任高峰 葛永翔 馬俊生 秦 嶺3
(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢430070;2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京100038;3.武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢430070)
高海拔礦山井下無(wú)軌運(yùn)輸是聯(lián)系礦山各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“動(dòng)脈”,然而由于高海拔寒區(qū)氣壓低、空氣稀薄、早晚溫差較大等特殊的地理氣候條件[1-2],高海拔寒區(qū)礦山無(wú)軌運(yùn)輸駕駛員面臨低溫缺氧工作環(huán)境、身體機(jī)能下降等難題,嚴(yán)重制約了高海拔礦山無(wú)軌運(yùn)輸安全[3-6]。
因此對(duì)高海拔地區(qū)駕駛員身體機(jī)能變化規(guī)律以及駕駛室環(huán)境調(diào)控技術(shù)開(kāi)展研究,進(jìn)而保障駕駛員工作環(huán)境舒適、安全、健康具有重要的工程意義。
針對(duì)高海拔地區(qū)人體生理特性研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量工作,諸多研究人員將保障高原從業(yè)者身體健康的研究視為首要任務(wù)[7]。亓峰[8]利用高原環(huán)境模擬艙開(kāi)展了為期20 d的人體實(shí)驗(yàn),研究了大氣壓力、環(huán)境溫度、活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)人體熱舒適度的影響規(guī)律,從人體熱舒適度的角度研究了高原低氣壓低溫環(huán)境對(duì)人體生理健康的影響。王延琦等[9]對(duì)急進(jìn)格爾木地區(qū)的試驗(yàn)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的生理指標(biāo)測(cè)試,并與往常指標(biāo)值對(duì)比分析其受高原環(huán)境的影響,證明了高原環(huán)境參數(shù)變化會(huì)明顯地影響人體的血氧飽和度、血壓、心率等生理響應(yīng)指標(biāo)。針對(duì)高海拔礦山井下環(huán)境調(diào)控技術(shù),于跟波等[10]根據(jù)高原非煤礦山安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)并研制了一套高原非煤礦井空氣環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下空氣環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。姚銀佩等[2]在當(dāng)前礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查與測(cè)定的基礎(chǔ)上,分析了通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,提出了兩種可行的高海拔礦山通風(fēng)系統(tǒng)的改造方案。Aqueveque等[11]建立了一套高海拔礦山井下的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并嵌置于井下作業(yè)人員的防護(hù)服內(nèi),實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、濕度和人體心電圖、呼吸率、體溫等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。李蓉蓉等[12]基于CFD模擬結(jié)果,觀察氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,并采用數(shù)值分析方法對(duì)比了壓入風(fēng)筒與掘進(jìn)面距離、供氧管與壓入風(fēng)筒水平距離及抽壓比3個(gè)因素中對(duì)氧氣分布影響最大的因素,有針對(duì)性地調(diào)整供氧方案。
綜上所述,目前關(guān)于保障高海拔礦山無(wú)軌運(yùn)輸駕駛員生理健康的研究較少,具體針對(duì)駕駛室環(huán)境開(kāi)展調(diào)控研究也并不多見(jiàn)。因此,在解決高原惡劣環(huán)境對(duì)駕駛員的健康影響問(wèn)題時(shí),仍采用礦井加壓通風(fēng)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬仿真優(yōu)化、外部人工風(fēng)源預(yù)加熱等方法,但是,由于井下環(huán)境的復(fù)雜性,現(xiàn)有的技術(shù)成果尚難以有效地改善井下車(chē)輛駕駛環(huán)境,為駕駛員提供健康適宜的工作場(chǎng)所[13]。針對(duì)以上問(wèn)題,本項(xiàng)目以高海拔礦山無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛駕駛員為研究對(duì)象,開(kāi)展高海拔礦山井下作業(yè)人員生理響應(yīng)特性研究,設(shè)計(jì)研發(fā)駕駛室環(huán)境自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng),以保障駕駛員工作環(huán)境安全、舒適、健康,為高海拔礦山安全運(yùn)輸提供指導(dǎo)。
