露天大型作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)車輛和駕駛員智能監(jiān)管系統(tǒng)

楊 洋，王丹陽，呂文偉，張 禹，韋玉飛，賀 笑，韓國(guó)路

（1.中國(guó)神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾010300；2.中安智訊（北京）信息科技有限公司，北京100125）

目前世界上有大約2/3 的煤礦適合采用露天開采方式，這種開采方式可以使資源充分利用，在具備高回采率的情況下還可以保持低貧化率，這也是我國(guó)大多數(shù)煤礦的首選開采方式[1-2]。目前，我國(guó)的大型露天煤礦基本上采用主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)企業(yè)自己負(fù)責(zé)，部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)外包的工作方式，通過將一些工作外包給有相關(guān)能力和資質(zhì)的專業(yè)公司負(fù)責(zé)，降低企業(yè)的用人和管理成本，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提高生產(chǎn)效率。以神華準(zhǔn)能集團(tuán)哈爾烏素露天煤礦為例，排土場(chǎng)外委人員數(shù)量達(dá)到2 000 以上，作業(yè)車輛近1 000 輛。

但是，外包團(tuán)隊(duì)普遍存在人員身份復(fù)雜，無證上崗，合同、保險(xiǎn)、健康證明等文件到期人員上崗等問題，甚至存在已列入“黑名單”（犯過嚴(yán)重錯(cuò)誤的人員列入“黑名單”）的人員重新上崗等問題，給露天煤礦企業(yè)帶來了很大的安全生產(chǎn)事故隱患。

由于露天煤礦的作業(yè)范圍大，作業(yè)位置存在較大移動(dòng)性，且外委人員工作的位置大多不具備電纜直接供電的條件，不適合使用固定卡口的方式對(duì)外委人員和車輛進(jìn)行監(jiān)管。目前，露天煤礦對(duì)外委人員和車輛普遍采取的管理手段是采用人工抽查核對(duì)，對(duì)進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的車輛及人員檢查其通行證件。如果發(fā)現(xiàn)未持證件、證件失效或信息與本人不符的情況，則禁止其進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。這種方法增加了人工核查的成本，且效率極低，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管的要求。 所以目前外委人員、車輛沒有得到有效的監(jiān)管。為了降低煤礦生產(chǎn)過程中的人員隱患，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，專門針對(duì)外委人員及車輛的智能監(jiān)管系統(tǒng)是必不可少的。

針對(duì)這種現(xiàn)象，提出了2 種可行的針對(duì)露天大型作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)車輛和駕駛員的智能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)方案：方案1 為標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備和軟件開發(fā)成本較低，功能能夠滿足基本需求；方案2 為增強(qiáng)型智能監(jiān)管系統(tǒng)，其設(shè)備和軟件開發(fā)成本較高，但是功能強(qiáng)大。

1 標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)由3 部分組成，其中包含在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能檢查崗基站，本地監(jiān)控中心和云服務(wù)器。由于目前外包工作的工作量計(jì)算方式是以運(yùn)送的車次計(jì)數(shù)的，智能檢查崗基站可以布置在和計(jì)數(shù)設(shè)備相同的位置。為了避免出現(xiàn)漏檢或誤檢的情況，在同1 個(gè)計(jì)數(shù)設(shè)備的位置可以放置復(fù)數(shù)個(gè)智能檢查崗基站以進(jìn)行交叉檢查。本地監(jiān)控中心是1臺(tái)監(jiān)控主機(jī)或服務(wù)器，可以設(shè)置在礦上的調(diào)度中心，從而方便對(duì)外委人員進(jìn)行綜合管理，提高外委人員及車輛在工作面的工作效率。云端服務(wù)器可以為系統(tǒng)提供與本地服務(wù)器相比更加穩(wěn)定的智能監(jiān)管服務(wù)，并且其具有更好的可擴(kuò)展性和對(duì)多設(shè)備訪問的兼容性。在工作過程中，智能檢查崗可以將收集到的檢查信息通過4 G 無線通信的方式發(fā)送到監(jiān)控中心的主機(jī)或直接通過公網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器以供管理人員監(jiān)測(cè)[3-5]。

