淺談選煤廠智能安全頭盔技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

紀(jì)佳玉 張賢 陳亞雄

摘要：分析了當(dāng)前選煤廠中安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為其存在監(jiān)控手段單一、通信手段落后、缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)手段等問(wèn)題。智能安全頭盔作為當(dāng)前熱門(mén)的安全監(jiān)護(hù)技術(shù)，可以為工作人員提供實(shí)時(shí)的安全監(jiān)護(hù)服務(wù)。為了解決當(dāng)前選煤廠中監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)智能安全頭盔的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為智能安全頭盔可以作為未來(lái)保障選煤廠現(xiàn)場(chǎng)人員安全的一個(gè)重要手段。

關(guān)鍵詞：選煤廠安全監(jiān)護(hù);智能安全頭盔;無(wú)線通信技術(shù);室內(nèi)定位技術(shù)

0 引言

選煤廠中洗煤工藝鏈復(fù)雜，安全生產(chǎn)管理與監(jiān)護(hù)難度較大;選煤設(shè)備種類復(fù)雜多樣，并且多為大型機(jī)械，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患[1]。當(dāng)前，選煤廠的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)手段是以視頻監(jiān)控為主，但這種傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全監(jiān)護(hù)需求。智能安全頭盔作為當(dāng)前熱門(mén)的安全監(jiān)護(hù)技術(shù)，在煤礦、電力系統(tǒng)、消防、安保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[2]。將智能安全頭盔引入選煤廠的安全監(jiān)控系統(tǒng)，是解決當(dāng)前選煤廠中安全監(jiān)護(hù)問(wèn)題的有效措施。本文分析了選煤廠安全監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，介紹了智能安全頭盔的工作原理，對(duì)安全頭盔中采用的相關(guān)技術(shù)，包括無(wú)線通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)和人體健康監(jiān)測(cè)技術(shù)等進(jìn)行了分析。

1 選煤廠安全監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著機(jī)械化與自動(dòng)化水平的不斷提高，選煤廠中的危險(xiǎn)源越發(fā)難以管控，近年來(lái)，機(jī)械傷害成為選煤廠中最嚴(yán)重的安全隱患之一。因此，選煤廠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究成為企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障。

王芳[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝的各類傳感器，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦傳感器檢測(cè)到異常，報(bào)警信息就會(huì)傳遞給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效降低現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

張紹先[4]介紹了馬頭洗煤廠中無(wú)線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了無(wú)線遠(yuǎn)程控制以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

雷斌等人[5]設(shè)計(jì)的基于DCS技術(shù)的選煤廠集控系統(tǒng)，完成了對(duì)傳統(tǒng)的以PLC為技術(shù)核心的集控系統(tǒng)的替代，并且能夠?qū)崿F(xiàn)選煤廠中視頻與音頻的聯(lián)動(dòng)，不僅提高了監(jiān)控水平，還提高了選煤廠各系統(tǒng)的通信能力。

張宗華[6]設(shè)計(jì)了選煤廠人員智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)有的閉路監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，能夠在一定程度上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行位置跟蹤與安全狀態(tài)判斷。

綜上所述，當(dāng)前選煤廠的監(jiān)控系統(tǒng)是以設(shè)備和工藝等方面為監(jiān)護(hù)重點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的監(jiān)護(hù)手段單一且效果并不明顯，人身安全難以得到保障。目前，選煤廠中的安全監(jiān)護(hù)主要存在以下問(wèn)題：（1）監(jiān)護(hù)手段單一，選煤車間中雖然布設(shè)有攝像頭，但是攝像頭存在監(jiān)控死角，安全監(jiān)護(hù)還存有盲區(qū);（2）通信設(shè)備落后，雖然現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員配有對(duì)講設(shè)備，但由于嘈雜的生產(chǎn)環(huán)境以及對(duì)講頻道干擾等因素的影響，很難保證有效的溝通;（3）缺乏對(duì)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)手段，一旦現(xiàn)場(chǎng)工作人員人身受到傷害，管理人員難以及時(shí)獲知并處理。

