露天大型作业现场车辆和驾驶员智能监管系统

杨 洋，王丹阳，吕文伟，张 禹，韦玉飞，贺 笑，韩国路

（1.中国神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 准格尔010300；2.中安智讯（北京）信息科技有限公司，北京100125）

目前世界上有大约2/3 的煤矿适合采用露天开采方式，这种开采方式可以使资源充分利用，在具备高回采率的情况下还可以保持低贫化率，这也是我国大多数煤矿的首选开采方式[1-2]。目前，我国的大型露天煤矿基本上采用主要生产环节企业自己负责，部分生产环节外包的工作方式，通过将一些工作外包给有相关能力和资质的专业公司负责，降低企业的用人和管理成本，实现资源优化配置，提高生产效率。以神华准能集团哈尔乌素露天煤矿为例，排土场外委人员数量达到2 000 以上，作业车辆近1 000 辆。

但是，外包团队普遍存在人员身份复杂，无证上岗，合同、保险、健康证明等文件到期人员上岗等问题，甚至存在已列入“黑名单”（犯过严重错误的人员列入“黑名单”）的人员重新上岗等问题，给露天煤矿企业带来了很大的安全生产事故隐患。

由于露天煤矿的作业范围大，作业位置存在较大移动性，且外委人员工作的位置大多不具备电缆直接供电的条件，不适合使用固定卡口的方式对外委人员和车辆进行监管。目前，露天煤矿对外委人员和车辆普遍采取的管理手段是采用人工抽查核对，对进入作业现场的车辆及人员检查其通行证件。如果发现未持证件、证件失效或信息与本人不符的情况，则禁止其进入作业现场。这种方法增加了人工核查的成本，且效率极低，不能满足现场监管的要求。 所以目前外委人员、车辆没有得到有效的监管。为了降低煤矿生产过程中的人员隐患，提高企业生产效率，专门针对外委人员及车辆的智能监管系统是必不可少的。

针对这种现象，提出了2 种可行的针对露天大型作业现场车辆和驾驶员的智能监管系统建设方案：方案1 为标准型智能监管系统，其结构简单，设备和软件开发成本较低，功能能够满足基本需求；方案2 为增强型智能监管系统，其设备和软件开发成本较高，但是功能强大。

1 标准型智能监管系统

标准型智能监管系统由3 部分组成，其中包含在作业现场的智能检查岗基站，本地监控中心和云服务器。由于目前外包工作的工作量计算方式是以运送的车次计数的，智能检查岗基站可以布置在和计数设备相同的位置。为了避免出现漏检或误检的情况，在同1 个计数设备的位置可以放置复数个智能检查岗基站以进行交叉检查。本地监控中心是1台监控主机或服务器，可以设置在矿上的调度中心，从而方便对外委人员进行综合管理，提高外委人员及车辆在工作面的工作效率。云端服务器可以为系统提供与本地服务器相比更加稳定的智能监管服务，并且其具有更好的可扩展性和对多设备访问的兼容性。在工作过程中，智能检查岗可以将收集到的检查信息通过4 G 无线通信的方式发送到监控中心的主机或直接通过公网上传至云端服务器以供管理人员监测[3-5]。

1.1 智能检查岗基站

智能检查岗基站由太阳能电池板、蓄电池和本地控制装置、支架、智能检查终端和拍照摄像头几个部分构成。

根据现场调研情况，外委人员的工作位置大多不具备电缆直接供电的条件，所以为了满足智能监管系统长时间工作的需求，智能检查岗基站采用了太阳能供电与蓄电池供电相结合的供能方式，这种供能方式既利用了当地日照时间长的特点，又使智能检查岗基站可以随着作业面的移动而移动。智能检查终端包含了红外测距模块、蓝牙通信模块以及4G 无线通信模块，可以对从检查岗周围路过的车辆进行记录并上传到云端以供监控人员检查。拍照摄像头可以对路过的车辆进行拍照取证，当拍照摄像头接到来自智能检查终端的拍照请求时，其会朝着预定方向进行一系列拍摄，并把拍摄到的照片反馈到智能检查终端中。照片会和通行记录一起上传到监控中心。

