海外露天礦山輔助安全駕駛系統應用研究

杜素忠 張錄彬 周耀東 周碧輝

(萬寶礦產有限公司蒙育瓦銅礦)

露天礦一般采用汽車、破碎站、皮帶等結合的運輸體系，包括卡車、挖機、鏟車、鉆機、推土機、平地機、灑水車、加油車等工程車輛及其他普通礦用車輛運行[1]，道路交通安全是露天礦山安全管理重要內容之一[2]。據不完全統計，僅疲勞駕駛導致的安全事故就占到露天礦交通事故的65%以上。提高安全駕駛管理力度，有利于提升礦山交通安全管理水平。

近年來，露天礦山輔助安全駕駛相關研究報道主要集中在防疲勞、防碰撞等算法、設備或應用介紹等方面。比如，Max Martell[3]介紹了不安全駕駛成因和一些管理措施，丁建國、魏嘯東[4]介紹了露天煤礦疲勞駕駛警示系統的應用,Donna Schmidt[5]對比介紹了疲勞監視監測的方法和設備，包括班前評估、環境評估、監測頭套、智能手環等。其中，完整論述露天礦山輔助安全駕駛系統設計和集成應用的報道較為有限。同時，海外露天礦山在信息安全、數據共享和異構系統接口等方面[6]要求較高，而駐在國屬地化條件[7]進一步提高了海外礦山構建輔助安全駕駛系統的難度。

蒙育瓦銅礦結合海外露天金屬礦山實際情況，設計了露天礦山輔助安全駕駛系統，并采用2種不同設備和集成方法在所屬礦山進行了測試、應用、推廣和對比，在提高自身安全生產管理水平同時，可為海外露天礦山道路交通安全管理和數字化建設提供參照。

1 系統目標

蒙育瓦銅礦位于緬甸石皆省境內，包含L礦、K礦、S礦、S南礦4個礦段[8]，因股權結構和生產組織方式不同，分為L礦和S & K礦2個大型礦山項目運行。項目覆蓋地、采、選、冶全流程，總占地面積超過50 km2，2019年采剝總量超過1.5億t。

作為大型露天金屬礦山，L礦和S & K礦各自保有礦用工程車輛超過150臺、普通礦用車輛約200臺，運系龐大、路況復雜。根據“大部分交通安全事故是由駕駛員錯誤行為引起的”理論[9]，道路交通安全風險隨汽車和駕駛員數量增加而增大。

露天礦山輔助安全駕駛系統目的是利用安裝在汽車上的傳感器和人機接口，監測和分析駕駛員超速駕駛、疲勞駕駛、不規范駕駛等行為，實時向駕駛員及管理者預警，輔助提高礦山車輛駕駛安全性。表1列舉了部分監測內容。

表1 輔助安全駕駛監測內容

2 總體設計

系統設計中，主要采用基于駕駛員圖像采集和分析方法進行監測預警，形成圖1中數據采集層、交互傳輸層和分析處理層組成的基本結構。

圖1 系統基本結構

(1)數據采集層指安裝在車輛上的設備，負責監視、收集駕駛員狀況，進行前端分析。安裝在車輛上的衛星導航天線實現速度和位置跟蹤；監測傳感器采集車輛和駕駛員信息；車載計算機分析和處理采集的信息后，通過監視傳感器向駕駛員發出預警；車載客戶前置設備(Customer Premise Equipment,CPE)用于數據采集層和分析處理層之間的雙向數據交互。蒙育瓦銅礦主要采用圖2中基于圖像分析的監測傳感器。

圖2 基于圖像分析的監測原理

(2)傳輸交互層是數據采集層和分析處理層之間雙向數據交互的通道。蒙育瓦銅礦通過部署基于長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)[10]的通信基站，組成圖3露天金屬礦山私有物聯網系統(Internet of Things,IoT)[11]，通過LTE與CPE之間的無線數據通道，滿足生產相關移動及遠距離、離散式設施設備與礦區工業互聯網的互聯互通需要，數據通信覆蓋廣泛、傳輸安全、鏈路可靠，信息可多維多級共享。

圖3 私有物聯網系統結構

(3)分析處理層包括數據處理服務器、后臺軟件和客戶端，以及其他需要與輔助安全駕駛系統進行數據交互的信息系統。安裝在服務器上的后臺軟件一方面向數據采集層下達監測和預警要求，一方面接收數據采集層反饋的實時監測和預警結果，保留相應記錄，進行數據統計和分析；調度和監控人員通過客戶端，可連接后臺軟件，實現系統操作和數據獲取。另外，不同系統間通過傳輸網絡和定制化接口實現雙向數據交互，滿足各方需要。

3 系統實現

系統基本設計結構中，數據采集層及后臺軟件是系統整體實現的關鍵。對比國內、外相關不同產品特性和應用情況，蒙育瓦銅礦選定具有行業代表性的Care-drive公司圖像分析監測傳感器作為礦山輔助安全駕駛系統數據采集層設備。其中，L礦選用傳統MR688，S & K礦選用最新MR800作為主要設備，實現方法和應用情況具有橫向對比特點。

