基于物聯網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人員隨身攜帶儀器存在的弊端，總結煤礦單崗作業人員存在的安全問題，結合當前煤礦信息化系統存在的痛點，基于WIFI技術的物聯網解決方法，研發可便于攜帶的礦用智能單兵裝備，分析產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發展的意義，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，據不完全統計，國內目前尚有煤礦7000多座，煤礦開采為國民經濟的發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管手段，無法實現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生[1]。

1 ?礦用智能單兵保障裝備研發的必要性

通過調研，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的技術監管手段，屬于監管盲區;二是安監員無法將違章過程進行記錄，導致三違處罰缺乏證據支撐;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，急需研發一套高度集成、人機一體的井下單兵作業保障儀器，提高礦井礦井安全管理水平，確保人員作業可監、可控、可防。

2 ?國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外大型采礦企業，在礦山開采方面都在積極進行新技術突破，美國、日本等科技型企業都在可視化系統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品研發成為可能。

2.2 國內研究現狀

國內雖有部分廠家在此類產品進行突破，但是產品未考慮真實的使用場景，研發出來的產品不接地氣，用戶使用滿意度較差，采購費用過高;國內在煤礦井下單兵攜帶產品方面，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、有害氣體監測在一起的國內在2016年前沒有研發成功。

3 ?智能單兵保障裝備研究內容

系統研究內容共分為三個部分，分別為智能單兵保障儀、多系統融合一體化基站、智能單兵保障物聯網軟件平臺。

3.1 智能單兵保障儀設計

系統首先將井下作業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人員攜帶產品的數量及質量，方便井下作業人員進行作業，同時對音視頻數據、定位數據、氣體監測數據整合傳輸，實現作業人員采集數據傳輸一體化;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，同時開發智能單兵音視頻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，并能夠實現氣體數據和音視頻數據無線傳輸等功能，同時對接口協議進行約束和規范，保證傳輸穩定、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，并確保緊急狀態溝通順暢。

3.1.2 腰部攜帶產品設計

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，并通過保護電路穩定輸出。

3.2 多功能一體化基站設計

設計研發多功能一體化基站，基站能夠上傳固定攝像頭，無線方案選用WIFI技術方案，WIFI的場強符合國家規定，數據帶寬必須達到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據;WIFI電壓等級必須在本安電壓等級范圍內;WIFI無線一體化基站具備無線數據傳輸、無線通信、氣體數據上傳、定位數據采集、以太網口接入等功能[2]。

3.3 智能單兵裝備系統軟件平臺

礦用智能單兵裝備軟件平臺主要基于物聯網技術，負責將現場智能單兵保障裝備采集的各類數據，通過WIFI網絡，實現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，使得調度室調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場作業人員畫面進行實時傳輸、展示。

開發了SOS音視頻求救模塊，能夠實現現場人員一鍵直呼調度室功能，調度室與現場人員音視頻實時對話，實現了井下作業人員的可視化求救[3]。

4 ?研究預期目標

通過產品研發，使該產品具備在礦燈、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，產品重量適中，能夠實現端到端的通信，方便入井人員攜帶，產品技術選型合理，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，實現井下信息系統傳輸融合化;三是開發一款功能豐富的礦用智能單兵裝備及其他系統功能的軟件平臺，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人員攜帶產品的數量，該智能單兵保障儀具備過去5種產品的功能;多功能一體化基站的系統融合傳輸及集成，一套解決方案系統至少實現四種數據集中采集功能，不存在系統對接問題，可實現各廠礦的簡單交付，同時線纜、設備安裝數量大幅度減少，系統維護便捷、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成功對煤炭信息技術發展方向，多信息系統融合提供了方向，是支持企業增強創新能力、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。

該項目研發成功后，將使得煤礦信息系統展示由二維走向三維過度、由經驗走向智能、由單一走向協同;實現集團層面、煤礦層面角色的分工協作，充分實現資源共享，實現各個專業間的協同設計，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濟價值和社會效益，在煤炭行業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的設計與研究[D].河北工業大學，2012.

[3] 賈曉娣.建井技術[J].煤礦安全，2011（3）：85-89.