基于物聯(lián)網(wǎng)技術的礦用智能單兵裝備的研究與應用

何學源

摘 ? 要：通過總結當前煤礦安全管理方面存在的問題，分析當前在煤礦井下作業(yè)人員隨身攜帶儀器存在的弊端，總結煤礦單崗作業(yè)人員存在的安全問題，結合當前煤礦信息化系統(tǒng)存在的痛點，基于WIFI技術的物聯(lián)網(wǎng)解決方法，研發(fā)可便于攜帶的礦用智能單兵裝備，分析產(chǎn)品的應用前景及推廣價值，并討論礦用智能單兵裝備對礦井安全管理及企業(yè)發(fā)展的意義，為相關同類工作提供借鑒。

關鍵詞：煤礦 ?音視頻 ?緊急求救 ?呼叫平臺 ?推廣價值

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0160-02

我國是世界煤炭開采量最大的國家，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)目前尚有煤礦7000多座，煤礦開采為國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻;同時也暴露出我國在煤礦安全管理方面存在的許多問題，雖然目前國內(nèi)大型國有煤礦基本杜絕了重特大安全事故，有較為完整的安全管理體系和預防措施，但是由于缺乏可行的先進技術監(jiān)管手段，無法實現(xiàn)安全管理全方位覆蓋，導致各類零敲碎打的安全事故時有發(fā)生[1]。

1 ?礦用智能單兵保障裝備研發(fā)的必要性

通過調(diào)研，目前我國煤礦安全事故主要基本集中在單崗及零星崗位上，主要是缺乏針對單崗作業(yè)的技術監(jiān)管手段，屬于監(jiān)管盲區(qū);二是安監(jiān)員無法將違章過程進行記錄，導致三違處罰缺乏證據(jù)支撐;定性定量不準確，職工與安檢人員之間對立情緒突出，成為安全管理的難點。

當前煤礦行業(yè)的各類新技術應用步伐不斷加快，同時隨著各類智能硬件研發(fā)技術的不斷成熟，礦用智能可穿戴設備將推動安全防護由過去的人防、制度管理模式逐步向技防模式轉變，急需研發(fā)一套高度集成、人機一體的井下單兵作業(yè)保障儀器，提高礦井礦井安全管理水平，確保人員作業(yè)可監(jiān)、可控、可防。

2 ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外大型采礦企業(yè)，在礦山開采方面都在積極進行新技術突破，美國、日本等科技型企業(yè)都在可視化系統(tǒng)方面進行新技術突破;井下由于煤的特性影響（煤壁吸光，不反光），傳統(tǒng)攝像頭感光材料在井下拍攝視頻時無法獲取清晰的視頻畫面，2016年日本索尼公司在感光材料方面進行了突破，推出了新的感光材料，基于感光材料的突破，使得井下便攜式的可視化設備的產(chǎn)品研發(fā)成為可能。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)雖有部分廠家在此類產(chǎn)品進行突破，但是產(chǎn)品未考慮真實的使用場景，研發(fā)出來的產(chǎn)品不接地氣，用戶使用滿意度較差，采購費用過高;國內(nèi)在煤礦井下單兵攜帶產(chǎn)品方面，主要是集成攝像頭，或者集成定位卡、或者集成甲烷氣體;但是同時集成便攜式攝像頭、定位卡、SOS求救、有害氣體監(jiān)測在一起的國內(nèi)在2016年前沒有研發(fā)成功。

3 ?智能單兵保障裝備研究內(nèi)容

系統(tǒng)研究內(nèi)容共分為三個部分，分別為智能單兵保障儀、多系統(tǒng)融合一體化基站、智能單兵保障物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺。

3.1 智能單兵保障儀設計

系統(tǒng)首先將井下作業(yè)人員攜帶的便攜式四合一氣體檢測儀、定位卡、音視頻設備進行整合，大幅度減少井下作業(yè)人員攜帶產(chǎn)品的數(shù)量及質量，方便井下作業(yè)人員進行作業(yè)，同時對音視頻數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)整合傳輸，實現(xiàn)作業(yè)人員采集數(shù)據(jù)傳輸一體化;智能單兵保障設備主要包括兩個部分的設計，分別為燈頭部分設計、腰部燈身設計。

3.1.1 燈頭部分

考慮設計礦燈照明，利于井下人員作業(yè)，同時開發(fā)智能單兵音視頻PCB，在智能單兵保障儀燈頭前端設計鏡頭、感光、WIFI和RS485接收裝置，使得燈頭能夠拍攝清晰的畫質，并能夠實現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ?，同時對接口協(xié)議進行約束和規(guī)范，保證傳輸穩(wěn)定、暢通。同時設計送話器、喇叭、SOS求救功能鍵，方便進行可視通話操作，并確保緊急狀態(tài)溝通順暢。