1.1 智能檢查崗基站

智能檢查崗基站由太陽能電池板、蓄電池和本地控制裝置、支架、智能檢查終端和拍照攝像頭幾個(gè)部分構(gòu)成。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，外委人員的工作位置大多不具備電纜直接供電的條件，所以為了滿足智能監(jiān)管系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的需求，智能檢查崗基站采用了太陽能供電與蓄電池供電相結(jié)合的供能方式，這種供能方式既利用了當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，又使智能檢查崗基站可以隨著作業(yè)面的移動(dòng)而移動(dòng)。智能檢查終端包含了紅外測(cè)距模塊、藍(lán)牙通信模塊以及4G 無線通信模塊，可以對(duì)從檢查崗周圍路過的車輛進(jìn)行記錄并上傳到云端以供監(jiān)控人員檢查。拍照攝像頭可以對(duì)路過的車輛進(jìn)行拍照取證，當(dāng)拍照攝像頭接到來自智能檢查終端的拍照請(qǐng)求時(shí)，其會(huì)朝著預(yù)定方向進(jìn)行一系列拍攝，并把拍攝到的照片反饋到智能檢查終端中。照片會(huì)和通行記錄一起上傳到監(jiān)控中心。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)工作流程

當(dāng)駕駛員駕駛車輛到達(dá)計(jì)數(shù)系統(tǒng)位置時(shí)（同時(shí)也是系統(tǒng)智能檢查崗基站的安裝位置），車輛上安裝的用于計(jì)數(shù)的藍(lán)牙信標(biāo)廣播信號(hào)會(huì)被計(jì)數(shù)系統(tǒng)的無線收發(fā)設(shè)備接收到，觸發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)的智能檢查終端也可以接收到車輛上的藍(lán)牙信標(biāo)廣播信號(hào)，與此同時(shí)，智能檢查終端接收駕駛員工作證的藍(lán)牙信號(hào)時(shí)，如果只接收到車輛信標(biāo)的信號(hào)，沒有接收到工作證的信號(hào)，說明該車上的駕駛員沒有持證上崗，智能檢查終端會(huì)向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)，該報(bào)警信號(hào)通過4 G 無線通信模塊發(fā)送至監(jiān)控中心或云端服務(wù)器以向檢查人員示警。當(dāng)駕駛員駕駛車輛到達(dá)計(jì)數(shù)系統(tǒng)位置時(shí)，駕駛員需要將車窗落下。當(dāng)系統(tǒng)接收到駕駛員電子工作證的藍(lán)牙信號(hào)時(shí)，智能檢查終端向拍照攝像頭發(fā)送拍照請(qǐng)求，使攝像頭對(duì)車窗落下的駕駛員進(jìn)行拍照。拍攝到的照片將會(huì)與工作證藍(lán)牙信號(hào)的編碼信息和車輛藍(lán)牙信號(hào)中的編碼信息一起通過4 G 信號(hào)發(fā)送至監(jiān)控中心或云端服務(wù)器，監(jiān)控中心工作人員可通過直接觀察判斷駕駛員與工作證是否匹配。若發(fā)現(xiàn)有駕駛員不配合檢查工作，沒有降下車窗，則說明駕駛員有冒名頂替的嫌疑。

2 增強(qiáng)型智能監(jiān)管系統(tǒng)

