煤礦井下人員智能化平臺研究

宋兆雪 陳安明 趙青山

（兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

煤礦信息化建設從綜合自動化、數(shù)字化向智能化、智慧化發(fā)展，通過在井下安裝不同類型的環(huán)境、設備的感知和計算設備形成智能環(huán)境[1]，地面也融合監(jiān)測數(shù)據(jù)形成了重大災害預警平臺。但是，在煤礦智能化的過程中，作為主體的人卻很少被涉及，井下人員之間、井下人員與地面人員之間以及人員與重大災害預警平臺之間無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，煤礦中人員遠程交流需要通過有線電話或“井下小靈通”，無法做到實時聯(lián)通和全員覆蓋；各傳感器直接把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街卮鬄暮︻A警平臺中，井下人員卻無法獲取附近的監(jiān)測數(shù)據(jù)；重大災害預警平臺中的數(shù)據(jù)也是發(fā)送給相關管理人員，不能發(fā)送到井下人員。

針對上述情況，兗州煤業(yè)開發(fā)了煤礦井下人員智能化平臺，使人員加入到煤礦智能網(wǎng)絡中，幫助人員掌握周圍環(huán)境和設備的數(shù)據(jù)，為人員作業(yè)提供智能支持。煤礦井下人員智能化平臺分為礦用頭戴式可拆卸智能設備（以下簡稱礦用智能設備）和智能管理平臺兩部分。其中礦用智能設備提供數(shù)據(jù)存儲、計算、錄音、攝像、增強現(xiàn)實顯示等功能；智能管理平臺是重大災害預警平臺的一部分，其接收重大災害預警平臺中數(shù)據(jù)并為硬件設備提供數(shù)據(jù)接口。

1 煤礦井下人員智能化平臺

（1）增強現(xiàn)實顯示

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱AR）是一種在顯示設備中呈現(xiàn)真實環(huán)境并疊加由計算機生成的虛擬信息的視覺技術，使用者既能直接看到現(xiàn)實環(huán)境，又能看到計算機產(chǎn)生的虛擬信息，這些信息附加在現(xiàn)實環(huán)境上，并隨著現(xiàn)實環(huán)境在視野中的變化（位置、角度、光照等）而變化[2-5]。通過礦用智能設備的AR 顯示功能，井下人員既能直接看到真實的工作場景，又能看到當前工作場景中的環(huán)境信息（瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度等）和設備信息，達到在不影響視野的情況下，為使用人員提供可視化智能信息。

（2）人員定位

礦用智能設備使用井下無線基站+藍牙標簽的方式實現(xiàn)人員的精確定位，同時把定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣掌骱推渌V用智能設備中。

（3）虛擬導航

在確定人員位置后，用戶輸入目的地，系統(tǒng)通過虛擬指引路線、虛擬路標、指示牌等方式提供導航功能。

（4）環(huán)境信息顯示

礦用智能設備通過AR 方式實時顯示人員當前所在位置以及當前區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測信息（瓦斯、一氧化碳、溫度、頂板壓力等）。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)由區(qū)域內(nèi)的各傳感器提供。當行走在危險區(qū)域，比如采空區(qū)、冒頂區(qū)域，會出現(xiàn)虛擬警示牌、警示音等，提高員工的警惕性。

（5）信息推送

管理人員可以使用軟件平臺推送文本、語音、視頻信息給礦用智能設備，設備收到信息后自動展示給佩戴人員，其中文本信息還會轉(zhuǎn)換為語音。信息推送可以選擇某些人員，也可以發(fā)送給全部人員。

（6）語音通話

通過SIP 協(xié)議接入到煤礦中的無線通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)隨時隨地隨需進行交流溝通。為每個礦用智能設備分配一個號碼，設備注冊到無線通信系統(tǒng)中，通過這種方式實現(xiàn)礦用智能設備之間、地面與礦用智能設備之間的語音通信。

（7）視頻傳輸

礦用智能設備配有攝像頭，可以不間斷地錄制視頻，保存在設備的存儲卡中。在礦用智能設備通過WIFI 連入井下環(huán)網(wǎng)后，可以把實時視頻推送到地面服務器中，地面管理人員可以查看這些實時視頻，對指揮生產(chǎn)、事故救援有重要意義。

2 礦用智能設備設計

礦用智能設備使用快速夾具方式固定在安全帽上，能方便的拆裝，是井下人員智能化的核心設備。

2.1 礦用智能設備外觀

礦用智能設備外觀及佩戴效果如圖1，主要由主機、支架、攝像頭、顯示裝置組成。主機提供了智能設備的主要功能；支架連接主機和顯示裝置，其可動結構保證所有用戶都能把顯示裝置調(diào)整到適合自己的位置；攝像頭提供視頻拍攝功能，主要用于設備識別、視頻傳輸；顯示裝置把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶能看到的圖像信息。礦用智能設備主要部件如下所述。

（1）設備安裝支架：用于把設備固定到安全帽上，具有易拆裝的特點。

（2）WIFI 天線：智能設備的數(shù)據(jù)傳輸、定位、通訊都依賴井下WIFI 網(wǎng)絡，因此對信號強度有較高要求。采用外置天線的方式提高智能設備的信號強度。

