高海拔礦山無軌運輸車輛駕駛員安全保障技術研究

任高峰 葛永翔 馬俊生 秦 嶺3

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430070；2.中國恩菲工程技術有限公司，北京100038；3.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢430070）

高海拔礦山井下無軌運輸是聯系礦山各個生產環節的“動脈”，然而由于高海拔寒區氣壓低、空氣稀薄、早晚溫差較大等特殊的地理氣候條件［1-2］，高海拔寒區礦山無軌運輸駕駛員面臨低溫缺氧工作環境、身體機能下降等難題，嚴重制約了高海拔礦山無軌運輸安全［3-6］。

因此對高海拔地區駕駛員身體機能變化規律以及駕駛室環境調控技術開展研究，進而保障駕駛員工作環境舒適、安全、健康具有重要的工程意義。

針對高海拔地區人體生理特性研究，國內外學者開展了大量工作，諸多研究人員將保障高原從業者身體健康的研究視為首要任務［7］。亓峰［8］利用高原環境模擬艙開展了為期20 d的人體實驗，研究了大氣壓力、環境溫度、活動強度對人體熱舒適度的影響規律，從人體熱舒適度的角度研究了高原低氣壓低溫環境對人體生理健康的影響。王延琦等［9］對急進格爾木地區的試驗人員進行現場的生理指標測試，并與往常指標值對比分析其受高原環境的影響，證明了高原環境參數變化會明顯地影響人體的血氧飽和度、血壓、心率等生理響應指標。針對高海拔礦山井下環境調控技術，于跟波等［10］根據高原非煤礦山安全生產的現狀，設計并研制了一套高原非煤礦井空氣環境關鍵參數實時監測系統，實現了對井下空氣環境關鍵參數的實時監測。姚銀佩等［2］在當前礦井通風系統現狀調查與測定的基礎上，分析了通風系統存在的問題，提出了兩種可行的高海拔礦山通風系統的改造方案。Aqueveque等［11］建立了一套高海拔礦山井下的監測系統，并嵌置于井下作業人員的防護服內，實現了對環境溫度、濕度和人體心電圖、呼吸率、體溫等指標的實時監測。李蓉蓉等［12］基于CFD模擬結果，觀察氧氣質量分數分布，并采用數值分析方法對比了壓入風筒與掘進面距離、供氧管與壓入風筒水平距離及抽壓比3個因素中對氧氣分布影響最大的因素，有針對性地調整供氧方案。

綜上所述，目前關于保障高海拔礦山無軌運輸駕駛員生理健康的研究較少，具體針對駕駛室環境開展調控研究也并不多見。因此，在解決高原惡劣環境對駕駛員的健康影響問題時，仍采用礦井加壓通風、通風網絡模擬仿真優化、外部人工風源預加熱等方法，但是，由于井下環境的復雜性，現有的技術成果尚難以有效地改善井下車輛駕駛環境，為駕駛員提供健康適宜的工作場所［13］。針對以上問題，本項目以高海拔礦山無軌運輸車輛駕駛員為研究對象，開展高海拔礦山井下作業人員生理響應特性研究，設計研發駕駛室環境自適應調控系統，以保障駕駛員工作環境安全、舒適、健康，為高海拔礦山安全運輸提供指導。

1 人體生理響應特性正交實驗

通過設計正交試驗［14-16］，在高海拔環境實驗艙內分別針對氧分壓、溫度、濕度3種環境因素對人體生理響應指標的影響進行研究，測試和分析人體在不同因素模擬環境中運動時生理響應指標參數的變化量，通過對實驗數據進行極差分析，確定各測試生理響應指標與井下環境因素之間的影響大小。

1.1 實驗工況設計

高海拔礦山井下惡劣環境正交實驗考慮的環境因素有：氧分壓、溫度、濕度，通過正交實驗分析在這3種環境因素復合作用下人體生理指標的響應情況。在劃分各因素水平時，考慮在環境氧分壓小于14.686 kPa（即海拔高于3 000 m）、環境溫度小于10℃、環境濕度小于35%RH時人體各項生理響應指標變化較明顯進行因素水平劃分，選取的人體生理響應指標為血氧飽和度、心率、體溫、血壓（包括收縮壓、舒張壓），根據正交實驗設計原則，結合高海拔礦山實際情況，具體實驗方案如表1所示。

1.2 實驗樣本的選擇

基于礦山生產勞動者大多為中青年人群，加之實際實驗條件的限制，所選用的實驗者均為25～35歲的中青年。同樣地，選擇身體健康的受試人群，并在實驗開始前對每一位受試者進行全面的體檢，保證其身體健康后方可作為受試對象。經過一系列的篩選后，確定了10名受試者，其中男性受試者8人，女性受試者2人。

1.3 實驗步驟

（1）在高海拔環境仿真實驗系統艙內進行高海拔礦山井下復合環境影響實驗，檢查實驗艙內所有環境監測調控設備、人體生理數據采集設備、跑步機等實驗輔助設備，并保證各項設備正常運行。

