器(11)获得的地面绞车升降钢丝绳速度V_Wire，利用钢丝绳运行速度V_Wire与吊桶运行速度V_Buck的差值与设定的安全差值V_Dif进行对比，来判断吊桶是否发生了松绳故障；

2)故障处理

根据步骤1)的分析结果，如果吊桶发生了松绳故障，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器(11)进行吊桶运行制动以及其他的故障处理措施。