（3）主機：智能設備的核心部分，內(nèi)部包含主要硬件設備和電池。其上有電源插口，可以使用輔助電源供電，電池作為輔助。

（4）指示燈：顯示主機的工作狀態(tài)，兩個指示燈分別顯示主機狀態(tài)和攝像頭狀態(tài)。主機開機后第一個指示燈為綠色，主機會監(jiān)測攝像頭狀態(tài)，攝像頭正在使用第二個指示燈為綠色，攝像頭未使用則為指示燈熄滅。

（5）多功能旋鈕：提供對主機的操作功能。順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)為選擇主機功能，短按為確認功能，長按為返回功能。

圖1 智能設備外觀

（6）可調(diào)式麥克風：用于語音通訊中的收音，提高語音通訊質(zhì)量。麥克風支架為柔性，可以任意調(diào)整角度和方向。

（7）縱向支架：連接主機和橫向支架，提供顯示設備的左右和上下調(diào)整功能?？v向支架為可伸縮結構，用于調(diào)整顯示設備和用戶眼睛之間的水平距離。

（8）耳機：智能設備具有語音提醒和電話功能，使用耳機可隔開井下周圍環(huán)境的聲響，提供清晰的聲音。由于井下環(huán)境較差，耳機容易損壞，智能設備上提供耳機接口，方便更換。

（9）橫向支架：連接主機和顯示設備，提供顯示設備的上下高度調(diào)整和水平角度調(diào)整（-10°～+10°）功能。

（10）顯示鏡片：高透光性反射鏡片，把圖像反射到用戶眼睛中。鏡片角度可以調(diào)節(jié)，鏡片也可更換。

（11）顯示組件：顯示主機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，主要部件是OLED 顯示屏和透鏡。

（12）攝像頭：提供視頻拍攝、視頻直播功能。

2.2 礦用智能設備硬件結構

主機中的芯片選用了較為成熟的MT6580 平臺，MT6580 是聯(lián)發(fā)科推出的一款高度集成的系統(tǒng)級芯片（SoC），集成了四核的ARM?Cortex-A7、3D圖形的OpenGL|ES 2.0、8 M 攝像頭和1080 p 高清視頻解碼器。

MT6580 還包括多標準視頻加速器和高級音頻子系統(tǒng)，以提供流媒體音頻和視頻等先進的多媒體應用程序和服務；許多解碼器和編碼器，如H.264和MPEG-4；音頻支持包括FR、HR、EFR、AMR FR 和AMR HR 語音編碼器，復音鈴聲和先進的音頻功能，如回聲消除，無手免提電話操作和噪音消除。

3 智能管理平臺軟件設計

礦用智能設備的功能實現(xiàn)不僅需要自身運行相關程序，還需要部署智能管理平臺為其提供數(shù)據(jù)和服務。智能管理平臺軟件是智能設備的支撐平臺，平臺為智能設備提供數(shù)據(jù)接口，供智能設備查看環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時可以通過平臺管理智能設備，查看智能設備發(fā)送的定位和視頻數(shù)據(jù)。

管理平臺軟件架構如圖2，分為數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換平臺、管理平臺UI 和智能設備接口五部分。

圖2 智能管理平臺軟件架構

（1）數(shù)據(jù)集成

集成原有監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、機電監(jiān)測系統(tǒng)、通風監(jiān)測系統(tǒng)和排水監(jiān)測系統(tǒng)。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)是智能設備顯示周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。由于各監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口不同，需要解決異構數(shù)據(jù)的集成問題。

（2）數(shù)據(jù)存儲

包含基本信息數(shù)據(jù)庫和視頻存儲。其中基本信息數(shù)據(jù)庫除存儲智能設備的信息還存儲井下設備的標記信息和井下設備的基本信息、設備維護信息、設備的操作手冊、維修手冊等。智能設備在檢測到井下的標記設備時，能夠查詢設備的這些信息。視頻存儲保存智能設備推送的視頻，采用文件方式保存。

（3）數(shù)據(jù)交換平臺

數(shù)據(jù)交換平臺是信息交換平臺，以統(tǒng)一的接口規(guī)范實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)審核等信息和數(shù)據(jù)的傳輸及共享，提高信息資源的利用率。

SIP 服務用于語音通訊，提供用戶管理、用戶注冊、呼叫控制和處理、語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。智能設備的語音通訊功能需要在SIP 服務中注冊，撥號時由SIP 服務進行呼叫控制和處理。

流媒體服務器用于對智能設備推送的視頻流進行管理，提供視頻的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（4）管理平臺UI

管理平臺的用戶操作界面，在平臺中可以管理智能設備，查看實時位置和歷史軌跡，與智能終端直接通話，向智能設備發(fā)送通知、提醒、告警等文本或語音消息、查看終端推送的實時視頻，查看歷史視頻。

（5）智能設備接口

為智能設備提供數(shù)據(jù)交換接口，智能設備調(diào)用相應的數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)，如定時調(diào)用接口獲取時時環(huán)境數(shù)據(jù)，通過消息接口接收管理平臺發(fā)送的消息。

4 結 語

本文針對煤礦中井下人員智能設備缺乏的問題，設計了礦用井下人員智能化平臺，并分別從礦用智能設備和智能化管理平臺兩方面進行了詳細描述。礦用井下人員智能化平臺使井下人員加入到礦山物聯(lián)網(wǎng)中，為井下人員提供了安全保障，同時為生產(chǎn)調(diào)度和防災救援提供了技術保障。