通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[14-16],在高海拔環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)分別針對(duì)氧分壓、溫度、濕度3種環(huán)境因素對(duì)人體生理響應(yīng)指標(biāo)的影響進(jìn)行研究,測(cè)試和分析人體在不同因素模擬環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)生理響應(yīng)指標(biāo)參數(shù)的變化量,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,確定各測(cè)試生理響應(yīng)指標(biāo)與井下環(huán)境因素之間的影響大小。
高海拔礦山井下惡劣環(huán)境正交實(shí)驗(yàn)考慮的環(huán)境因素有:氧分壓、溫度、濕度,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析在這3種環(huán)境因素復(fù)合作用下人體生理指標(biāo)的響應(yīng)情況。在劃分各因素水平時(shí),考慮在環(huán)境氧分壓小于14.686 kPa(即海拔高于3 000 m)、環(huán)境溫度小于10℃、環(huán)境濕度小于35%RH時(shí)人體各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)變化較明顯進(jìn)行因素水平劃分,選取的人體生理響應(yīng)指標(biāo)為血氧飽和度、心率、體溫、血壓(包括收縮壓、舒張壓),根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則,結(jié)合高海拔礦山實(shí)際情況,具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。
基于礦山生產(chǎn)勞動(dòng)者大多為中青年人群,加之實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制,所選用的實(shí)驗(yàn)者均為25~35歲的中青年。同樣地,選擇身體健康的受試人群,并在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)每一位受試者進(jìn)行全面的體檢,保證其身體健康后方可作為受試對(duì)象。經(jīng)過(guò)一系列的篩選后,確定了10名受試者,其中男性受試者8人,女性受試者2人。
(1)在高海拔環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)艙內(nèi)進(jìn)行高海拔礦山井下復(fù)合環(huán)境影響實(shí)驗(yàn),檢查實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)所有環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)控設(shè)備、人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備、跑步機(jī)等實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備,并保證各項(xiàng)設(shè)備正常運(yùn)行。
(2)根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的9組環(huán)境工況,依次對(duì)10位受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間、保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性,將10名受試者分為2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每組包括4名男性受試者和1名女性受試者。
(3)在進(jìn)行第1次復(fù)合正交實(shí)驗(yàn)時(shí),待第1組5位受試者全部進(jìn)入實(shí)驗(yàn)艙準(zhǔn)備就緒后,啟動(dòng)環(huán)境調(diào)控設(shè)備,將實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的氧分壓、溫度、濕度環(huán)境因素值設(shè)置到實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)數(shù)值,同時(shí)所有受試者在跑步機(jī)上進(jìn)行慢跑,模擬工作狀態(tài)。
(4)待實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)到達(dá)設(shè)定工況并穩(wěn)定5 min后,采集每一位受試者的血氧飽和度、心率、體溫、血壓(收縮壓、舒張壓、平均壓)等生理機(jī)能數(shù)據(jù),而后,每位受試者在跑步機(jī)上進(jìn)行持續(xù)的慢跑運(yùn)動(dòng),每間隔10 min采集1次數(shù)據(jù),每人采集3組數(shù)據(jù)并分別取平均值后輸入電腦進(jìn)行記錄。