增強(qiáng)型智能監(jiān)管系統(tǒng)主要由車輛管理子系統(tǒng)和人員管理子系統(tǒng)組成，2 個(gè)子系統(tǒng)全部通過4 G 無線通信技術(shù)將采集到的信息傳輸至監(jiān)控中心或者云端服務(wù)器。該系統(tǒng)通過前端的車載終端和人員佩戴的定位管理模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，后臺(tái)軟件通過GIS 系統(tǒng)和管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)管車輛和人員。系統(tǒng)的基本功能包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員、車輛的位置，鑒別駕駛員的身份信息，識(shí)別駕駛?cè)藛T在運(yùn)營(yíng)過程中的違規(guī)行為。系統(tǒng)的可擴(kuò)展功能包括：設(shè)置電子圍欄，防止人員、車輛誤入禁區(qū)，防止車輛發(fā)生碰撞事故，在移動(dòng)終端上實(shí)時(shí)查看車輛和人員信息，實(shí)時(shí)監(jiān)管車輛設(shè)備部件運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)和云計(jì)算。

2.1 車輛管理子系統(tǒng)

車輛管理子系統(tǒng)的主要功能部分是車載終端，其基本功能可以分為3 個(gè)部分：車輛定位、數(shù)據(jù)傳輸和電子身份識(shí)別。除此之外，車載終端還具有5 個(gè)擴(kuò)展功能：電子圍欄、行車視頻存儲(chǔ)、通話、防碰撞功能。

2.1.1 車載終端基本功能

目前礦區(qū)所使用的定位系統(tǒng)有很多種，其中比較成熟的技術(shù)有GPS 技術(shù)、RFID 技術(shù)、Zigbee 技術(shù)、WIFI 技術(shù)和UWB 技術(shù)[6-15]。RFID 技術(shù)具有很高的精度，但是由于露天煤礦的實(shí)際地理特征，車輛位置識(shí)別不需要十分精確的定位，且車輛的運(yùn)行速度較快，移動(dòng)范圍較大，RFID 技術(shù)并不適合用來進(jìn)行露天車輛位置識(shí)別。WIFI 技術(shù)、Zigbee 技術(shù)和UWB技術(shù)需要建立若干基站來實(shí)現(xiàn)無線通信，由于露天煤礦工作面廣闊，且工作現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)移動(dòng)，所以WIFI 技術(shù)、Zigbee 技術(shù)和UWB 技術(shù)在進(jìn)行車輛定位時(shí)都有其局限性。全球定位系統(tǒng)的精度目前在3～5 m，和工程車輛的大小相當(dāng)，完全可以勝任對(duì)于車輛的定位，所以可以采取北斗/GPS/GLONASS 等系統(tǒng)完成車輛定位任務(wù)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用通用的無線傳輸模塊，利用4 G 無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)車輛與后臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信，選用目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商搭建的蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者露天煤礦專門搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)情況時(shí)，車輛位置和車輛運(yùn)行軌跡無法向后臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，軌跡信息可以保存在車載終端中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，再進(jìn)行與后臺(tái)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換。

車載終端還部署了電子身份識(shí)別模塊，可以通過車內(nèi)的拍照攝像頭或者藍(lán)牙接收模塊對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行記錄，并且與后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來進(jìn)行人臉識(shí)別或者電子證件識(shí)別，從而鑒別駕駛?cè)藛T的身份合法性。此外，系統(tǒng)還可以利用人臉識(shí)別功能對(duì)駕駛員的行為進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)駕駛員出現(xiàn)疲勞駕駛或者吸煙等違規(guī)行為的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的提醒和報(bào)警提示，并拍照上傳至后臺(tái)服務(wù)器。

2.1.2 車載終端擴(kuò)展功能

電子圍欄是擴(kuò)展功能的組成成分之一，在露天煤礦中，地形復(fù)雜，作業(yè)區(qū)域多變，人員及車輛存在誤入危險(xiǎn)區(qū)域的可能性。電子圍欄可以在車輛進(jìn)入禁止區(qū)的時(shí)候，向駕駛員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將通行信息記錄下來，發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控中心。此外，車輛還可以配置行車視頻存儲(chǔ)設(shè)備，其可以將車輛的行駛情況以一定的周期進(jìn)行循環(huán)錄像，并且將錄像存儲(chǔ)在本地設(shè)備中，當(dāng)車輛向后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)時(shí)，發(fā)送報(bào)警時(shí)的行車視頻會(huì)同時(shí)上傳到監(jiān)控中心或云端服務(wù)器以供管理人員檢查。車載終端還可以支持車上人員和后臺(tái)的雙向通話功能，以便后臺(tái)管理人員和車上人員可以及時(shí)地進(jìn)行交流。