3.1 MR688方案

MR688是一種具有視頻監測和圖像分析功能的紅外像機，能夠對駕駛員面部監測、分析，實現防疲勞預警。MR688借用L礦現有卡車調度系統[12]，實現系統設計與集成應用。

原有卡車調度系統配置有全球定位系統(Global Positioning System,GPS)天線、windows車載電腦、CPE終端和車載電源，主要對采礦工程車輛進行調度、跟蹤和管理，有超速預警功能。車輛安裝MR688后，通過RS232方式與車載電腦連接，從車載電腦獲取當前行駛速度，并根據速度和疲勞監測分析情況，發出防疲勞預警、抓拍實時圖片；數據經車載電腦上傳至后臺軟件。系統連接和數據處理過程如圖4所示。

圖4 基于MR688的實現方案

方案中后臺軟件和客戶端功能基于原有卡車調度系統進行定制開發實現，可接收前端報警，通知調度管理人員，定制開發軟件具備表2操作功能。

表2 卡車調度系統開發功能

MR688預警參數可在數據采集層設置，也可在所開發的軟件中設置。MR688與車載電腦間的數據傳輸采用16進制固定通信報文格式實現。

3.2 MR800方案

完整的MR800硬件設備包括了北斗/GPS天線、Linux車載計算機(HOST)、駕駛員監控和分析相機(DWS Camera)、前向防碰撞監測與分析相機(ADAS Camera)、周介行車監視相機(Third Camera)。S & K礦實施過程中，選配了MR800的HOST和DWS Camera，北斗/GPS天線配置根據應用情況做了區分。

后臺軟件和客戶端方面，開發了輔助安全監視系統專有后臺軟件和客戶端，具備與卡車調度系統和其他系統進行數據接口的能力，實現礦用工程車輛和普通礦用車輛的輔助安全駕駛監測與預警。

(1)礦用工程車輛。S & K礦所有礦用工程車輛均已納入卡車調度系統管理。因此，具體使用MR800時，連接和數據處理如圖5所示：MR800的HOST通過RJ-45網線接入車載CPE，與卡車調度系統車載電腦實現網絡連通，接收車載電腦發送的當前速度和位置信息；DWS Camera時刻監視駕駛員狀態，并根據速度和監測分析情況發出預警，抓拍實時圖片和短時錄像；監測預警數據通過HOST和私有物聯網系統上傳；后臺軟件接收超速、疲勞和不規范駕駛等監測、分析和預警信息，監控和調度管理員通過客戶端可接收預警并作出響應；卡車調度系統通過數據接口，可獲取礦用工程車輛預警信息。

圖5 基于MR800的工程車輛實現方案

(2)普通礦用車輛。S&K礦普通礦用車輛使用MR800時，數據流轉和安裝與礦用工程車輛基本相同，區別在于：第一，為車輛單獨安裝北斗/GPS雙模天線，用于獲取車輛速度和位置信息；第二，卡車調度系統不讀取后臺軟件數據，但后臺軟件仍保留了與其他系統交互的數據接口。具體如圖6所示。

圖6 基于MR800的普通車輛實現方案

(3)后臺軟件和客戶端。MR800實現方案中，專用后臺軟件和客戶端具備更強的獨立性、完整性、擴展性和穩定性，在實現礦區車輛輔助安全駕駛管理同時，可按需擴展系統功能，不影響其他關聯系統運行。S&K礦將后臺軟件部署在企業私有云平臺[13]，更適于異構系統集成。后臺軟件功能見表3。

表3 后臺軟件功能

3.3 應用分析

受數據采集層設備功能、系統組成結構、后臺軟件和客戶端等限制，MR688和MR800方案各有特點，表4對上述2種方案進行了對比分析。其中，MR688更適合疲勞駕駛監測和預警，單獨安裝和應用情況較普遍，費用投入少；如需實現集成目標，則必須考慮適合的北斗/GPS天線、車載電腦和后臺軟件的具體實現，投入可能超出MR800集成費用；MR800更適合超速、疲勞、不規范駕駛等多種監測和預警，可以單獨或集成安裝使用。

表4 MR688和MR800方案對比

蒙育瓦銅礦統計表明，L礦采用的MR688方案全年可降低道路交通安全事故40%左右，S&k礦采用的MR800方案全年可降低道路交通安全事故50%以上；因道路交通安全提升帶動車輛完好率和利用率提高1%～2%，重大事故發生頻次顯著降低。

4 結 論

采用本研究提出的海外露天礦山輔助安全駕駛系統，能夠快速構建系統，有效減少駕駛員危險行為，提升礦山道路交通安全水平，提高設備完好率、利用率和生產效率，滿足海外數字礦山建設和發展需要，對海外露天礦山生產、經營和管理具有重要意義。同時，蒙育瓦銅礦應用對比表明，在基本設計框架下，本研究所提2種代表性實現方法各有特點，可以作為海外露天礦山輔助安全駕駛系統建設的參照。