基于物联网技术的矿用智能单兵装备的研究与应用

何学源

摘   要：通过总结当前煤矿安全管理方面存在的问题，分析当前在煤矿井下作业人员随身携带仪器存在的弊端，总结煤矿单岗作业人员存在的安全问题，结合当前煤矿信息化系统存在的痛点，基于WIFI技术的物联网解决方法，研发可便于携带的矿用智能单兵装备，分析产品的应用前景及推广价值，并讨论矿用智能单兵装备对矿井安全管理及企业发展的意义，为相关同类工作提供借鉴。

关键词：煤矿  音视频  紧急求救  呼叫平台  推广价值

中图分类号：TP277                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0160-02

我国是世界煤炭开采量最大的国家，据不完全统计，国内目前尚有煤矿7000多座，煤矿开采为国民经济的发展做出了不可磨灭的贡献;同时也暴露出我国在煤矿安全管理方面存在的许多问题，虽然目前国内大型国有煤矿基本杜绝了重特大安全事故，有較为完整的安全管理体系和预防措施，但是由于缺乏可行的先进技术监管手段，无法实现安全管理全方位覆盖，导致各类零敲碎打的安全事故时有发生[1]。

1  矿用智能单兵保障装备研发的必要性

通过调研，目前我国煤矿安全事故主要基本集中在单岗及零星岗位上，主要是缺乏针对单岗作业的技术监管手段，属于监管盲区;二是安监员无法将违章过程进行记录，导致三违处罚缺乏证据支撑;定性定量不准确，职工与安检人员之间对立情绪突出，成为安全管理的难点。

当前煤矿行业的各类新技术应用步伐不断加快，同时随着各类智能硬件研发技术的不断成熟，矿用智能可穿戴设备将推动安全防护由过去的人防、制度管理模式逐步向技防模式转变，急需研发一套高度集成、人机一体的井下单兵作业保障仪器，提高矿井矿井安全管理水平，确保人员作业可监、可控、可防。

2  国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外大型采矿企业，在矿山开采方面都在积极进行新技术突破，美国、日本等科技型企业都在可视化系统方面进行新技术突破;井下由于煤的特性影响（煤壁吸光，不反光），传统摄像头感光材料在井下拍摄视频时无法获取清晰的视频画面，2016年日本索尼公司在感光材料方面进行了突破，推出了新的感光材料，基于感光材料的突破，使得井下便携式的可视化设备的产品研发成为可能。

2.2 国内研究现状

国内虽有部分厂家在此类产品进行突破，但是产品未考虑真实的使用场景，研发出来的产品不接地气，用户使用满意度较差，采购费用过高;国内在煤矿井下单兵携带产品方面，主要是集成摄像头，或者集成定位卡、或者集成甲烷气体;但是同时集成便携式摄像头、定位卡、SOS求救、有害气体监测在一起的国内在2016年前没有研发成功。

3  智能单兵保障装备研究内容

系统研究内容共分为三个部分，分别为智能单兵保障仪、多系统融合一体化基站、智能单兵保障物联网软件平台。

3.1 智能单兵保障仪设计

系统首先将井下作业人员携带的便携式四合一气体检测仪、定位卡、音视频设备进行整合，大幅度减少井下作业人员携带产品的数量及质量，方便井下作业人员进行作业，同时对音视频数据、定位数据、气体监测数据整合传输，实现作业人员采集数据传输一体化;智能单兵保障设备主要包括两个部分的设计，分别为灯头部分设计、腰部灯身设计。

3.1.1 灯头部分

考虑设计矿灯照明，利于井下人员作业，同时开发智能单兵音视频PCB，在智能单兵保障仪灯头前端设计镜头、感光、WIFI和RS485接收装置，使得灯头能够拍摄清晰的画质，并能够实现气体数据和音视频数据无线传输等功能，同时对接口协议进行约束和规范，保证传输稳定、畅通。同时设计送话器、喇叭、SOS求救功能键，方便进行可视通话操作，并确保紧急状态沟通顺畅。

3.1.2 腰部携带产品设计

腰部设计分为3个部分，一是CH4、CO、O2、H2S四种井下需要经常探测的气体PCB模块，二是电池模块，三是电池保护PCB模块，气体PCB电压等级必须电池输出电压等级一致，并通过保护电路稳定输出。

3.2 多功能一体化基站设计

设计研发多功能一体化基站，基站能够上传固定摄像头，无线方案选用WIFI技术方案，WIFI的场强符合国家规定，数据带宽必须达到300Mb/s，WIFI能够及时向地面处理服务器提供每个接入的便携智能单兵保障仪数据;WIFI电压等级必须在本安电压等级范围内;WIFI无线一体化基站具备无线数据传输、无线通信、气体数据上传、定位数据采集、以太网口接入等功能[2]。

3.3 智能单兵装备系统软件平台

矿用智能单兵装备软件平台主要基于物联网技术，负责将现场智能单兵保障装备采集的各类数据，通过WIFI网络，实现软件平台一体化展示。主要功能有：绘制矿井准确的2.5D效果地理位置信息图，使得调度室调度指挥人员基于地理位置信息掌握人员在矿井中的分布情况，同时能够将井下佩戴智能单兵保障仪采集的现场作业人员画面进行实时传输、展示。

开发了SOS音视频求救模块，能够实现现场人员一键直呼调度室功能，调度室与现场人员音视频实时对话，实现了井下作业人员的可视化求救[3]。

4  研究预期目标

通过产品研发，使该产品具备在矿灯、无线通信、定位卡、便携式气体检测仪、音视频、SOS六种功能的基础上，产品重量适中，能够实现端到端的通信，方便入井人员携带，产品技术选型合理，采购价格合理;二是研究一款具备推广价值的多种功能与一身的智慧传输基站，实现井下信息系统传输融合化;三是开发一款功能丰富的矿用智能单兵装备及其他系统功能的软件平台，平台具备多种融合交互等功能，方便人员操作。

智能单兵保障装备可以大幅度减少入井作业人员携带产品的数量，该智能单兵保障仪具备过去5种产品的功能;多功能一体化基站的系统融合传输及集成，一套解决方案系统至少实现四种数据集中采集功能，不存在系统对接问题，可实现各厂矿的简单交付，同时线缆、设备安装数量大幅度减少，系统维护便捷、高效。

5  智能单兵保障装备研究意义

智能单兵保障装备的研发成功对煤炭信息技术发展方向，多信息系统融合提供了方向，是支持企业增强创新能力、提高市场竞争力的有效途径，是具有高科技含量、高附加值、高投资回报率、市场前景广阔的高科技项目。

该项目研发成功后，将使得煤矿信息系统展示由二维走向三维过度、由经验走向智能、由单一走向协同;实现集团层面、煤矿层面角色的分工协作，充分实现资源共享，实现各个专业间的协同设计，大大提高设计效率，服务于整个集团公司，提升集团及各煤矿的技术服务水平，该项目具有重大的经济价值和社会效益，在煤炭行业有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1] 任玉辉，秦跃平.煤炭工程[J].价值工程，2012（11）：119-121.

[2] 王志瑞.基于WIFI的矿用井下多功能综合通信系统的设计与研究[D].河北工业大学，2012.

[3] 贾晓娣.建井技术[J].煤矿安全，2011（3）：85-89.