基于大數(shù)據(jù)的采礦人員安全感知信息實時采集系統(tǒng)設計

李春賀，陶 帥

（中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

0 引 言

我國的礦業(yè)一直處于世界礦產(chǎn)業(yè)的領先地位，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)了重要地位[1]。大量礦產(chǎn)資源被開發(fā)利用，提高了我國經(jīng)濟，但是也加大了事故災害的發(fā)生概率。如何加強礦業(yè)安全一直是人們重點研究的課題。我國地形結構復雜，采礦環(huán)境惡劣，相比較于其他行業(yè)，礦業(yè)更容易發(fā)生安全事故[2]。就我國目前發(fā)展狀況來看，礦山產(chǎn)業(yè)安全狀況并不樂觀，對人民群眾的生命造成了巨大傷害，同時帶來了嚴重的經(jīng)濟損失。采礦人員是礦山產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，因此必須要重視采礦人員安全，加強采礦人員的保護措施[3]。

科技發(fā)展的進步使得信息技術已經(jīng)不斷深入到人們的生活中，并且在各行各業(yè)發(fā)揮著重要作用，將現(xiàn)代科學技術引入到采礦人員安全保障工作中，可以使我國的礦產(chǎn)安全工作上升一個層次[4]。

綜上所述，本文針對采礦人員安全改進設計了一種感知信息實時采集系統(tǒng)，并且加入了大數(shù)據(jù)挖掘技術。本文首先從整體描述，設計了系統(tǒng)的硬件總體結構，然后針對性地設計出主要硬件，從系統(tǒng)開發(fā)的實現(xiàn)角度和需求角度設計了軟件流程。該系統(tǒng)能夠很好地感知采礦人員信息，并及時將信息上傳給中心系統(tǒng)，由中心系統(tǒng)綜合性分析，判斷采礦人員是否存在安全隱患，如果確定存在安全隱患要及時采取解決措施，避免安全事故的發(fā)生[5]。

1 采礦人員安全感知信息實時采集系統(tǒng)硬件設計

本文利用大數(shù)據(jù)挖掘技術設計了核心模塊，在此基礎上加入采集器、存儲器、處理器，能夠從多方位對采集人員的安全信息（包括采集人員所處的環(huán)境、使用設備、自身身體狀態(tài)）進行采集、處理和存儲。利用特征提取技術找出特征信號，從而實現(xiàn)一套完整的安全感知信息實時采集系統(tǒng)[6]。

為了使采集系統(tǒng)開發(fā)更加簡單，本文將采集系統(tǒng)硬件進行模型化設計，這種設計方式也更加適用于與軟件分工合作。系統(tǒng)模型化后設計的硬件總結構如圖1所示。

圖1 采礦人員安全感知信息實時采集系統(tǒng)硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of real-time perception information acquisition system for mining personnel safety

觀察圖1 可知，本文設計的系統(tǒng)總結構具有很強的前瞻性，而且是本文的基礎性研究。該系統(tǒng)硬件能夠不間斷地獲取信息，并對信息進行精準分析，增強信息的認識度。由于系統(tǒng)具有很強的靈活性，因此可以隨時隨地修改。采用序分層法將系統(tǒng)的硬件結構分開，通過模塊接口的設計思想將每一層連接起來[7]。硬件分為三個層次：傳感層、服務層、應用層。傳感層包括多個傳感器，詳細地記錄采礦人員所處環(huán)境的光照、位置等信息；服務層則是根據(jù)捕捉的信息推理采礦工作人員的安全狀態(tài)；應用層包括輸入模塊和輸出模塊，使用人機交互界面和觸摸屏顯示應用結果。下面對采集器、處理器和存儲器進行針對性設計[8]。

1.1 采集器設計

采集模塊由FLASH 模塊與T57B7A 模塊構成，內部含有通信裝置，利用該裝置提供標準的雙端口，分別為RS 283與RS 487，用于實現(xiàn)多個采集器之間的連接。

本文設計的采集器是由MAX980與MAX498 兩種芯片組成的，采集器結構如圖2 所示。信號采集工作主要由ADU447 完成，因ADU447 芯片性能極高，只需要設定一個輸入口就可以將信號直接輸入其中，但是需要濾波器過濾掉干擾信號才可以將信號輸入ADU447 芯片內。芯片內的第4 個信號端口U2，也可作為RAM的接口使用，但RAM 接口只能接收高9 位的地址，當U2 端口不與RAM 相連接時，則與開關相連接[9]。

圖2 采集器結構Fig.2 Collector structure

ADU447 還需要具備DTC 輸出口，其目的是為了增強整個系統(tǒng)的驅動性能，所以采集器選用了第12 個端口為DTC 使用。為了實現(xiàn)交換采集器與其他計算機或設備之間的信息，使控制更加方便，在采集器外部設計兩個標準通信端口。