(5)待2個(gè)分組的受試者均完成第1次實(shí)驗(yàn)后,依照同樣的操作順序?qū)?個(gè)組的受試者依序進(jìn)行后續(xù)的8次實(shí)驗(yàn)。
通過(guò)高海拔礦山井下環(huán)境復(fù)合影響正交實(shí)驗(yàn),得到10名受試者在9次不同模擬環(huán)境條件下的生理響應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。為了避免受試者個(gè)體差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響,同時(shí)考慮到統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程的數(shù)據(jù)類(lèi)型需求,對(duì)10名受試者在正交實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果分別取平均值,以便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究分析。各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和相關(guān)性分析,可以得到各環(huán)境因素對(duì)人體生理響應(yīng)指標(biāo)的影響規(guī)律以及各環(huán)境因素對(duì)人體生理健康的影響主次排序。
利用正交實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布均衡,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有綜合可比性的特性,選用極差分析法分析氧分壓、溫度、濕度3種環(huán)境因素對(duì)人體的血氧飽和度、心率、體溫、血壓(收縮壓、舒張壓)幾種生理響應(yīng)指標(biāo)的影響大?。?4]。
圖1~圖5為3種環(huán)境因素對(duì)人體各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)的影響趨勢(shì)分布圖,圖中P1~P3、T1~T3、R1~R3分別代表氧分壓、溫度、濕度的3個(gè)水平值。
各環(huán)境因素對(duì)人體生理響應(yīng)指標(biāo)的極差排序見(jiàn)表3。
從各環(huán)境因素對(duì)人體生理響應(yīng)指標(biāo)影響的分布圖和極差排序表可以看出:①對(duì)于人體收縮壓和舒張壓,血壓受氧分壓的影響最大,其次為溫度,受環(huán)境濕度變化的影響最?。虎诟鳝h(huán)境因素對(duì)血氧飽和度和心率的影響排序一致,順序?yàn)檠醴謮海緶囟龋緷穸龋虎廴梭w體溫受環(huán)境溫度的影響較大,其次為氧分壓,最后為濕度。
因此,在高海拔高寒礦山井下工作環(huán)境中,高、寒、旱均會(huì)影響作業(yè)人員的各項(xiàng)生理指標(biāo),但是影響程度不一,其中以氧分壓的影響最大,溫度影響次之,同時(shí),雖然濕度對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)影響均較小,但也不容忽視。
上述實(shí)驗(yàn)指明了高海拔礦山車(chē)輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的具體調(diào)控指標(biāo),為研發(fā)高海拔礦山車(chē)輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)提供了理論指導(dǎo)。設(shè)計(jì)的高海拔礦區(qū)無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)本著高可靠性、高精確性、高耐用性的原則[17],由各功能模塊及控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合來(lái)完成,設(shè)計(jì)的駕駛室自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。
系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境調(diào)控模塊、集控顯示模塊、信號(hào)傳遞模塊、供電及電力模塊5個(gè)部分組成。監(jiān)測(cè)模塊包括:人體機(jī)能檢測(cè)模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊,主要功能為監(jiān)測(cè)駕駛員身體機(jī)能數(shù)據(jù)以及駕駛室各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)。環(huán)境調(diào)控模塊包括:氧分壓調(diào)控模塊、溫度調(diào)控模塊、濕度調(diào)控模塊,主要功能是調(diào)控駕駛室內(nèi)的環(huán)境,為駕駛員提供健康舒適的工作環(huán)境。集控顯示模塊作為系統(tǒng)核心部件,主要功能為接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、反饋數(shù)據(jù)、控制各模塊工作狀態(tài)。信號(hào)傳遞模塊主要指基于2.4 GHz的無(wú)線傳輸模塊,負(fù)責(zé)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的接受和上傳。供電及電力模塊包括:電源模塊、繼電器模塊等,為系統(tǒng)所有的部件供電,保證系統(tǒng)電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行。