由于礦山工程車輛體積龐大，視野盲區(qū)最大可達(dá)百米以上，而普通車輛在礦區(qū)通行時(shí)常常會(huì)和工程車輛存在會(huì)車的情況，故存在非常嚴(yán)重的交通安全隱患。目前露天煤礦普通采取的辦法是給礦區(qū)通行的普通車輛樹立小旗桿等標(biāo)志物，以便讓工程車輛駕駛員可以目測(cè)定位普通車輛的位置。然而，由于礦區(qū)環(huán)境惡劣，揚(yáng)塵嚴(yán)重，再加上礦山的全天候生產(chǎn)方式，工程車輛駕駛員經(jīng)常會(huì)遇到視野不好的情況，無法找到普通車輛的位置，從而可能發(fā)生安全生產(chǎn)事故。車載終端裝配的防碰撞雷達(dá)模塊可以有效地解決這一問題，在工程車輛駕駛員無法判斷普通車輛位置的時(shí)候，防碰撞雷達(dá)模塊不僅可以探測(cè)到車輛前后各150 m 的物體，還可以對(duì)車輛兩側(cè)的盲區(qū)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到有車輛經(jīng)過時(shí)，會(huì)基于經(jīng)過車輛的方位和距離向駕駛員提供發(fā)聲預(yù)警反饋，使其可以及時(shí)減速避讓，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

2.2 人員管理子系統(tǒng)

人員管理子系統(tǒng)主要是通過讓工作人員佩戴前端管理模塊來實(shí)現(xiàn)人員的定位功能。與車輛定位模塊相似，工作人員佩戴的定位模塊可以通過北斗/GPS/GLONASS 等全球定位軟件來實(shí)現(xiàn)定位，精度可達(dá)3～5 m。集成在前端管理模塊中的無線通信模塊可以將人員的定位數(shù)據(jù)按照一定的周期上傳至監(jiān)控中心或者云服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)人員的定位效果。前端管理模塊體積小，方便攜帶，可以安裝在頭頂安全帽上或者佩戴在腰間。

人員管理子系統(tǒng)還可以增加電子身份識(shí)別功能，與標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)相似，人員前端管理模塊可以添加藍(lán)牙收發(fā)模塊來向周圍周期性廣播工作人員的認(rèn)證信息，管理人員可以通過向后臺(tái)數(shù)據(jù)庫核查認(rèn)證信息來鑒別工作人員的身份合法性。此外，人員管理子系統(tǒng)還可以與車輛管理子系統(tǒng)的電子圍欄相聯(lián)動(dòng)，在人員進(jìn)入禁區(qū)時(shí)對(duì)工作人員發(fā)出報(bào)警，并將報(bào)警信息通過無線通信模塊上傳到監(jiān)控中心或者云服務(wù)器。

3 結(jié) 語

提出了2 套可行的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。方案1為標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)，方案2 為增強(qiáng)型智能監(jiān)管系統(tǒng)。2 套系統(tǒng)各具特點(diǎn)，分別適合不同情形的露天煤礦生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)型智能監(jiān)管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所搭配的設(shè)備和對(duì)應(yīng)軟件開發(fā)成本都較低，其能夠滿足對(duì)外委人員進(jìn)行監(jiān)管的基本需求。這套設(shè)備適合對(duì)人員成分較為復(fù)雜，外包工作較多的露天煤礦使用。增強(qiáng)型智能監(jiān)管系統(tǒng)擁有功能更加強(qiáng)大的設(shè)備，其智能化程度更高，煤礦生產(chǎn)效率更高，工作人員更加安全，但是強(qiáng)大的功能導(dǎo)致了較高的設(shè)備安裝成本和軟件開發(fā)成本。