采集器的系統(tǒng)可在KEciisnn3 等環(huán)境實現(xiàn)，采集器還支持多種芯片、編譯、PML、X 語言的設計，在各方面具有強大優(yōu)勢，使用也極為簡單，能滿足所有開發(fā)環(huán)境。在通信過程中，雙方的接收與發(fā)送的頻率都有一定的約定，ADU447 可編程4 種方式進行工作，這4 種方式用數(shù)字代替結果是不同的，方式1/3的波率被設定成固定數(shù)字，由于方式2/4的波率難以確定，所以具體取值由定時器操作。由于每種方式都有自己固定的波率，所以每個方式的結構與計算都不相同。

設定的采集器電路圖如圖3 所示，其中VD 表示單向二極管。

1.2 處理器設計

本文采用ARM23MPCPR 芯片作為處理器核心，該芯片是基于傳統(tǒng)的ARM12的基礎而生產(chǎn)的全新一代V6 體系處理器芯片，應用不同，所需要的需求也不一樣。本處理器最多可提供6 個組合方式，其性能能達到傳統(tǒng)處理器的三倍以上[10]。處理器結構如圖4 所示。

圖3 采集器電路圖Fig.3 Circuit diagram of collector

圖4 處理器結構Fig.4 Processor structure

由圖4 可知，給出的處理器是比較標準的多核處理器，該處理器由傳統(tǒng)的ARM12的4 個獨立核心構成，能使頻率在工作狀態(tài)不發(fā)生改變的情況下提高性能，除了這個優(yōu)點外，本處理器的其他各項應用指標都非常出色，適合現(xiàn)在市場上絕大部分電子系統(tǒng)需求，在正常運作的同時，仍有余力提供多個多媒體功能[11]。在各種應用環(huán)境下，本處理器可以表現(xiàn)出高性能和絕對優(yōu)勢，ARM23MPCPR 芯片可提供多路結構，并支持混合系統(tǒng)，該設計大幅度地提高了處理器的靈活性、適應能力、吞吐量及運算能力，滿足各種需求[12]。

在應用方面，絕大部分的廠家采用傳統(tǒng)DSP與譯碼電路來實現(xiàn)編譯碼，過程中主要使用單核處理器完成操作，這種方式雖然能高效譯碼，但存在較大能耗問題。本處理器的架構是單核架構，與單核處理器結構相似，但在各種性能使用方面遠優(yōu)于單核處理器，包括能耗與資源存儲量等。本處理器加入了Corntp-65 處理器的優(yōu)點，使用最新的ARM 架構及V8 體系，并整合4 個72 位的存儲單元與處理單元。具有非常流暢的加速性能，靈活性極強[13]。

處理器電路圖如圖5 所示。

1.3 存儲器設計

本文采用靜態(tài)隨機存儲器，外部的陣列周圍都是譯碼器與外部信號接口，大部分陣列都采用正方形的形式。這樣有利于減少芯片的使用面積，加入SRAK序列，確保每個儲存單元都能被選中，如果排列成三角形，則需要18/6 位譯碼器，如果排列成正方形則需要6/84 位譯碼器，兩種譯碼器必須要排列在存儲單元內側兩邊。

圖5 處理器電路圖Fig.5 Circuit diagram of processor

存儲器內部結構如圖6 所示。

圖6 存儲器內部結構Fig.6 Memory internal structure

本文使用正方形72 行72 列的方式，其產(chǎn)生的交叉點為YDSS，并對應每個存儲位。本排列方式主要優(yōu)勢在于對芯片使用面積大幅度減少，傳統(tǒng)的三角形排列方式除了面積大的缺點外，還會使部分的存儲單元輸入輸出線端極長，對于大存儲器來說，更是會導致讀寫方面速度降低，并產(chǎn)生延遲，由于電源線截面越大，電流就會越來越小，所以在設計中都需避免類似情況。

存儲器還采用了高倍數(shù)據(jù)速率技術。傳統(tǒng)的普通存儲器的讀/寫只能用一條通道，存儲速度相對緩慢許多。8 倍數(shù)據(jù)速率技術在其基礎上進行了改造，將采集到的上升沿數(shù)據(jù)進行變換，下降沿和其他數(shù)據(jù)均不做改變。這樣就可以將傳輸數(shù)據(jù)擴大數(shù)倍，在保留傳統(tǒng)存儲器的特征基礎上對各條總線也進行了提升，在傳統(tǒng)單條數(shù)據(jù)通道內構建一個或多條數(shù)據(jù)通道并同時進行數(shù)據(jù)讀寫，大大提升了數(shù)據(jù)的速率，絕大部分雙倍或多倍數(shù)據(jù)速度都采用上述方法。這樣計算下來，雙條通道就是原來速率的兩倍。以此類推，雙倍、三倍、四倍的工作頻率分別為300 MHz/500 MHz/700 MHz，在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡的通信高速傳輸方面取得了重大突破。