系統(tǒng)中的人體生理響應(yīng)指標(biāo)檢測(cè)主要依靠“健康手環(huán)”來(lái)完成,其構(gòu)造如圖7所示,該模塊內(nèi)的生理響應(yīng)指標(biāo)檢測(cè)模塊利用PPG光電容描記法根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔測(cè)量人體的血氧飽和度、心率、體溫、血壓值,并可在其顯示屏上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果,可通過(guò)兼容型多功能按鈕切換不同的指標(biāo)顯示。與此同時(shí),其利用內(nèi)置的Dialog藍(lán)牙芯片將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至車(chē)內(nèi)的集控顯示模塊進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理利用。
系統(tǒng)中所需監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)有駕駛室氧分壓、溫度以及濕度,通過(guò)對(duì)比分析,分別選用適用于高海拔低溫低壓環(huán)境工作的傳感器。其中氧分壓和溫度的監(jiān)測(cè)選用LuminOx熒光學(xué)氧氣傳感器,利用串口轉(zhuǎn)換器配合完成氧分壓和溫度數(shù)據(jù)的采集和傳輸,傳感器如圖8所示。駕駛室濕度的監(jiān)測(cè)選用的HM1500LF型濕度傳感器,該傳感器專(zhuān)門(mén)適用于對(duì)于環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)值精度要求較高的場(chǎng)所,其實(shí)物圖如圖9所示。
(1)氧分壓調(diào)控(制氧及供氧)模塊。選取高分子膜分離式高原車(chē)載制氧機(jī)實(shí)現(xiàn)氧分壓調(diào)控[19-20],該制氧機(jī)如圖10所示,其外形尺寸為280 mm(長(zhǎng))×128 mm(寬)×178 mm(高),重量為6 kg,滿(mǎn)足合理空間尺度原理的要求,外殼材質(zhì)為Q235冷扎板,具有較好的穩(wěn)固性。制備的氧氣濃度為30%,為醫(yī)學(xué)界認(rèn)定的安全吸氧濃度,制備氧量為8 L/min。研究表明正常人體在空氣中氧氣濃度為21%的環(huán)境時(shí),每次吸入空氣量約500 mL,按每分鐘呼吸16次計(jì)算,即每分鐘吸入9 L氧氣濃度為21%的空氣,所以該制氧機(jī)的供氧量足以維持人體正常的生理需求。
(2)溫度、濕度調(diào)控模塊。在設(shè)計(jì)溫度調(diào)控模塊時(shí),考慮到現(xiàn)有的無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛都配置有空調(diào)系統(tǒng),可通過(guò)改造將其充分利用,在實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控需求的同時(shí),又能節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。在高海拔高寒礦山井下作業(yè)時(shí),高溫的環(huán)境影響較少,更多為低溫影響,所以溫度調(diào)控模塊一般處于制熱工作狀態(tài)。濕度調(diào)控模塊主要是在駕駛室環(huán)境濕度不能滿(mǎn)足駕駛員正常生理響應(yīng)指標(biāo)時(shí)對(duì)駕駛室的環(huán)境濕度進(jìn)行調(diào)控,由于高海拔礦山井下環(huán)境濕度一般都較小,所以此處不考慮除濕,選用高速離心霧化加濕機(jī)迅速增大駕駛室內(nèi)濕度,除濕機(jī)如圖11所示。
集控顯示模塊在系統(tǒng)中為核心部件,需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示,選用菲尼克斯的BL PPC12工業(yè)面板式PC進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā),以實(shí)現(xiàn)上述所需功能。BL PPC12工業(yè)平板如圖12所示,其具有高I/Q容量,設(shè)有多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)接口,能夠滿(mǎn)足各類(lèi)型數(shù)據(jù)的接入。
針對(duì)集控顯示模塊所需實(shí)現(xiàn)的功能,借助Lab-VIEW軟件進(jìn)行功能程序的編寫(xiě),具體闡述如下:
(1)數(shù)據(jù)采集。在軟件方面,利用LabVIEW編寫(xiě)采集程序,具體采用狀態(tài)機(jī)模型編寫(xiě)[21]。按設(shè)定的時(shí)間間隔采集由人體生理響應(yīng)指標(biāo)檢測(cè)模塊檢測(cè)到的駕駛員生理數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到的駕駛室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。硬件方面,因?yàn)轳{駛員生理數(shù)據(jù)是由手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)?,所以在開(kāi)發(fā)時(shí)必須內(nèi)置藍(lán)牙模塊。駕駛室氧分壓和溫度監(jiān)測(cè)模塊傳輸數(shù)據(jù)格式為3.3 V TTL,濕度監(jiān)測(cè)模塊傳輸數(shù)據(jù)格式為5 V TTL,所以需配置響應(yīng)的數(shù)據(jù)接口。此外考慮到設(shè)備的功能可擴(kuò)展性,額外配置幾項(xiàng)其他數(shù)據(jù)接口。
(2)數(shù)據(jù)處理與調(diào)整。當(dāng)某位駕駛員上車(chē)后,車(chē)內(nèi)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng),駕駛員手環(huán)與車(chē)內(nèi)集控顯示模塊通過(guò)藍(lán)牙連接,連接成功后,設(shè)備自動(dòng)從系統(tǒng)讀取該駕駛員的健康體檢數(shù)據(jù),并分別設(shè)置其各生理響應(yīng)指標(biāo)正常范圍。在接收到人體生理響應(yīng)指標(biāo)檢測(cè)模塊傳輸?shù)鸟{駛員生理數(shù)據(jù)時(shí),與該駕駛員在系統(tǒng)中的健康體檢數(shù)據(jù)比對(duì),若不在設(shè)定范圍內(nèi),根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出能夠使駕駛員生理響應(yīng)指標(biāo)處于正常范圍的環(huán)境參數(shù)范圍,而后與環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊傳輸?shù)鸟{駛室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,若某一項(xiàng)環(huán)境參數(shù)不在范圍內(nèi),控制相應(yīng)的環(huán)境調(diào)控模塊開(kāi)始工作,調(diào)控各環(huán)境參數(shù),直至達(dá)到設(shè)定的正常范圍的環(huán)境參數(shù)范圍。如若各環(huán)境參數(shù)在設(shè)置范圍內(nèi),而駕駛員的生理響應(yīng)指標(biāo)不在其健康體檢范圍內(nèi)時(shí),需對(duì)駕駛員進(jìn)行重新體檢,更新其健康數(shù)據(jù)。
(3)數(shù)據(jù)顯示。根據(jù)人機(jī)交互所要求的交互界面美觀和操作邏輯完善的原則[21-22],設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面,通過(guò)在用戶(hù)界面實(shí)時(shí)顯示駕駛員的生理機(jī)能數(shù)據(jù)、駕駛室的環(huán)境參數(shù)以及系統(tǒng)內(nèi)各調(diào)控設(shè)備的工作狀態(tài)使駕駛員能夠及時(shí)掌握運(yùn)輸系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境的協(xié)調(diào)安全狀況,同時(shí)當(dāng)有數(shù)據(jù)異?;蛟O(shè)備異常時(shí),會(huì)通過(guò)界面對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警。交互界面如圖13所示。
項(xiàng)目以保障高海拔礦山無(wú)軌運(yùn)輸駕駛員身體健康為目的,在調(diào)研大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、軟硬件研發(fā)等方法,開(kāi)展高海拔礦山無(wú)軌運(yùn)輸駕駛員安全保障技術(shù)研究,主要有以下結(jié)論:
(1)通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)在高海拔環(huán)境模擬艙內(nèi)開(kāi)展高海拔人體生理響應(yīng)研究,基于極差分析,得到氧分壓、溫度、濕度對(duì)人體機(jī)能的影響大小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氧分壓、溫度、濕度均會(huì)影響作業(yè)人員的各項(xiàng)生理指標(biāo),但是影響程度不一,其中以氧分壓的影響最大,溫度影響次之,雖然濕度對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)影響均較小,但是也是不容忽視的。
(2)通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)選取,建立了集駕駛員身體機(jī)能監(jiān)測(cè)、駕駛室環(huán)境監(jiān)測(cè)、駕駛室環(huán)境調(diào)控、信息設(shè)備集控顯示于一體的高海拔礦山車(chē)輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)高海拔礦山車(chē)輛駕駛環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和科學(xué)調(diào)控,對(duì)于保障駕駛員工作環(huán)境安全舒適、駕駛員身體機(jī)能健康具有重要意義。