面向人員定位管理系統(tǒng)的生命體征監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

魏 峰 1，2，3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013；2.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013）

煤炭是我國的主要能源，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。煤炭開采業(yè)一直都是我國的重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。隨著社會(huì)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近些年煤炭的開采量呈逐年大幅上升的趨勢(shì)，從事煤炭開采行業(yè)的人員數(shù)量激增，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2013年底，我國從事煤炭采掘行業(yè)的人數(shù)達(dá)到約525萬人，其中井下作業(yè)人員約304萬人，采掘一線人員約170.71萬人。

面對(duì)如此龐大的勞動(dòng)人群，煤礦安全保障卻顯得力不從心，近幾年，我國煤礦的百萬噸死亡率一直居高不下，是美國的160備，是發(fā)展中國家印度的10倍，煤礦開采業(yè)也逐步成為10大高危行業(yè)之首[1]，因此，煤礦的安全生產(chǎn)，尤其是保障礦工的人身安全是煤礦生產(chǎn)的重中之重。

近幾年，隨著煤炭行業(yè)“六大系統(tǒng)”的推廣應(yīng)用，全國絕大多數(shù)煤礦都已安裝人員定位管理系統(tǒng)，而且隨著科技的進(jìn)步，井下人員的精確定位技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，從一定程度上保障了井下作業(yè)人員的人生安全。但是，目前的人員定位管理系統(tǒng)只能提供井下作業(yè)人員的位置信息，個(gè)人的體征信息，如心率、體溫、姿態(tài)等卻無法獲取，此領(lǐng)域的研究在國內(nèi)尚屬空白。礦井環(huán)境復(fù)雜多變、地勢(shì)起伏不平，容易發(fā)生人身傷害事故，而某些作業(yè)地點(diǎn)只有單人值守，發(fā)生事故后往往不能得到及時(shí)的救援。

綜上所述，文中將提出一種生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的人員管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集礦工體征數(shù)據(jù)，發(fā)生異常時(shí)，可將采集數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而確保礦工在生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)的人身安全。

1 人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組成有：地面監(jiān)控主機(jī)，人員定位分站，人員定位讀卡器，識(shí)別卡和生命體征傳感器組成。生命體征傳感器和識(shí)別卡基于IEEE802.15.4無線通訊協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，通訊距離可達(dá)10 m，生命體征傳感器為帶狀，系于胸前，實(shí)時(shí)采集礦工體征數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，主動(dòng)向識(shí)別卡發(fā)送數(shù)據(jù)，體征數(shù)據(jù)經(jīng)讀卡器和人員定位分站并同人員位置信息上傳至地面監(jiān)控中心。識(shí)別卡和讀卡器之間同樣使用無線傳輸數(shù)據(jù)，通訊距離可達(dá)500 m。人員定位分站和讀卡器通過CAN總線可自動(dòng)實(shí)時(shí)上傳由識(shí)別卡采集的傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

2 生命體征傳感器研制

生命體征監(jiān)測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其構(gòu)成主要包括生命體征傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、數(shù)據(jù)采集、微處理器、內(nèi)存、電源和無線節(jié)點(diǎn)等。傳感器包括體溫、心率和姿態(tài)等傳感單元。數(shù)據(jù)采集處理單元主要負(fù)責(zé)收集礦工的體溫、心率和姿態(tài)等參數(shù)信息。微處理器采集、處理各模塊數(shù)據(jù)。無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)在微處理器的控制下收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 生命體征監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the life sign monitoring unit

2.1 體溫傳感器

體溫傳感器分接觸式和非接觸式兩大類，數(shù)十個(gè)類型。溫阻式、熱電偶和光纖布拉格光柵（FBG）屬于接觸式傳感器。紅外和超聲傳感器屬于非接觸式傳感器。近幾年，光柵因其具有較高的抗電磁干擾能力、穩(wěn)定性高、容易生產(chǎn)、使用輕便等諸多優(yōu)良特性，已經(jīng)成為一種全新的無源器件廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感領(lǐng)域。煤礦井下環(huán)境極為特殊，考慮到傳感器特性以及礦工體溫監(jiān)測(cè)特性，可以選用FBG光柵作為監(jiān)測(cè)礦工體溫參數(shù)的傳感器。

隊(duì)員體溫傳感器的模型如下，結(jié)合麥克斯維爾方程和光纖的耦合模式理論，有FBG的基礎(chǔ)公式運(yùn)算可得出波長為[2]：

λ是光纖的波長，n是光學(xué)有效指數(shù)，Λ是光柵周期，T是光柵溫度，ε是軸向應(yīng)力。

由公式（1）可得：

由公式（1）和（2）可得：

當(dāng)：

可得:

公式（5）是體溫傳感器的數(shù)學(xué)模型，這里α是傳感器的靈敏度。由公式（5）可以得出波長變化與體溫變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

溫度傳感器的物理模型如圖3所示。

圖3 溫度傳感器的物理模型Fig.3 The model of temperature sensor

2.2 心率傳感器

傳統(tǒng)的心率測(cè)試方法是間接地通過偵測(cè)手指去測(cè)量人體脈搏。這種測(cè)量方法適用于被測(cè)對(duì)象處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，而不適用于運(yùn)動(dòng)中的煤礦工人。鑒于礦工的移動(dòng)特性，以及FBG傳感器特性，可知FBG傳感器十分適用于監(jiān)測(cè)礦工的實(shí)時(shí)心率。在常溫或忽略溫度影響的情況下，結(jié)合胡克定律、材料力學(xué)以及公式（1），可得：