因此，在當(dāng)前人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，建立一套科學(xué)先進(jìn)且可行的人員監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是非常有必要的。

2 智能安全頭盔

安全帽是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員頭部安全的重要手段，其通過(guò)減緩沖擊力度以及增加抗擊打能力實(shí)現(xiàn)頭部防護(hù)功能，作用比較單一[7]，已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需要。

智能安全頭盔是以人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能設(shè)備，不僅兼顧了對(duì)頭部的防護(hù)功能，更是在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了人員定位、環(huán)境異常報(bào)警、實(shí)時(shí)通信、區(qū)域預(yù)警和人員身體健康監(jiān)測(cè)等功能[8-9]。智能安全頭盔一般包括中央處理器、各類數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、電源模塊等部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。智能安全頭盔通過(guò)其數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)外部環(huán)境信息和人員的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)由中央處理器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果由通信模塊上傳至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)分析后得到現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)時(shí)信息。

以煤礦用智能安全頭盔為例。井下的作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，可能發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)和塌方等危險(xiǎn)。為了保障井下作業(yè)人員的人身安全，煤礦用智能安全頭盔須具備實(shí)時(shí)定位、健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境異常監(jiān)測(cè)、智能處理以及抗干擾等功能特點(diǎn)[10]。相較于復(fù)雜且危險(xiǎn)的井下工作環(huán)境，選煤廠中的危險(xiǎn)源相對(duì)可控，設(shè)備的機(jī)械傷害是最主要的危險(xiǎn)因素，因此選煤廠中引入智能安全頭盔在理論和技術(shù)上是完全可行的。基于當(dāng)前選煤廠中安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在的監(jiān)控手段單一，通信手段落后，缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)手段等問(wèn)題，選煤廠智能安全頭盔應(yīng)具備人員定位功能、實(shí)時(shí)語(yǔ)音視頻通信功能和人員身體健康監(jiān)測(cè)功能，涉及的技術(shù)主要有無(wú)線通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)和人體健康監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

3 相關(guān)技術(shù)研究

3.1? ? 無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)玫搅吮Ｕ稀Ｄ壳傲餍械臒o(wú)線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、超寬帶技術(shù)和蜂窩無(wú)線通信技術(shù)等[11]。

藍(lán)牙技術(shù)適用于短距離通信，一般有效通信距離不超過(guò)10 m。其優(yōu)點(diǎn)為可方便地接入手機(jī)等移動(dòng)終端，功耗小，抗干擾能力強(qiáng);缺點(diǎn)為有效傳輸距離較短，傳輸速率相對(duì)較低。

Wi-Fi技術(shù)的有效工作距離最遠(yuǎn)可達(dá)100 m，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mb/s。其優(yōu)點(diǎn)為可以提供高速傳輸?shù)臒o(wú)延遲通信，經(jīng)濟(jì)成本較低，適用于商場(chǎng)、企業(yè)、辦公、家庭等多種場(chǎng)所;其缺點(diǎn)為信號(hào)傳輸過(guò)程中易受干擾。

超寬帶技術(shù)（Ultra Wideband，UWB）是通過(guò)發(fā)送和接收納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)為時(shí)間分辨率高，信號(hào)傳輸在納秒級(jí)完成;能效高，能夠在低功率下傳輸更遠(yuǎn)的距離;抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是安裝成本較高。

蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)（Cellular Mobile Communication）采用蜂窩無(wú)線組網(wǎng)的方式，使終端與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立無(wú)線通信。其優(yōu)點(diǎn)為傳輸距離遠(yuǎn)，一般大于1 000 m;傳輸信號(hào)穩(wěn)定;傳輸速率高，5G商用通信峰值速率可達(dá)20 Gb/s。但是其缺點(diǎn)也十分明顯，即成本比較昂貴。