1.2 标准型智能监管系统工作流程

当驾驶员驾驶车辆到达计数系统位置时（同时也是系统智能检查岗基站的安装位置），车辆上安装的用于计数的蓝牙信标广播信号会被计数系统的无线收发设备接收到，触发计数系统进行计数统计。系统的智能检查终端也可以接收到车辆上的蓝牙信标广播信号，与此同时，智能检查终端接收驾驶员工作证的蓝牙信号时，如果只接收到车辆信标的信号，没有接收到工作证的信号，说明该车上的驾驶员没有持证上岗，智能检查终端会向监控中心发送报警信号，该报警信号通过4 G 无线通信模块发送至监控中心或云端服务器以向检查人员示警。当驾驶员驾驶车辆到达计数系统位置时，驾驶员需要将车窗落下。当系统接收到驾驶员电子工作证的蓝牙信号时，智能检查终端向拍照摄像头发送拍照请求，使摄像头对车窗落下的驾驶员进行拍照。拍摄到的照片将会与工作证蓝牙信号的编码信息和车辆蓝牙信号中的编码信息一起通过4 G 信号发送至监控中心或云端服务器，监控中心工作人员可通过直接观察判断驾驶员与工作证是否匹配。若发现有驾驶员不配合检查工作，没有降下车窗，则说明驾驶员有冒名顶替的嫌疑。

2 增强型智能监管系统

增强型智能监管系统主要由车辆管理子系统和人员管理子系统组成，2 个子系统全部通过4 G 无线通信技术将采集到的信息传输至监控中心或者云端服务器。该系统通过前端的车载终端和人员佩戴的定位管理模块来实现数据的采集，后台软件通过GIS 系统和管理系统实时监管车辆和人员。系统的基本功能包括：实时监测人员、车辆的位置，鉴别驾驶员的身份信息，识别驾驶人员在运营过程中的违规行为。系统的可扩展功能包括：设置电子围栏，防止人员、车辆误入禁区，防止车辆发生碰撞事故，在移动终端上实时查看车辆和人员信息，实时监管车辆设备部件运行状态，数据的云存储和云计算。

2.1 车辆管理子系统

车辆管理子系统的主要功能部分是车载终端，其基本功能可以分为3 个部分：车辆定位、数据传输和电子身份识别。除此之外，车载终端还具有5 个扩展功能：电子围栏、行车视频存储、通话、防碰撞功能。

2.1.1 车载终端基本功能

目前矿区所使用的定位系统有很多种，其中比较成熟的技术有GPS 技术、RFID 技术、Zigbee 技术、WIFI 技术和UWB 技术[6-15]。RFID 技术具有很高的精度，但是由于露天煤矿的实际地理特征，车辆位置识别不需要十分精确的定位，且车辆的运行速度较快，移动范围较大，RFID 技术并不适合用来进行露天车辆位置识别。WIFI 技术、Zigbee 技术和UWB技术需要建立若干基站来实现无线通信，由于露天煤矿工作面广阔，且工作现场经常会移动，所以WIFI 技术、Zigbee 技术和UWB 技术在进行车辆定位时都有其局限性。全球定位系统的精度目前在3～5 m，和工程车辆的大小相当，完全可以胜任对于车辆的定位，所以可以采取北斗/GPS/GLONASS 等系统完成车辆定位任务。

数据传输模块采用通用的无线传输模块，利用4 G 无线信号实现车辆与后台系统的实时网络通信，选用目前国内运营商搭建的蜂窝网络或者露天煤矿专门搭建的无线通信网络。当出现网络波动情况时，车辆位置和车辆运行轨迹无法向后台实时传输时，轨迹信息可以保存在车载终端中，当网络恢复正常后，再进行与后台监控中心的数据交换。