存儲器電路圖如圖7 所示。

圖7 存儲器電路圖Fig.7 Circuit diagram of memory

2 采礦人員安全感知信息實時采集系統(tǒng)軟件設計

在構建出本文使用的硬件系統(tǒng)之后，對軟件環(huán)境進行設置，軟件處理器的基本操作系統(tǒng)為Linux 系統(tǒng)，利用u-boot 配置，軟件系統(tǒng)能夠對采礦人員的環(huán)境信息進行實時感知，在交互界面中顯示出采集到的信號特征。

設定的軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 采礦人員安全感知信息實時采集系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Software flowchart of real-time perception information acquisition system of mining personnel safety

觀察圖8 可知，本文設計的系統(tǒng)軟件流程共分為三步。

第一步：采礦人員數(shù)據(jù)信息采集。利用多種傳感器對采礦人員的信息進行采集，包括聲音信息、光強信息和位置信息，在人機交互界面中將檢索到的信息互相交互，達到輔助處理的目的。采集過程要設定對應的判決規(guī)則，以周期性的方式采集聲音信息、光照信息和位置信息，利用多路傳感器分析采集的信息是否滿足獲取條件，如果滿足獲取條件，則要啟動獲取服務，如果不滿足獲取條件，則不能進行信息采集。光強信息采集的周期為5 s，采集器內部擁有自己的緩沖區(qū)，采集幀頻多樣，并能對數(shù)據(jù)進行處理和存儲。采集的聲音包括用戶聲音和外界環(huán)境聲音，通過緩沖區(qū)和通知機制得到音頻數(shù)據(jù)。

第二步：采集信息處理。對采集到的采礦人員安全感知信息進行處理。利用GSM 處理使用者的經(jīng)緯度位置，再將采集到的采礦人員位置通過電子地圖展現(xiàn)出來。需要注意的是，感知信息位置經(jīng)緯度與語義符號要呈現(xiàn)對應關系。采礦人員采集光強信息的效果對于系統(tǒng)運行效果有著直接的影響，當采礦人員處于不同位置，光強也是不同的，因此可以通過感知采礦人員的光強而判斷采礦人員是否安全。處理時設定兩個光強閾值分別為50 lx和1 000 lx，當工作人員所處環(huán)境光強小于50 lx 或者大于1 000 lx，都是處于不安全位置的；當工作人員所處環(huán)境在50～1 000 lx 之間，則證明處在安全位置。

第三步：信息結果存儲。在得到采集信息后，要將采集信息存儲到存儲器，再選擇有用信息進行展示。存儲系統(tǒng)與報警系統(tǒng)要保持緊密連接，一旦感知到采礦人員存在安全隱患，要立刻發(fā)出警報聲，提醒工作人員采取有效的解決措施。

3 驗證實驗

3.1 實驗目的

為了檢測本文基于大數(shù)據(jù)的采礦人員安全感知信息采集系統(tǒng)的實際效果，與傳統(tǒng)采集系統(tǒng)進行對比，分析實驗結果。

3.2 實驗參數(shù)設置

設置實驗參數(shù)如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)表Table 1 Experimental parameters

3.3 實驗結果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進行實驗，選用本文研究的采集系統(tǒng)和傳統(tǒng)采集系統(tǒng)，對同一批采礦人員安全信息進行采集，記錄采集結果延時和事故發(fā)生率，并分析實驗結果。

得到的實驗結果如圖9 所示。觀察圖9 可知，采集時間越長，延時時間就越長，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)產(chǎn)生的延時時間要遠遠大于本文系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件與軟件連接不夠緊密，硬件采集到的信息軟件不能及時處理，所以導致延時時間過長，即使檢測到安全隱患，也不能及時上傳，安全事故發(fā)生的概率依舊很高。本文系統(tǒng)的硬件和軟件完美結合，一旦檢測到安全隱患，系統(tǒng)會立刻發(fā)出警報聲，大大降低了事故發(fā)生率。綜上所述，本文研究的采集系統(tǒng)感知能力更強，對于采礦工程有很大的幫助。

圖9 延時時間對比圖Fig.9 Comparison of delay time

4 結 語

本文基于大數(shù)據(jù)研究了一種新的采礦人員安全感知信息采集系統(tǒng)，從硬件和軟件進行設計，利用該系統(tǒng)能夠很好地感知到采集人員的地理環(huán)境光強，識別采集人員所處位置，并對采集到的音頻進行分類。加入本文設計系統(tǒng)的采礦工程，能夠為采礦人員生命安全提供很好的保障，讓采礦工作人員更加順利的進行工作。本研究對于保障采礦人員安全具有重要意義，值得推廣使用。