（2）根據正交實驗設計的9組環境工況，依次對10位受試者進行實驗。為節省實驗時間、保證實驗數據測量的準確性，將10名受試者分為2組進行實驗，每組包括4名男性受試者和1名女性受試者。

（3）在進行第1次復合正交實驗時，待第1組5位受試者全部進入實驗艙準備就緒后，啟動環境調控設備，將實驗艙內的氧分壓、溫度、濕度環境因素值設置到實驗條件對應數值，同時所有受試者在跑步機上進行慢跑，模擬工作狀態。

（4）待實驗艙內環境參數到達設定工況并穩定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）等生理機能數據，而后，每位受試者在跑步機上進行持續的慢跑運動，每間隔10 min采集1次數據，每人采集3組數據并分別取平均值后輸入電腦進行記錄。

（5）待2個分組的受試者均完成第1次實驗后，依照同樣的操作順序對2個組的受試者依序進行后續的8次實驗。

1.4 實驗結果分析

通過高海拔礦山井下環境復合影響正交實驗，得到10名受試者在9次不同模擬環境條件下的生理響應指標數據。為了避免受試者個體差異對實驗結果造成影響，同時考慮到統計分析過程的數據類型需求，對10名受試者在正交實驗中的各項生理響應指標測試結果分別取平均值，以便于實驗結果的研究分析。各實驗數據如表2所示。對正交實驗結果進行極差分析和相關性分析，可以得到各環境因素對人體生理響應指標的影響規律以及各環境因素對人體生理健康的影響主次排序。

利用正交實驗點分布均衡，實驗結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種環境因素對人體的血氧飽和度、心率、體溫、血壓（收縮壓、舒張壓）幾種生理響應指標的影響大小［14］。

圖1～圖5為3種環境因素對人體各項生理響應指標的影響趨勢分布圖，圖中P1～P3、T1～T3、R1～R3分別代表氧分壓、溫度、濕度的3個水平值。

各環境因素對人體生理響應指標的極差排序見表3。

從各環境因素對人體生理響應指標影響的分布圖和極差排序表可以看出：①對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，受環境濕度變化的影響最小；②各環境因素對血氧飽和度和心率的影響排序一致，順序為氧分壓＞溫度＞濕度；③人體體溫受環境溫度的影響較大，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境中，高、寒、旱均會影響作業人員的各項生理指標，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，雖然濕度對各項生理指標影響均較小，但也不容忽視。

2 高海拔礦山車輛駕駛室環境調控系統

上述實驗指明了高海拔礦山車輛駕駛室環境調控系統的具體調控指標，為研發高海拔礦山車輛駕駛室環境調控系統提供了理論指導。設計的高海拔礦區無軌運輸車輛駕駛室環境調控系統本著高可靠性、高精確性、高耐用性的原則［17］，由各功能模塊及控制系統相互協調配合來完成，設計的駕駛室自適應調控系統實現方式如圖6所示。

系統主要由監測模塊、環境調控模塊、集控顯示模塊、信號傳遞模塊、供電及電力模塊5個部分組成。監測模塊包括：人體機能檢測模塊、環境監測模塊，主要功能為監測駕駛員身體機能數據以及駕駛室各項環境指標。環境調控模塊包括：氧分壓調控模塊、溫度調控模塊、濕度調控模塊，主要功能是調控駕駛室內的環境，為駕駛員提供健康舒適的工作環境。集控顯示模塊作為系統核心部件，主要功能為接收數據、處理數據、反饋數據、控制各模塊工作狀態。信號傳遞模塊主要指基于2.4 GHz的無線傳輸模塊，負責各項數據的接受和上傳。供電及電力模塊包括：電源模塊、繼電器模塊等，為系統所有的部件供電，保證系統電路的穩定安全運行。

2.1 監測模塊

系統中的人體生理響應指標檢測主要依靠“健康手環”來完成，其構造如圖7所示，該模塊內的生理響應指標檢測模塊利用PPG光電容描記法根據設定的時間間隔測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時顯示測量結果，可通過兼容型多功能按鈕切換不同的指標顯示。與此同時，其利用內置的Dialog藍牙芯片將所采集的數據傳輸至車內的集控顯示模塊進行后續的數據處理利用。

系統中所需監測的環境參數有駕駛室氧分壓、溫度以及濕度，通過對比分析，分別選用適用于高海拔低溫低壓環境工作的傳感器。其中氧分壓和溫度的監測選用LuminOx熒光學氧氣傳感器，利用串口轉換器配合完成氧分壓和溫度數據的采集和傳輸，傳感器如圖8所示。駕駛室濕度的監測選用的HM1500LF型濕度傳感器，該傳感器專門適用于對于環境濕度監測值精度要求較高的場所，其實物圖如圖9所示。