车载终端还部署了电子身份识别模块，可以通过车内的拍照摄像头或者蓝牙接收模块对驾驶人员进行记录，并且与后台数据进行对比，来进行人脸识别或者电子证件识别，从而鉴别驾驶人员的身份合法性。此外，系统还可以利用人脸识别功能对驾驶员的行为进行监控，当驾驶员出现疲劳驾驶或者吸烟等违规行为的时候，系统会发出相应的提醒和报警提示，并拍照上传至后台服务器。

2.1.2 车载终端扩展功能

电子围栏是扩展功能的组成成分之一，在露天煤矿中，地形复杂，作业区域多变，人员及车辆存在误入危险区域的可能性。电子围栏可以在车辆进入禁止区的时候，向驾驶员发出报警信号，并将通行信息记录下来，发送至后台监控中心。此外，车辆还可以配置行车视频存储设备，其可以将车辆的行驶情况以一定的周期进行循环录像，并且将录像存储在本地设备中，当车辆向后台监控中心发送报警信号时，发送报警时的行车视频会同时上传到监控中心或云端服务器以供管理人员检查。车载终端还可以支持车上人员和后台的双向通话功能，以便后台管理人员和车上人员可以及时地进行交流。

由于矿山工程车辆体积庞大，视野盲区最大可达百米以上，而普通车辆在矿区通行时常常会和工程车辆存在会车的情况，故存在非常严重的交通安全隐患。目前露天煤矿普通采取的办法是给矿区通行的普通车辆树立小旗杆等标志物，以便让工程车辆驾驶员可以目测定位普通车辆的位置。然而，由于矿区环境恶劣，扬尘严重，再加上矿山的全天候生产方式，工程车辆驾驶员经常会遇到视野不好的情况，无法找到普通车辆的位置，从而可能发生安全生产事故。车载终端装配的防碰撞雷达模块可以有效地解决这一问题，在工程车辆驾驶员无法判断普通车辆位置的时候，防碰撞雷达模块不仅可以探测到车辆前后各150 m 的物体，还可以对车辆两侧的盲区进行监控。当雷达探测到有车辆经过时，会基于经过车辆的方位和距离向驾驶员提供发声预警反馈，使其可以及时减速避让，避免发生危险。

2.2 人员管理子系统

人员管理子系统主要是通过让工作人员佩戴前端管理模块来实现人员的定位功能。与车辆定位模块相似，工作人员佩戴的定位模块可以通过北斗/GPS/GLONASS 等全球定位软件来实现定位，精度可达3～5 m。集成在前端管理模块中的无线通信模块可以将人员的定位数据按照一定的周期上传至监控中心或者云服务器，以实现人员的定位效果。前端管理模块体积小，方便携带，可以安装在头顶安全帽上或者佩戴在腰间。

人员管理子系统还可以增加电子身份识别功能，与标准型智能监管系统相似，人员前端管理模块可以添加蓝牙收发模块来向周围周期性广播工作人员的认证信息，管理人员可以通过向后台数据库核查认证信息来鉴别工作人员的身份合法性。此外，人员管理子系统还可以与车辆管理子系统的电子围栏相联动，在人员进入禁区时对工作人员发出报警，并将报警信息通过无线通信模块上传到监控中心或者云服务器。

3 结 语

提出了2 套可行的监管系统设计方案。方案1为标准型智能监管系统，方案2 为增强型智能监管系统。2 套系统各具特点，分别适合不同情形的露天煤矿生产。标准型智能监管系统的结构相对比较简单，所搭配的设备和对应软件开发成本都较低，其能够满足对外委人员进行监管的基本需求。这套设备适合对人员成分较为复杂，外包工作较多的露天煤矿使用。增强型智能监管系统拥有功能更加强大的设备，其智能化程度更高，煤矿生产效率更高，工作人员更加安全，但是强大的功能导致了较高的设备安装成本和软件开发成本。