3.1.2 腰部攜帶產(chǎn)品設計

腰部設計分為3個部分，一是CH4、CO、O2、H2S四種井下需要經(jīng)常探測的氣體PCB模塊，二是電池模塊，三是電池保護PCB模塊，氣體PCB電壓等級必須電池輸出電壓等級一致，并通過保護電路穩(wěn)定輸出。

3.2 多功能一體化基站設計

設計研發(fā)多功能一體化基站，基站能夠上傳固定攝像頭，無線方案選用WIFI技術方案，WIFI的場強符合國家規(guī)定，數(shù)據(jù)帶寬必須達到300Mb/s，WIFI能夠及時向地面處理服務器提供每個接入的便攜智能單兵保障儀數(shù)據(jù);WIFI電壓等級必須在本安電壓等級范圍內(nèi);WIFI無線一體化基站具備無線數(shù)據(jù)傳輸、無線通信、氣體數(shù)據(jù)上傳、定位數(shù)據(jù)采集、以太網(wǎng)口接入等功能[2]。

3.3 智能單兵裝備系統(tǒng)軟件平臺

礦用智能單兵裝備軟件平臺主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術，負責將現(xiàn)場智能單兵保障裝備采集的各類數(shù)據(jù)，通過WIFI網(wǎng)絡，實現(xiàn)軟件平臺一體化展示。主要功能有：繪制礦井準確的2.5D效果地理位置信息圖，使得調(diào)度室調(diào)度指揮人員基于地理位置信息掌握人員在礦井中的分布情況，同時能夠將井下佩戴智能單兵保障儀采集的現(xiàn)場作業(yè)人員畫面進行實時傳輸、展示。

開發(fā)了SOS音視頻求救模塊，能夠實現(xiàn)現(xiàn)場人員一鍵直呼調(diào)度室功能，調(diào)度室與現(xiàn)場人員音視頻實時對話，實現(xiàn)了井下作業(yè)人員的可視化求救[3]。

4 ?研究預期目標

通過產(chǎn)品研發(fā)，使該產(chǎn)品具備在礦燈、無線通信、定位卡、便攜式氣體檢測儀、音視頻、SOS六種功能的基礎上，產(chǎn)品重量適中，能夠實現(xiàn)端到端的通信，方便入井人員攜帶，產(chǎn)品技術選型合理，采購價格合理;二是研究一款具備推廣價值的多種功能與一身的智慧傳輸基站，實現(xiàn)井下信息系統(tǒng)傳輸融合化;三是開發(fā)一款功能豐富的礦用智能單兵裝備及其他系統(tǒng)功能的軟件平臺，平臺具備多種融合交互等功能，方便人員操作。

智能單兵保障裝備可以大幅度減少入井作業(yè)人員攜帶產(chǎn)品的數(shù)量，該智能單兵保障儀具備過去5種產(chǎn)品的功能;多功能一體化基站的系統(tǒng)融合傳輸及集成，一套解決方案系統(tǒng)至少實現(xiàn)四種數(shù)據(jù)集中采集功能，不存在系統(tǒng)對接問題，可實現(xiàn)各廠礦的簡單交付，同時線纜、設備安裝數(shù)量大幅度減少，系統(tǒng)維護便捷、高效。

5 ?智能單兵保障裝備研究意義

智能單兵保障裝備的研發(fā)成功對煤炭信息技術發(fā)展方向，多信息系統(tǒng)融合提供了方向，是支持企業(yè)增強創(chuàng)新能力、提高市場競爭力的有效途徑，是具有高科技含量、高附加值、高投資回報率、市場前景廣闊的高科技項目。

該項目研發(fā)成功后，將使得煤礦信息系統(tǒng)展示由二維走向三維過度、由經(jīng)驗走向智能、由單一走向協(xié)同;實現(xiàn)集團層面、煤礦層面角色的分工協(xié)作，充分實現(xiàn)資源共享，實現(xiàn)各個專業(yè)間的協(xié)同設計，大大提高設計效率，服務于整個集團公司，提升集團及各煤礦的技術服務水平，該項目具有重大的經(jīng)濟價值和社會效益，在煤炭行業(yè)有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

[1] 任玉輝，秦躍平.煤炭工程[J].價值工程，2012（11）：119-121.

[2] 王志瑞.基于WIFI的礦用井下多功能綜合通信系統(tǒng)的設計與研究[D].河北工業(yè)大學，2012.

[3] 賈曉娣.建井技術[J].煤礦安全，2011（3）：85-89.