2.2 環境調控模塊

（1）氧分壓調控（制氧及供氧）模塊。選取高分子膜分離式高原車載制氧機實現氧分壓調控［19-20］，該制氧機如圖10所示，其外形尺寸為280 mm（長）×128 mm（寬）×178 mm（高），重量為6 kg，滿足合理空間尺度原理的要求，外殼材質為Q235冷扎板，具有較好的穩固性。制備的氧氣濃度為30%，為醫學界認定的安全吸氧濃度，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%的環境時，每次吸入空氣量約500 mL，按每分鐘呼吸16次計算，即每分鐘吸入9 L氧氣濃度為21%的空氣，所以該制氧機的供氧量足以維持人體正常的生理需求。

（2）溫度、濕度調控模塊。在設計溫度調控模塊時，考慮到現有的無軌運輸車輛都配置有空調系統，可通過改造將其充分利用，在實現溫度調控需求的同時，又能節省開發成本。在高海拔高寒礦山井下作業時，高溫的環境影響較少，更多為低溫影響，所以溫度調控模塊一般處于制熱工作狀態。濕度調控模塊主要是在駕駛室環境濕度不能滿足駕駛員正常生理響應指標時對駕駛室的環境濕度進行調控，由于高海拔礦山井下環境濕度一般都較小，所以此處不考慮除濕，選用高速離心霧化加濕機迅速增大駕駛室內濕度，除濕機如圖11所示。

2.3 集控顯示模塊

集控顯示模塊在系統中為核心部件，需進行數據采集、數據處理、數據顯示，選用菲尼克斯的BL PPC12工業面板式PC進行嵌入式開發，以實現上述所需功能。BL PPC12工業平板如圖12所示，其具有高I/Q容量，設有多種類型的數據接口，能夠滿足各類型數據的接入。

針對集控顯示模塊所需實現的功能，借助Lab-VIEW軟件進行功能程序的編寫，具體闡述如下：

（1）數據采集。在軟件方面，利用LabVIEW編寫采集程序，具體采用狀態機模型編寫［21］。按設定的時間間隔采集由人體生理響應指標檢測模塊檢測到的駕駛員生理數據和環境監測模塊監測到的駕駛室內環境數據。硬件方面，因為駕駛員生理數據是由手環通過藍牙傳輸的，所以在開發時必須內置藍牙模塊。駕駛室氧分壓和溫度監測模塊傳輸數據格式為3.3 V TTL，濕度監測模塊傳輸數據格式為5 V TTL，所以需配置響應的數據接口。此外考慮到設備的功能可擴展性，額外配置幾項其他數據接口。

（2）數據處理與調整。當某位駕駛員上車后，車內系統自動啟動，駕駛員手環與車內集控顯示模塊通過藍牙連接，連接成功后，設備自動從系統讀取該駕駛員的健康體檢數據，并分別設置其各生理響應指標正常范圍。在接收到人體生理響應指標檢測模塊傳輸的駕駛員生理數據時，與該駕駛員在系統中的健康體檢數據比對，若不在設定范圍內，根據相關算法計算出能夠使駕駛員生理響應指標處于正常范圍的環境參數范圍，而后與環境監測模塊傳輸的駕駛室內環境數據進行匹配，若某一項環境參數不在范圍內，控制相應的環境調控模塊開始工作，調控各環境參數，直至達到設定的正常范圍的環境參數范圍。如若各環境參數在設置范圍內，而駕駛員的生理響應指標不在其健康體檢范圍內時，需對駕駛員進行重新體檢，更新其健康數據。

（3）數據顯示。根據人機交互所要求的交互界面美觀和操作邏輯完善的原則［21-22］，設計人機交互界面，通過在用戶界面實時顯示駕駛員的生理機能數據、駕駛室的環境參數以及系統內各調控設備的工作狀態使駕駛員能夠及時掌握運輸系統中人、機、環境的協調安全狀況，同時當有數據異常或設備異常時，會通過界面對駕駛員進行報警。交互界面如圖13所示。

3 結 論

項目以保障高海拔礦山無軌運輸駕駛員身體健康為目的，在調研大量文獻的基礎上，通過理論分析、實驗測試、軟硬件研發等方法，開展高海拔礦山無軌運輸駕駛員安全保障技術研究，主要有以下結論：

（1）通過設計正交實驗在高海拔環境模擬艙內開展高海拔人體生理響應研究，基于極差分析，得到氧分壓、溫度、濕度對人體機能的影響大小，實驗結果表明，氧分壓、溫度、濕度均會影響作業人員的各項生理指標，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，雖然濕度對各項生理指標影響均較小，但是也是不容忽視的。

（2）通過軟硬件設計選取，建立了集駕駛員身體機能監測、駕駛室環境監測、駕駛室環境調控、信息設備集控顯示于一體的高海拔礦山車輛駕駛室環境調控系統，實現了對高海拔礦山車輛駕駛環境的實時監測和科學調控，對于保障駕駛員工作環境安全舒適、駕駛員身體機能健康具有重要意義。