β 是傳感器的靈敏度系數(shù)，當(dāng) β=λB（1-Pe）。Pe是有效光彈系數(shù)。 Pe=0.5n2[（1-ν）P12-P11]，P11，P12是彈性常量，ν 是泊松比。

為了提高心率的監(jiān)測(cè)精度，可以采用一種名為接觸式壓力監(jiān)測(cè)方法。當(dāng)監(jiān)測(cè)心率時(shí)，傳感器被織入編織帶中。然后將編織帶系到胸上，使得傳感器直接接觸胸部皮膚。心跳產(chǎn)生壓力壓迫傳感器，使之產(chǎn)生光纖布拉格光柵（FBG）。光纖的中心波長發(fā)生變化，繼而使得礦工的心跳轉(zhuǎn)化為由中心波長的變化而產(chǎn)生的信號(hào)[3]。

心率傳感器的工作原理如圖4所示。

對(duì)于摻鍺石英心光纖光纖而言，p11=0.12，p12=0.27，n=1.46，ν=0.17，Pe=0.2187。FBG 的波長取 1 330 nm，1 335 nm，1 340 nm，1 540 nm，1 545 nm，1 555 nm，我們可以通過公式（6）計(jì)算出壓力靈敏度系數(shù)[4]。結(jié)果見表1。

圖4 心率傳感器原理Fig.4 The principle of the heart rate sensor

表1 中心波長與靈敏系數(shù)Tab.1 The center wavelength and the sensitivity coefficient

從表1，我們可以看出，當(dāng)光纖的中心波長變化較小時(shí)，壓力靈敏度β的變化也較小。在本文中，F(xiàn)BG傳感器主要用于探測(cè)心率，因此，壓力值與中心波長變化之間的關(guān)系可以不必考慮。這是FBG傳感器的一種定性的測(cè)量應(yīng)用，因而FBG無需校準(zhǔn)。這里我們選取心率傳感器的中心波長為1 555 nm。

2.3 姿態(tài)傳感器

姿態(tài)探測(cè)對(duì)于處于特殊環(huán)境中的煤礦工人來說是非常重要的。井下道路崎嶇不平，且有非常多的障礙物，當(dāng)井下事故發(fā)生時(shí)，往往伴有大量濃煙和有害氣體。礦工有時(shí)會(huì)因?yàn)橐暰€模糊而被障礙物絆倒。在正常生產(chǎn)時(shí)有些礦工會(huì)誤入危險(xiǎn)區(qū)域，因氣體中毒而暈倒。如果礦工的姿態(tài)可被探測(cè)，那么當(dāng)他摔倒在地時(shí)，隨身佩戴的姿態(tài)傳感器便可以偵測(cè)到，同時(shí)將姿態(tài)數(shù)據(jù)通過隨身攜帶的識(shí)別卡發(fā)射到讀卡器，由人員定位分站上傳至地面監(jiān)控中心組織營救，這樣可以大大減少受傷礦工的傷亡率。因此，自動(dòng)姿態(tài)探測(cè)、報(bào)警技術(shù)的研究意義重大。

目前，圖像分析方法是主流的姿態(tài)探測(cè)方法，這種方法在地面獲得了良好的應(yīng)用。但是在煤礦井下，尤其是在事故發(fā)生后的濃煙、粉塵環(huán)境里，能見度低，圖像識(shí)別技術(shù)效果欠佳，圖像識(shí)別困難。此外，圖像識(shí)別算法復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，實(shí)時(shí)性差[5]。加速度分析的方法相對(duì)簡單并且具備較高的實(shí)時(shí)性，本文提出這種依據(jù)加速度信號(hào)識(shí)別礦工姿態(tài)的方法。

如圖5所示，當(dāng)?shù)V工摔倒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生X，Y，Z方向上的加速度，不計(jì)傾角、撞擊和隊(duì)員生命體征的改變。因此，我們可以依據(jù)加速度參數(shù)，識(shí)別出礦工的身體姿態(tài)，但是摔倒方向暫時(shí)還不能獲知。三向坐標(biāo)的加速度信號(hào)可用于估計(jì)礦工的身體姿態(tài)。我們可以利用三軸加速靜態(tài)輸出和重力加速度之間的比例關(guān)系分析出礦工的身體姿態(tài)。身體姿態(tài)可以用身體位置與重力加速度之間分離角θ表示[6]。

圖5 礦工姿態(tài)空間坐標(biāo)Fig.5 The miners pose space coordinates

3 試驗(yàn)效果

為了驗(yàn)證生命體征監(jiān)測(cè)模型的有效性，我們雇傭了一些志愿者參與測(cè)試，將生命體征傳感器系于他們胸部進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如下。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試曲線Fig.6 Experiment testing curve

從圖6可以看出，測(cè)試人員的心率在80 bpm左右，體溫曲線在34度上下，姿態(tài)傾角位于-90到0度之間，這說明測(cè)試人員處于后仰的姿態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

鑒于煤礦井下環(huán)境與煤礦工人人身安全的實(shí)際問題，提出了一種基于光纖布拉格光纖（FBG）[7]和三坐標(biāo)加速度傳感器的生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)研制了一種生命體征傳感器，使之與煤礦人員定位系統(tǒng)中的識(shí)別卡相結(jié)合。試驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的監(jiān)測(cè)方法切實(shí)可行，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有重大的意義。

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